УСТРОЙСТВО ВРЕМЯ-РАЗРЕШЁННОЙ ДИФФУЗИОННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ

Предлагаемое техническое решение (полезная модель) относится к области измерений для диагностических целей, в частности измерений с помощью электрического тока или магнитных полей и может быть использовано для получения высококачественных двухмерных послойных и трехмерных объемных томографических изображений биомедицинских объектов или их отдельных частей.
Диффузионная оптическая томография - совокупность методов исследования биологических тканей на глубину до 10-15 см, основанных на регистрации и последующем анализе динамики изменения интенсивности одиночного импульса лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона в процессе многократного рассеяния (диффузии фотонов) внутри исследуемого объекта (как правило, биологического). Методов диффузионной оптической томографии достаточно много. По ключевому параметру, типу излучения используемого для зондирования, их принято сводить в три большие группы: импульсные (время-разрешенная или время-пролетная оптическая томография), амплитудно-модулированные (модуляционная оптическая томография), непрерывные (свето-диффузионная оптическая томография). Также часто принято сочетать диффузионную оптическую томографию с другими методами диагностики, например с лазеро-флуоресцентной диагностикой - диффузионная флуоресцентная томография. Но, несмотря на такое многообразие на 2013 год диффузионный оптические томографы не выпускаются серийно, известно лишь о проходящем этап клинических испытаний (т.е. пока что тоже не выпускаемом серийно) импульсном диффузионном оптическом маммографе «CTLM» фирмы «Imaging Diagnostic Systems, Inc.» (США).
По патенту US 20090240139 А1, МПК А61В 6/03, опубл. 24.09.2009 г. известно устройство бесконтактной диффузной оптической томографии in vivo, включающее в себя блок источника излучения для освещения образца, блок сенсоров для сбора время-разрешенного отклика образца на освещение источником излучения, блок сенсоров для сбора разрешенного по частоте отклика образца на освещение источником излучения, блок обработки и визуализации. Таким образом, устройство сочетает в себе возможности время-разрешенной и модуляционной диффузионной оптической томографии. Техническим результатом использования устройства является получение томографических изображений биомедицинских объектов, а также измерение ряда физиологических параметров, таких как: примерное насыщение кислородом гемоглобина крови и кровоток в сосудах.
Недостатком данного устройства является низкая эффективность детектирования время-разрешенного сигнала вызванная бесконтактным принципом его работы, и, как следствие это, значительными потерями полезного сигнала.
По патенту US 6339216 B1 («Imaging Diagnostic Systems, Inc.») на способ и устройство его реализующее, МПК G01N 21/17, А61В 10/00, А61В 5/00, опубл. 15.01.2002 г. известно устройство для время-разрешенной маммографии, содержащее: источник лазерного излучения; блок фотодетекторов, расположенных по дуге вокруг сканируемого объекта; схему фотодетектирования (предусилитель, коммутатор каналов, интегрирующая цепь, усилитель с переменным коэффициентом усиления и интегратор); блок электромеханических подвижек, перемещающий источник излучения и блок детекторов на заданный угол до тех пор, пока не будет пройдет полный круг; блок селекции по времени, на основе реле выдержки времени, включающий коммутатор каналов через заданные интервалы времени, в течение процесса считывания сигнала; блок синхронизации с лазером, функционально соединенный со схемой селекции по времени и обеспечивающий синхронность лазерного импульса и приема сигнала фотодетекторами. Техническим результатом использования устройства является получение маммографических изображений.
Недостатком данного устройства является низкая эффективность детектирования время-разрешенного сигнала, вызванная бесконтактным принципом работы этого устройства и тем, что детекторы расположены по дуге вокруг исследуемого биообъекта, что приводит к потере значительной части полезного сигнала (трассы оптических лучей, проходящих через биологические ткани, из-за сильного рассеяния не являются прямыми, а напротив ближе к случайным).
