СПОСОБ МОДУЛЯЦИОННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MODULATED OPTICAL TOMOGRAPHY AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к медицине, в частности медицинской диагностике, и может быть использовано для получения изображения внутренних тканей с помощью модуляционной оптической томографии.
В настоящее время существует несколько способов оптической томографии, а именно импульсно-модуляционная, частотно-модуляционная, диффузная с помощью непрерывных источников света, когерентная (ОКТ), спекл-корреляционная, оптоакустическая (Д.А.Зимняков, В.В.Тучин. Оптическая томография тканей. /«Квантовая электроника», т.32, №10, стр.849-867, 2002 г.). Все перечисленные способы обладают одним недостатком - малая глубина зондирования, так как при распространении оптического излучения в биологических тканях как поглощается, так и сильно рассеивается. Обычно эта величина на превышает 2 см. Причем этот недостаток относится при использовании методов оптической томографии как на рассеяние, так и на просвечивание. Повышение глубины (толщины) зондирования требует применения высокочувствительных фотоприемников и применения высокоярких источников света (лазерных диодов). При этом с ростом глубины зондирования или увеличением толщины объекта происходит резкий рост диффузной оптической составляющей.
При импульсно-модуляционной томографии отделение диффузной составляющей от полезного сигнала - баллистической составляющей сигнала осуществляется стробированием сигнала по времени, для чего необходимо использовать высокоскоростные фотоприемники с постоянной времени не более Inc. При этом необходимо соблюсти требование высокой чувствительности фотоприемника (режим счета фотонов). Оба требования сложно соединить в одном фотоприемнике.
Известен способ выделения баллистической составляющей при импульсно-модуляционной оптической томографии, взятый в качестве прототипа, заключающийся в подаче на поверхность исследуемого объекта через световод импульсов лазерного излучения и сборе через приемный световод прошедшего через объект излучения, при этом диффузная и баллистическая составляющие сигнала разделяются за счет интерференции падающего и прошедшего светового потока, а изображение внутренней структуры объекта строится за счет синхронного механического сканирования передающим и приемным световодами (Д.А.Зимняков, В.В.Тучин. Оптическая томография тканей /«Квантовая электроника», т.32, №10, стр.852-853, 2002 г.).
К недостаткам данного способа необходимо отнести сложность оптической схемы, высокие требования к чувствительности и постоянной времени приемника оптического излучения (не более 1 пс).
Устройство, взятое в качестве прототипа, разработанное фирмой Siemens (Д.А.Зимняков, В.В.Тучин. Оптическая томография тканей /«Квантовая электроника», т.32, №10, стр.855, 2002 г.), состоящее из лазерного диода, излучение которого через световод поступает на поверхность исследуемого объекта, приемного световода и фотоприемника, а изображение внутренней структуры объекта строится за счет синхронного механического сканирования передающим и приемным световодами. Недостатки данного устройства - высокие требования к чувствительности и постоянной времени приемника оптического излучения (не более 1 пс).
Задача и цель, на решение которой направлено изобретение, это создать такой способ модуляционной оптической томографии, при котором возможно определить внутренние неоднородности объекта без применения высокоскоростных фотоприемников.
Технический результат направлен на создание способа приема рассеянного в объекте света при модуляционной оптической томографии, который позволяет выделить полезный сигнал, за счет пространственной компенсации диффузной составляющей сигнала с последующей его математической обработкой.
В предлагаемом способе и устройстве технический результат достигается использованием двух импульсных лазеров, двух освещающих световодов, двух приемных световодов, четырех фотоприемников (ФЭУ, лавинные фотодиоды, ОЭП), расположенных на расстоянии от торцов приемных световодов, два из которых располагаются на оптической оси световода, а два других в стороне от оптической оси световодов, и применении оригинального алгоритма обработки полученных данных.
Способ модуляционной оптической томографии и устройство для его осуществления поясняются с помощью чертежей.
На фиг.1 показано распространение лучей света в среде при однократном рассеянии.
На фиг.2 показано распространение лучей света в среде при двукратном рассеянии.
На фиг.3 показаны распространение световых лучей на выходе приемного световода и расположение двух фотоприемников.
На фиг.4 показана функция обнаружения неоднородности D(x).
На фиг.5 показаны способ модуляционной оптической томографии и устройство для его осуществления.
На фиг.6 показаны способ модуляционной оптической томографии и устройство для его осуществления (вариант 2).
Для пояснения способа модуляционной оптической томографии используем фиг.1, 2 и воспользуемся математическими результатами, приведенными в патенте РФ №2320980 (Головков О.Л. «Способ спектрального анализа и определение компонент мутного вещества и устройство для его реализации»), из которых следует, что источник света и приемник излучения должны быть минимальной апертуры, то есть выполненные с использованием световодов 1 и 3.
Все приведенные ниже выражения справедливы для точечного источника света и точечного фотоприемника. Для сигнала с фотоприемника, распложенного вплотную к торцу приемного световода 3, для света, прошедшего через объект 2 и не испытавшего актов рассеяния, для фиксированной длины волны, справедливо выражение Бугера:
i
i
i
i
где g - чувствительность фотоприемника на данной длине волны, S - интенсивность источника света, k - коэффициент рассеяния i компоненты среды, с - коэффициент поглощения i компоненты среды на данной длине волны, L - толщина объекта. Коэффициент поглощения i компоненты среды с зависит от концентрации и приведенного спектрального коэффициента поглощения компоненты, но для фиксированной длины волны можно ограничиться одним коэффициентом с.
Если на пути прямолинейного распространения светового потока появится неоднородность 4, вызванная увеличением рассеяния или поглощением на величины Δk или Δс соответственно, то сигнал фотоприемника (1) изменится:
При этом фотоприемнику безразлично изменение рассеяния или поглощения среды.
Для сигнала фотоприемника 3 для света, прошедшего через объект 2 и испытавшего один акт рассеяния, на фиксированной длине волны справедливо выражение (см. фиг.1):
i
где µ(φ) - диаграмма рассеяния i компоненты среды, α - угол падения произвольного луча света на входной торец приемного световода 3,
r - проекция луча света на ось Х после первого акта рассеяния.
Для сигнала фотоприемника 3 для света, прошедшего через объект 2 и испытавшего два акта рассеяния на фиксированной длине волны, справедливо выражение (см. фиг.2):
где d - длина пути луча света между первым и вторым актами рассеяния, β - угол распространения луча света относительно оси Х после второго акта рассеяния,
r - проекция луча света на ось Х после второго акта рассеяния.
Σ
В результате расчетов установлено, что при учете рассеянии излучения выше двукратного, при апертуре фотоприемника значительно меньшей толщины объекта, сигнал фотоприемника слабо зависит от положения приемного световода в диапазоне нескольких диаметров световода. В этой зоне величина рассеянного в объекте света пропорциональна среднему коэффициенту рассеяния среды - Р. Тогда полный поток, пришедший на фотоприемник, расположенный в торце световода 3, равен сумме составных частей светового потока
-9
-20
-25
Расчеты показывают, что при толщине объекта 10 мм и использовании осветителя и фотоприемника в виде световодов диффузная составляющая светового потока, прошедшего через биологический объект, значительно выше информационной составляющей, при этом потери излучения составляют величину порядка 10. Измерить подобную величину потока не составляет труда, но при толщине биологического объекта более 40 мм потери светового потока составляют величину порядка 10÷10, что ведет к использованию ФЭУ в режиме детектирования фотонов. Для решения этой проблемы можно использовать высокояркие источники света - лазеры. Также можно увеличить импульсную мощность лазерного излучения за счет модуляции добротности или синхронизации мод с последующим стробированием полезного сигнала фотоприемника.
Для реализации импульсно-модуляционной оптической томографии необходимо компенсировать диффузную составляющую рассеянного света. Обычно для этого используют пикосекундные лазерные импульсы и высокоскоростные фотоприемники, на которых происходит разделение баллистической и диффузной составляющих светового потока по времени. Но известно, что чем выше чувствительность фотоприемника, тем выше его входная емкость (более низкочастотные).
В данном изобретении предлагается использовать менее скоростные фотоприемники, а разделение баллистической и диффузной составляющих сигнала разделять за счет пространственной компенсации диффузной составляющей. Для чего предлагается использовать свойство недеформированного световода - не изменять углы распространения света. То есть, под каким углом идеальный луч света вошел в световод, под такими углами он из него и вышел (в виде полого конуса света). Используя это свойство световода, можно выделить излучение диффузно рассеянное в среде и баллистическую составляющую излучения с диффузной составляющей, как это показано на фиг.3. На фотоприемник 5, расположенный на оси световода на некотором расстоянии от торца фотоприемного световода 3, падает рассеянное в среде излучение и излучение с баллистической составляющей, а на фотоприемники 6, расположенные не на оси световода 3, падает только диффузная составляющая рассеянного света.
Σ
Для математического анализа возможности компенсации диффузной оставляющей сигнала примем пределы интегрирования выражений (3) и (4) по α для фотоприемника 5, расположенного на оптической оси световода, ±0,1 рад, а для фотоприемника 6, расположенного не на оптической оси световода, от 0,1 до 0,3 рад, что соответствует расстоянию от выходного торца приемного световода 3 до поверхности фотоприемников 5·d, где d - входные апертуры фотоприемников. Величина 5 выбрана произвольным образом и вместо нее может стоять любой множитель, например, от 2 до 20. При этом составляющие сигналов Р для фотоприемников 5 и 6 пропорциональна площади фотоприемников, и при равенстве расстояния до торца световода одинаковы. Тогда для сигнала фотоприемника 5 в области без неоднородности справедливо выражение
где индекс (1) соответствует пределам интегрирования по α±0,1 рад, что соответствует фотоприемнику 5.
Для сигнала фотоприемника 5 в области с неоднородностью Δk или Δс справедливо выражение
Для сигнала фотоприемника 6 справедливо выражение
где индекс (2) соответствует пределам интегрирования по α от 0,1 до 0,3 рад, что соответствует фотоприемнику 6.
Для обнаружения неоднородности в исследуемом объеме при использовании фотоприемника, представленного на фиг.3, используем функцию обнаружения неоднородности D(x), описываемую выражением
где х - линейно изменяемая величина в пределах, например, от 0 до 5. Использование переменной величины х вызвано тем, что разрыв функции обнаружения неоднородности D(x) - величина переменная.
Функция обнаружения неоднородности D(x) изображена на фиг.4 для следующих параметров однородной среды с неоднородностью Δk:S=1; k=2; c=0; L=40 мм; µ=0,05; Δk=0,01. Расчеты показывают, что положение разрыва функции D(x) зависит от величины Δk/k и толщины объекта, а именно, чем выше Δk/k, тем меньше значение разрыва функции D(x). Если неоднородность Δk<0, то функция зеркально переворачивается с соблюдением всех вышеприведенных свойств функции D(x). Если неоднородность в среде по пути распространения света отсутствует, то функция D(x) не имеет разрывов и равна 0. Толщину объекта несложно вычислить общеизвестными методами, и если она постоянна, то измерение толщины может быть опущено.
(1)
(1)
(1)
(1)
(2)
(2)
Из выражения (9) следует, что для анализа неоднородности в среде необходимо знать значение двух измерений световых потоков Р' и Р, которые разнесены по координате. Для чего необходимо либо проводить два измерения с небольшим синхронным сдвигом излучающего и приемного световодов, либо использовать пару световодов как для освещения, так и для приема, что изображено на фиг.5. Если осуществлять сдвиг световодов в процессе одного измерения, то возможны ошибки измерения за счет пульсации крови в организме, изменения толщины объекта, вибрации и т.п. В связи с этим использование двух световодов предпочтительно. При этом необходимо учесть, что при одновременной засветке двух световодов невозможно разделить сигналы Р' и Р. Для устранения этого недостатка необходимо поочередно освещать поверхность исследуемого объекта через пару световодов, при этом необходимо синхронно с включением излучения стробировать электрический сигнал, поступающий с фотоприемников соответствующего приемного световода. При использовании данного способа оптической томографии длительность и скважность световых импульсов может быть любой. При использовании пар световодов необходимо использовать четыре фотоприемника, в связи с чем в выражении (9) величина Р, расположенная в делимом, изменяется на величину Р', что соответствует наличию фотоприемника вне оптической оси для второго приемного световода.
Также из расчетов видно, что функция обнаружения неоднородности D(x) не несет информации о баллистической составляющей сигнала, а несет информацию об изменении коэффициента рассеяния или поглощения в объеме среды по пути прямолинейного распространения света. Используя синхронное перемещение освещающих и приемных световодов, а также математическую обработку несложно создать двумерную картину внутренних неоднородностей исследуемого объекта.
На основании вышеизложенного предлагается способ модуляционной оптической томографии (см. фиг.5), заключающийся в поочередном освещении через два одинаковых расположенных рядом друг с другом световода 1 и 1' поверхности исследуемого объекта 2 импульсами лазерного излучения, сборе двумя приемными световодами 3 и 3' прошедшего через исследуемый объем 2 излучения, которые расположены напротив соответствующих излучающих световодов 1 и 1', регистрации излучения четырьмя фотоприемниками 4, 5, 6 и 7, два из которых располагаются на оптических осях приемных световодов 3 и 3', а два других располагаются в на одинаковом расстоянии от оптических осей световодов 3 и 3', при этом расстояния от выходных торцов приемных световодов до приемных поверхностей фотоприемников 4, 5, 6 и 7 одинаковые, а определение неоднородности в исследуемом объеме осуществляется с помощью функции обнаружения неоднородности D(x), которая имеет вид
(1)
(1)
(2)
(2)
где Р' и Р - сигналы фотоприемников, расположенных на оптических осях приемных световодов, p' и Р-сигналы фотоприемников, расположенных в стороне от оптической оси приемных световодов, х - линейно изменяемая величина. Для получения двумерной картины внутренних неоднородностей необходимо осуществлять синхронное сканирование передающих и приемных световодов по двум координатам,
Устройство модуляционной оптической томографии представлено на фиг.5, состоит из расположенных по ходу оптического излучения двух импульсных лазеров, двух излучающих световодов 1 и 1', двух приемных световодов 3 и 3', четырех фотоприемников 5, 6, 7, и 8, два из которых расположены на оптических осях приемных световодов 4 и 6, а два других в стороне от оптических осей приемных световодов 5 и 7, при этом для определения величины неоднородности в исследуемом объеме используются генератор пилообразных электрических сигналов 8, два одинаковых канала обработки информации (в скобках приведены функциональные элементы электронной схемы для второго канала), каждый из которых состоит из блока перемножения напряжения 9 (10), который электрически связан с фотоприемником 5 (7), не расположенным на оптической оси приемного световода 3 (3') и генератором пилообразных электрических сигналов 8, блока вычитания 11 (12), который электрически связан с фотоприемником 4 (6), расположенным на оптической оси приемного световода 3 (3'), и блоком перемножения напряжения 9 (10), детектора сигнала 13 (14) и делителя сигналов 15, а изображение внутренней структуры объекта строится за счет синхронного механического сканирования передающими и приемными световодами и обработки полученной информации с помощью ЭВМ 16.
Устройство модуляционной оптической томографии работает следующим образом.
(1)
(2)
(1)
(2)
Импульсные лазеры поочередно освещают поверхность исследуемого объекта 2 через два одинаковых световода 1 и 1', расположенных вплотную друг к другу. Напротив световодов 1 и 1' после исследуемого объекта 2 располагаются два соответствующих приемных световода 3 и 3', которые собирают рассеянное в объеме излучение и передают его на четыре фотоприемника 5, 6, 7, и 8, два из которых 4 и 6 расположены на оптических осях приемных световодов, а два других 5 и 7 - в стороне от оптических осей приемных световодов. При этом фотоприемники располагаются на одинаковом расстоянии от торцов приемных световодов. Для определения функции обнаружения неоднородности D(x), в соответствии с выражением (10), предлагается использовать электронную схему, состоящую из генератора пилообразных электрических сигналов 8, обеспечивающего линейно изменяемую величину x, и двух одинаковых каналов обработки информации. В скобках приведены функциональные элементы электронной схемы для второго канала. Каждый канал состоит из блока перемножения напряжения 9 (10), который электрически связан с фотоприемником 5 (7), не расположенным на оптической оси приемного световода 3 (3'), и генератором пилообразных электрических сигналов 8, с помощью которого осуществляется перемножение электрического сигнала, поступающего с соответствующего фотодиода, на переменную величину x; блока вычитания 11 (12), который электрически связан с фотоприемником 4 (6), расположенным на оптической оси приемного световода 3 (3'), и блоком перемножения напряжения 9 (10), с помощью которого осуществляется вычисление разницы P-x·P(P'-x·P'); детектора сигнала 13 (14), который осуществляет выпрямление модулированного сигнала канала. Далее производится деление электрических сигналов, поступающих с разных каналов с помощью делителя 15. