УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТОМОГРАФИЧЕСКОЙ РЕКОНСТРУКЦИИ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ ПРЕЛОМЛЯЮЩИХ И РАССЕИВАЮЩИХ ОБЪЕКТОВ

Изобретение относится к области исследования внутренних структур рассеивающих объектов, например, биологических, методами трансмиссионной оптической томографии. Изобретение может найти применение в процедурах исследования внутренних структур рассеивающих свет образцов как в медицине, так и в промышленности. Область использования изобретения включает в себя нефтяную и газовую промышленность, производство материалов, включая биоматериалы, пищевую промышленность, включая пивоварение, птицеводство, изготовление лекарств и медикаментов, медицинскую диагностику и др.
Излучение, прошедшее через рассеивающий объект, несет в себе информацию об оптических свойствах объекта [1]. Однако, в условиях сильного рассеяния света при прохождении излучения через объект исследования процесс томографической реконструкции значительно усложняется. Крайне негативное влияние на реконструкцию оказывает преломление света на границе раздела двух сред (на входе в объект и на выходе из объекта исследования). В результате преломления, луч на выходе из объекта исследования смещается от первоначального направления, т.е. свет движется не прямолинейно.
Известен способ получения томографических изображений внутренней структуры рассеивающих объектов с помощью оптической системы [2], который включает в себя следующие этапы: облучение объекта источником направленного излучения, фокусировка оптической системы на точке в объекте; фиксирование света, прошедшего через фильтр, на точке в плоскости изображения; фокусировка оптической системы на следующей точке, фиксирование следующей точки в плоскости изображения, и т.д. Таким образом, получают сфокусированное (томографическое) изображение внутренней структуры рассеивающего объекта.
Недостатком способа является то, что в нем не учитывается преломление, что ухудшает качество получаемых томографических изображений.
Известен способ компенсации преломления излучения [3], основанный на использовании компенсирующих цилиндрических линз, повторяющих форму объекта и установленных впереди и позади объекта.
Однако, такой способ неприменим к томографической реконструкции оптических характеристик рассеивающих образцов.
Известен способ [4], который может быть использован в томографической системе. Предлагается вводить в систему «источник - объект исследования -приемник» устройство для преломления света, установленное на специальном держателе и имеющее призменные блоки, которые состоят либо из одной призмы, либо из большого количества малых призм. При этом излучение, которое отклоняется от своего первоначального направления и не попадает в приемник излучения, направляют на чувствительную область приемника за счет преломления света.
Недостатком способа является сложность его технической реализации.
В качестве прототипа для способа берется известный способ томографической реконструкции [1]. В прототипе используют круговую геометрию измерений с параллельными проекциями для томографического восстановления двумерного распределения коэффициента ослабления излучения µ(х,у). Суть способа заключается в следующем: источник излучения, формирующий тонкий пучок, смещается дискретно вдоль объекта. Синхронно с источником с другой стороны объекта движется приемник излучения. Набор отсчетов, полученный таким образом, определяет одномерную функцию, называемую проекцией. Затем система «источник-приемник» поворачивается относительно объекта на некоторый угол, и снимается новый набор отсчетов, определяющий следующую проекцию. Такие измерения повторяются, пока система «источник-приемник» не повернется на угол 2π. По полученному набору одномерных проекций восстанавливается двумерное распределение µ(х,у).
Однако, такой способ не учитывает излучение, если оно не попадает в приемник за счет преломления на границе объекта и рассеяния внутри объекта. Это обстоятельство ухудшает качество томографической реконструкции.
Известно устройство, использующее преломление света для направления излучения на чувствительную область приемника, которое может применяться в томографии [4]. В устройстве используются призменные блоки, смонтированные в непосредственной близости от чувствительной области приемника, что позволяет направить на приемник свет, который незначительно отклоняется от своего первоначального направления и не попадает в поле зрения приемника излучения. Каждый призменный блок состоит либо из одной призмы, либо из большого количества малых призм. Чтобы сфокусировать излучение на область призменного блока и приемника, над ними помещают линзу Френеля. Всю предлагаемую конструкцию устанавливают на специальном держателе.
Недостатком устройства является его техническая сложность.
Известны устройства для определения оптических характеристик рассеивающих образцов [5, 6]. При этом используется источник направленного оптического излучения. Проходя через образец, излучение взаимодействует с веществом объекта. При этом существует два основных вида взаимодействия: поглощение и рассеяние света. Прошедшее через объект излучение регистрируется приемником, после чего происходит обработка полученных данных.
Основным недостатком этих устройств является то, что в них не учитывается излучение, которое не попадает в приемник из-за преломления. Это снижает эффективность регистрации прошедшего излучения и, как следствие, ухудшает качество реконструкции.
Известно устройство [7] для регистрации оптического излучения, которое может использоваться в томографии, содержащее фотоприемник с разнесенными фоточувствительными площадками; перед фотоприемником установлен призменный блок, составленный из двух трехгранных равнобедренных призм, обращенных одна к другой большими гранями, при этом регистрируемый поток излучения падает перпендикулярно ребру двугранного угла, опирающегося на большую грань первой по ходу излучения призмы.
Недостатком устройства является то, что в нем не учитывается искривление траекторий фотонов вследствие рассеяния.
Известно устройство [8] для выполнения инфракрасной трансмиссионной спектроскопии, включающее в себя источник излучения, систему для облучения объекта исследования и систему для сбора излучения. Два концентратора, соединенные друг с другом узкими концами, и отражатель предназначены для равномерного освещения исследуемого объекта. В состав приемного канала устройства может вводиться концентратор в форме усеченного конуса, который устанавливают перед приемником.
Недостатком устройства является то, что оно неэффективно для рассеивающих и преломляющих объектов.
Известна оптическая система для томографической визуализации объектов в рассеивающих средах [2], состоящая из источника оптического излучения, объекта исследования - рассеивающей среды, системы линз и фильтра для обеспечения пространственной фильтрации. Движение оптической системы и ее перефокусировка позволяют осуществить сканирование рассеивающего объекта. Система линз, которая установлена за объектом исследования, состоит из линзы объектива, изображающей линзы, размещенной на оптической оси линзы объектива, а также фильтра пространственной фильтрации, размещающегося между этими линзами.
Недостатком устройства является использование системы линз и фильтра, что увеличивает линейный размер системы и технически усложняет устройство.
Наиболее близкой по технической сути является высокоэффективная оптическая собирающая система для детектирования излучения по патенту [9].
Прототип состоит из двух соединенных вместе концентраторов с двумя открытыми концами, соответствующими точке входа излучения в концентратор и точке выхода. Концентраторы яйцевидной формы обладают внутренними зеркальными стенками. За счет отражения от внутренней зеркальной поверхности луч попадает в приемник излучения.
Недостатком прототипа является то, что он не обеспечивает сбор преломленных лучей, прошедших через объект исследования, т.к. преломленный луч не сможет попасть внутрь концентратора в силу своего отклонения относительно первоначального направления распространения и малого диаметра входного отверстия концентратора. Составная структура из двух частей разной геометрической конфигурации приводит к усложнению общей конструкции прототипа, к повышению требований к обработке мест соединений двух концентраторов и к возможным искажениям и потерям из-за наличия шва на месте их соединения.
Задача изобретения заключается в улучшении качества томографической реконструкции внутренней структуры преломляющей рассеивающей среды за счет учета эффектов преломления и рассеяния излучения в объекте.
Для того, чтобы улучшить качество томографической реконструкции и зарегистрировать оптическое излучение, прошедшее через преломляющую рассеивающую среду, в общую схему измерений между точкой выхода луча из объекта исследования и системой регистрации излучения (приемником излучения) помещают фокон (фокусирующий конус), который представляет собой конусообразный оптический элемент с различными радиусами входного и выходного отверстия.
Применение в системе регистрации излучения, прошедшего через объект исследования, вспомогательного оптического устройства - фокона - позволяет повысить интенсивность регистрируемого приемником излучения за счет компенсации потерь излучения, неизбежных в результате преломления луча на границе раздела двух сред с различными показателями преломления, а также зарегистрировать даже те фотоны, которые рассеялись в сторону от оси.
Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства, состоящего из источника оптического излучения, объекта исследования, системы линейного перемещения и кругового вращения объекта, фокона, приемника излучения и системы обработки данных. При этом приемник излучения и фокон должны быть расположены в месте, соответствующем выходу излучения после преломления на границах объекта. Фокон либо крепится непосредственно на приемник излучения, либо к держателю, расположенному перед приемником излучения. При этом внутренняя поверхность фокона может быть выполнена либо из материала, отражающего излучение, либо на внутреннюю поверхность напыляется слой, отражающий излучение, либо фокон выполняется из спеченных вместе конических стеклянных нитей (оптического волокна). Фокон должен иметь выходное отверстие, соизмеримое с размером чувствительной области приемника излучения, а входное отверстие должно быть иметь такой диаметр, чтобы преломленный луч попадал внутрь фокона даже при условии максимального смещения от своего первоначального направления.
Графические изображения
На фиг.1 показан общий вид классической схемы измерения: источник (И) испускает направленное на объект исследования (О) оптическое излучение, которое регистрируются приемником (П). Объект установлен на системе линейного перемещения и кругового вращения (СП). Обработка данных осуществляется с помощью системы обработки данных (СОД).
1
2
На фиг.2 показан фокон: d - диаметр входного отверстия фокона, d - диаметр выходного отверстия фокона, h - длина фокона, α - угол уклона фокона.
На фиг.3 показана общая схема измерения: источник (И) испускает направленное на объект исследования (О) оптическое излучение. Объект установлен на системе линейного перемещения и кругового вращения (СП). Прошедшее через объект излучение попадает в фокон (Ф) и регистрируются приемником (П). Обработка данных осуществляется с помощью системы обработки данных (СОД).
На фиг.4 показан ход лучей в фоконе. За счет отражения от внутренней отражающей поверхности фокона (Ф), луч света попадает в приемник излучения (П).
На фиг.5 показаны эффекты отражения и преломления света на границе раздела двух сред. Здесь линия АВ - плоская граница раздела сред. Лучи 1, 1' и 2 характеризуют направления распространения падающей, отраженной и преломленной плоских волн, φ - угол падения, φ' - угол отражения и ψ - угол преломления.
0
На фиг.6 показан луч непрерывного источника света с интенсивностью I, падающий на цилиндрический объект, являющийся чисто поглощающим и преломляющим.
На фиг.7 показана круговая геометрия измерений с параллельными проекциями, применяемая в томографии для восстановления двумерного распределения коэффициента ослабления излучения µ(х,у). Процесс измерений выглядит следующим образом: источник излучения (И), формирующий тонкий пучок, проходит дискретно вдоль объекта (О). Синхронно с источником с другой стороны объекта движется приемник излучения (П). Набор отсчетов, полученный таким образом, определяет одномерную функцию, называемую проекцией. Затем система «источник-приемник» поворачивается относительно объекта на некоторый угол, и снимается новый набор отсчетов, определяющий следующую проекцию. Такие измерения повторяются, пока система «источник-приемник» не повернется на угол 2π.
0
На фиг.8 показан луч импульсного источника света с интенсивностью I(t),
испущенный источником (И), падающий на однородный слой преломляющего рассеивающего вещества (О), где t - время. На выходе из системы можно выделить так называемые баллистические фотоны, которые не испытали ни поглощения, ни рассеяния, и рассеянные фотоны, которые рассеялись под разными углами. Прошедшее через объект излучение регистрируется приемником (П).
На фиг.9 показано смещение преломленного луча от своего первоначального направления на расстоянии L от центра цилиндрического фантома до приемника (Д). Здесь И - источник направленного оптического излучения.
0
На фиг.10 показан луч импульсного источника света с интенсивностью I (t), испущенный источником (И), падающий на однородный слой преломляющего рассеивающего вещества (О), где t - время. На выходе из системы можно выделить так называемые баллистические фотоны, которые не испытали ни поглощения, ни рассеяния, и рассеянные фотоны, которые рассеялись под разными углами. Прошедшее через объект излучение регистрируется приемником (П). Помещенный между точкой выхода излучения из объекта и приемником излучения фокон (Ф) позволяет зарегистрировать рассеянное и преломленное излучение.
Для того, чтобы улучшить качество томографической реконструкции и зарегистрировать оптическое излучение, прошедшее через преломляющую рассеивающую среду, в общую схему измерений между точкой выхода луча из объекта исследования и системой регистрации излучения (приемником излучения) помещают фокон (фокусирующий конус), который представляет собой конусообразный оптический элемент с различными радиусами входного и выходного отверстия.
Обычно томографическая реконструкция внутренней структуры реализуется с помощью устройства, состоящего из источника оптического излучения, объекта исследования, системы линейного перемещения и кругового вращения объекта, фокона, приемника излучения и системы обработки данных (фиг.1). При этом фотоны, идущие мимо приемника излучения, не попадают в приемник излучения. Фокон (фиг.2) может направлять такие фотоны в приемник излучения. Тогда общая система должна включать в себя фокон (фиг.3). Фокон должен иметь выходное отверстие, соизмеримое с размером чувствительной области приемника излучения, а входное отверстие должно быть иметь такой диаметр, чтобы преломленный луч попадал внутрь фокона даже при условии максимального смещения от своего первоначального направления (фиг.4).
В однородной среде свет распространяется прямолинейно с постоянной скоростью. Если же среда неоднородна, то в разных областях скорость его распространения различна:
где с, v - скорости света в вакууме и в среде, n - показатель преломления среды.
1
2
21
21
2
1
Кроме того, на границе раздела двух сред с разными показателями преломления n и n существуют эффекты преломления и отражения светового луча [10, 11] (фиг.5). Относительным показателем преломления двух сред (второй среды по отношению к первой) называется величина n, равная отношению показателей преломления этих сред: n=n/n.
При падении на гладкую плоскую поверхность раздела сред плоской монохроматической волны (независимо от характера ее поляризации) справедливы следующие законы [10-11]:
- закон отражения (отраженный луч лежит в плоскости падения, причем угол падения φ равен углу отражения φ')
- закон преломления: преломленный луч лежит в плоскости падения, а угол преломления ψ связан с углом падения φ соотношением
21
Эффекты преломления будут тем больше, чем больше отличается от единицы относительный показатель преломления n (т.е. чем больше различаются показатели преломления объекта и окружающей среды).
Во многих методиках определения свойств объектов по результатам прохождения через них света используется закон Бугера-Ламберта-Бэра для непрерывного излучения [1]
0
a
где i - интенсивность света, падающего на объект, a l(d) - интенсивность света, прошедшего через объект толщиной d. При этом предполагается, что объект представляет собой чисто поглощающую среду, в которой возможно только поглощение оптического излучения, характеризующееся коэффициентом поглощения µ. Если объект является еще и преломляющим, то к поглощению добавляется преломление (фиг.6). В диапазоне рентгеновского излучения обобщение закона Бугера-Ламберта-Бэра для неоднородных сред - экспоненциальный закон ослабления излучения - выполняется с высокой степенью точности. Он служит физической основой интегрального преобразования Радона, которое было впервые применено именно для рентгеновской томографии (фиг.7).
21
2
1
Однако, на практике в качестве объектов исследования используют среды, в которых кроме поглощения присутствует значительно более сложный процесс рассеяния излучения. Например, в медицине такой средой является кровь, ликвор и другие жидкости организма человека, в промышленности - это нефть и нефтепродукты, задымленный воздух и аэрозоли, и т.д. При этом объект исследования (жидкость, эмульсию и т.д.) целесообразно помещать в кювету для проведения исследования. В этом случае к рассеянию прибавляется эффект преломления на границе раздела двух сред. Нужно стараться применять материалы с минимальным относительным показателем преломления двух сред (второй среды - объекта исследования - по отношению к первой - материалу кюветы) n=n/n, что позволит уменьшить искажения, возникающие вследствие преломления света на границе раздела двух сред.
Но, зачастую, даже таких мер бывает недостаточно, и влияние эффектов преломления и рассеяния негативно сказывается на результатах томографической реконструкции.
В последнее время в медицинской диагностике различных тканей и органов, все большее развитие получает трансмиссионная оптическая томография. Ее перспективность обусловлена применением безопасного для пациентов и медицинского персонала неионизирующего оптического излучения, компактностью и малой стоимостью требуемой аппаратуры. Однако оптическое излучение подвергается существенно большему ослаблению в биологических тканях, представляющих собой сильнорассеивающую среду, что приводит к значительным трудностям, как при регистрации излучения, так и при математической обработке полученных данных.
Взаимодействие излучения с преломляющей рассеивающей средой носит более сложный характер по сравнению с преломляющей чисто поглощающей средой, а оптическое излучение подвергается существенно большему ослаблению, что приводит к значительным трудностям, как при регистрации, так и при обработке полученных данных.
В преломляющей рассеивающей среде часть фотонов вследствие процессов многократного рассеяния меняет направление своего движения , что приводит к расплыванию луча и к невыполнению закона Бугера-Ламберта-Бэра (фиг.8).
Основным методом описания прохождения излучения через рассеивающую среду является нестационарное уравнение переноса излучения:
a
s
a
где  - плотность потока фотонов в точке , в момент времени t, движущихся в направлении ;  - дифференциальный по углам коэффициент рассеяния излучения (индикатриса рассеяния); µ=µ+µ - коэффициент экстинкции; µ - коэффициент поглощения излучения;  - коэффициент рассеяния излучения;  - плотность источников фотонов в точке , в момент времени t, движущихся в направлении ; ν - модуль скорости распространения излучения в среде [1, 12, 13, 14]. Таким образом, основной характеристикой рассеивающей среды является, наряду с коэффициентом поглощения, индикатриса рассеяния, зависящая от угла рассеяния .
a
a
s
Уравнение (5) в общем случае не имеет аналитического решения. Однако, для баллистических фотонов справедливо выражение, аналогичное закону Бугера-Ламберта-Бэра с заменой коэффициента поглощения µ на коэффициент экстинкции µ=µ+µ [1], которое можно назвать модифицированным законом Бугера-Ламберта-Бэра.
Для оценки степени влияния процесса рассеяния можно использовать выражение для относительной доли баллистических фотонов в общем излучении, прошедшем через рассеивающую среду [1]:
b
s
a
a
-1
-1
где I - интенсивность баллистических фотонов, I - интенсивность рассеянных фотонов, µ - коэффициент экстинкции, µ - коэффициент поглощения, d - длина образца. Для неразбавленной крови [15] µ~50 мм, µ~10 мм. То есть, уже при длине образца d=0,04 мм количество рассеянных фотонов в общем излучении, прошедшем через рассеивающую среду, будет более половины.
При прохождении лазерного луча через преломляющую рассеивающую среду первоначальное направление лазерного луча меняется, вследствие чего часть излучения уходит в сторону от приемника излучения, происходит значительное ослабление регистрируемого сигнала, и затрудняется детектирование прошедшего излучения из-за отклонения луча. В результате эффекты преломления и рассеяния оказывают негативное влияние на результаты томографической реконструкции внутренней структуры преломляющих и рассеивающих объектов. Например, при прохождении луча через цилиндрический объект исследования (фантом) (фиг.10) происходит смещение луча от его первоначального направления вследствие преломления и рассеяния излучения.
Смещение преломленного луча от его первоначального направления на расстоянии L от центра цилиндрического фантома (фиг.9) определяется выражением
где
а  - расстояние от оси цилиндра до преломленного луча.
Рассмотрим конкретный пример томографической реконструкции внутренней структуры преломляющего и рассеивающего объекта.
В экспериментах по томографической реконструкции внутренней структуры объектов методом трансмиссионной оптической томографии использовался радиально-симметричный фантом преломляющей рассеивающей среды. Однако томографическая реконструкция такого объекта затруднена из-за эффектов преломления и рассеяния, которые приводят к заметным искажениям результатов реконструкции.
2
1
21
1
2
Модельная рассеивающая среда - 0,5% эмульсия интралипидных частиц (рассеивателя) в льняном масле (n=1,485) - объемом 20 мл заполняла цилиндрическое углубление диаметром 28 мм в полиметилметакрилатном параллелепипеде (Д×Ш×В - 60×40×45 мм) с n=1,491. В таком случае относительный показатель преломления составляет n=0,996. Кювета со средой устанавливалась на систему линейного перемещения - моторизированную механическую линейку - и систему кругового вращения. В качестве источника излучения использовался непрерывный полупроводниковый лазер с длиной волны 650 нм и средней мощностью излучения 5 мВт, а в качестве приемника излучения использовался приемник на основе кремниевого фотодиода с размером чувствительной площадки 1,5×1,5 мм. Для экспериментов был изготовлен фокон, для которого d=60 мм, d=1,5 мм, длина h=5 6 мм, а угол уклона α (равен половине раствора конуса) составлял 27,5°. Применение фокона в системе регистрации излучения (фиг.10), прошедшего через преломляющую рассеивающую среду, позволило улучшить результаты томографической реконструкции, скомпенсировав эффекты преломления и рассеяния излучения.
Источники информации
1. Терещенко С.А. Методы вычислительной томографии. - М., Физматлит, 2004.
2. H.Kusuzawa. Optical system for visualizing an object in a light scattering medium. US Patent 6,690,520, Feb. 10, 2004.
3. G.R.Allen, E.Moskowitz. Apparatus and method to compensate for refracting of radiation. US Patent 4,912,529, Mar. 27, 1990.
4. C.C.Hu. Method and apparatus for refracting light to an optical detector. US Patent 5,124,546, Jun. 23, 1992.
5. Y.Yamada, R.Araki, Y.Yamashita. Method and apparatus for determination of optical properties of light scattering materials. US Patent 5,867,807, Feb 2, 1999.
6. S.Rastopov. Optical detection of particles in a liquid medium. US Patent 7,209,231, Apr. 24, 2007.
7. Патент Российской Федерации №92007839, МПК G01J/04 (Мыльников Г.Д. Устройство для регистрации оптического излучения).
8. D.Wolfman, A.Bomstein. System having non-imaging concentrators for performing IR transmission spectroscopy. US Patent 5,254,858, Oct. 19, 1993.
9. J.W.Jablonski, K.F.Carr. Highly efficient collection optical systems for providing light detectors such as photodetectors and the like with hemispherical fields of view. US Patent 5,479,009, Dec. 26, 1995.
10. Ландсберг Г.С.Оптика. - М.: Наука, 1976.
11. Яворский Б.М., Детлаф Б.М. Справочник по физике. - М.: Наука, 1980.
12. Кольчужкин A.M., Учайкин В.В. Введение в теорию прохождения частиц через вещество. - М., Атомиздат, 1978.
13. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. - М., Мир, 1981. - T.I.
14. Кейз К., Цвайфель П. Линейная теория переноса. - М., Мир, 1972.
15. Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. - Саратов, изд-во Саратовского университета, 1998.