Ближайшим аналогом (прототипом) разработанной полезной модели является устройство получения временных функций рассеяния точки для нескольких одновременно используемых длин волн и визуализации результатов их обработки (патент на способ и устройство его реализующее US 7047057 В2, МПК G01N 21/17, А61В 5/00, А61В 10/00, G01N 21/49, опубл. 16.05.2006 г.), включающее в себя: по меньшей мере, один источник излучения широкого диапазона длин волн; по меньшей мере, один порт (соединенный с указанным, по меньшей мере, одним источником излучения) для инжектирования излучения в исследуемый объект в одном или более положениях одновременно; по меньшей мере, один порт детектирования диффузионно прошедшего через исследуемый объект излучения; устройство селекции длин волн, соединенное с указанным, по меньшей мере, одним портом детектирования излучения; CCD-камера (ПЗС-матрица) для регистрирования множества длин волн, разделенных устройством для селекции волн по длине; блок для направления упомянутого множества длин волн в разные области вышеуказанной CCD-камеры; блок обработки и визуализации. В других реализациях устройства предусматривается, что указанный, по меньшей мере, один источник излучения содержит множество перестраиваемых лазеров и (или) он с помощью оптического переключателя подключен к одному из множества портов для инжектирования. Техническим результатом использования устройства является получение томографических изображений сильно рассеивающих сред, таких как биомедицинские объекты.
Недостатком данного устройства является низкая эффективность детектирования время-разрешенного сигнала вызванная значительными потерями полезного сигнала при селекции волн по длине и направлении упомянутого множества длин волн в разные области CCD-камеры (т.е. из-за длинного и сложного оптического пути) и возможными потерями излучения источника при использовании оптического переключателя (т.е. еще до диффузного-прохождения излучения через исследуемый объект).
Поскольку разрешение по времени детектируемого в импульсной диффузионной оптической томографии сигнала является высоким (как правило, находится в диапазоне 1-50 пс) и динамический диапазон (десятичный логарифм отношения максимального и минимального возможных значений величины интенсивности детектируемого излучения) сигнала тоже большой (как правило, 10-20), то эффективность детектирования время-разрешенного сигнала достаточна низкая. Как следствие этого, для восстановления изображения характеризующего внутреннюю структуру исследуемого объекта приходится использовать либо несколько длин волн источника излучения (как в устройстве, являющемся прототипом), либо сочетание разрешенного по времени и разрешенного по частоте сигнала, либо многократно перекрывающийся сигнал от кругового сканирования (как в устройствах-аналогах).
Технической задачей полезной модели является повышение эффективности детектирования время-разрешенного сигнала за счет использования эластичного браслета, выполненного с регулируемым диаметром и поэтому плотно прилегающего к исследуемому объекту (повторяющего окружность объекта) и, следовательно, снижающего потерю полезного сигнала портами детектирования диффузно-прошедшего через исследуемый объект излучения.
Поставленная техническая задача достигается тем, что эластичный браслет устройства время-разрешенной диффузионной оптической томографии выполнен с регулируемым диаметром и включает закрепленные на нем по контуру под одинаковыми по отношению друг к другу углами порт инжектирования излучения и порты детектирования диффузно-прошедшего через исследуемый объект излучения, при этом порт инжектирования излучения выполнен с возможностью приема излучения от источника излучения, а порты детектирования выполнены с возможностью передачи диффузно-прошедшего излучения на щелевую камеру с линейкой детекторов.
Возможных схем реализации предложенного устройства может быть много. Например, для синхронизации работы источника излучения и щелевой камеры с линейкой детекторов можно использовать как электрическую синхронизацию, так и оптическую. Блок оптической синхронизации можно сконструировать на основе детектора оптического излучения, который будет запускать триггер и тем самым переводить щелевую камеру в режим детектирования.
На фиг.1 представлена одна из возможных схем реализации разработанного устройства время-разрешенной диффузионной оптической томографии.
Принцип работы устройства по фиг.1 следующий:
1. На исследуемый объект или его отдельную часть надевается эластичный браслет (1);
2. По команде блока обработки и визуализации (2) блок синхронизации (3) посылает электрические сигналы источнику излучения (4) и щелевой камере (5);
3. Получив сигнал от блока синхронизации (3), источник излучения (4) генерирует одиночный импульс, который через световод источника излучения (6) поступает на порт инжектирования (7). Одновременно с этим щелевая камера (5) переходит в режим детектирования без свипирования;
4. Диффузно-прошедшее через исследуемый объект излучение попадает на порты детектирования (8), откуда поступает в световоды детекторов (9) и затем на линейку детекторов щелевой камеры (5), где происходит высокоскоростная регистрации изменения интенсивности импульса излучения со временем;
5. Время-разрешенный сигнал с линейки щелевых камер (5) поступает на блок обработки и визуализации (2);
6. Пункты 2-5 выполняются повторно, с той лишь разницей, что линейка щелевых камер (5) после соответствующего сигнала с блока обработки и визуализации работает в режиме свипирования;
7. Блок обработки и визуализации (2) с помощью специального программного обеспечения обрабатывает всю полученную информацию и в зависимости от пользовательских настроек выводит двумерные послойные, и (или) трехмерные объемные изображения исследуемого объекта.
Как было указано выше, возможных схем реализации разработанного устройства время-разрешенной диффузионной оптической томографии в соответствии с формулой полезной модели может быть много, но отличительной их особенностью является использование эластичного браслета с регулируемым диаметром. Он позволяет безболезненно закрепить на исследуемом объекте порт инжектирования и порты детектирования излучения, при этом порты детектирования окольцовывают объект, находясь по его контуру под одинаковыми, по отношению друг к другу, углами. Эластичный браслет плотно прилегает к исследуемому объекту, тем самым снижая потерю полезного сигнала портами детектирования диффузно-прошедшего через исследуемый объект излучения.
В конкретной реализации разработанного устройства время-разрешенной диффузионной оптической томографии в качестве источника импульсного излучения использован фемтосекундный титан-сапфировый лазер с синхронизацией мод MIRA 900-В (720-890 нм), для его накачки использован непрерывный аргоновый лазер INNOVA 307. Оба лазера производства фирмы «Coherent» (США). В качестве щелевой камеры использован детектор С4334 фирмы «Hamamatsu Photonics» (Япония) с максимальным разрешением по времени менее 15 пс. В качестве блока синхронизации использован генератор пикосекундных импульсов 4016 Pulse Generator фирмы «Picosecond Pulse Labs» (США) с временем переключения 5 пс. В качестве световодов использованы были использованы двухметровые одномодовые световоды P3-980A-FC-2 (970-1650 нм, FC/APC) фирмы «Thorlabs» (США). В качестве блока обработки и визуализации был использован ноутбук Toshiba Satellite С670-14К с процессором Intel Core i3-2310М и оперативной памятью SO-DIMM DDR3 объемом 3 Гб.
Пример сигнала, зарегистрированного линейкой детекторов щелевой камеры для однородного фантома, имитирующего биомедицинский объект, приведен на фиг.2.
Таким образом, использование эластичного браслета, выполненного с регулируемым диаметром и включающего закрепленные на нем по контуру под одинаковыми по отношению друг к другу углами порт инжектирования излучения и порты детектирования диффузно-прошедшего через исследуемый объект излучения позволяет значительно повысить эффективность детектирования время-разрешенного сигнала. В конкретной реализации с приемлемым уровнем шума регистрируются даже поздно пришедшие фотоны (≈3-10 нс с момента инжектирования импульса в исследуемый объект). Поскольку существующие способы восстановления изображения основаны на использовании рано пришедших фотонов и фотонов со средним временем пролета (≈0-3 нс с момента инжектирования импульса в исследуемый объект), то эффективность детектирования время-разрешенного сигнала существенно повысилась.
Предлагаемая полезная модель устройства время-разрешенной диффузионной оптической томографии может быть использована не только для маммографических исследований, но и для диагностики структур головного мозга, особенно у новорожденных и недоношенных детей (без анестезиологического пособия), а также в травматологии для диагностики различных повреждений конечностей.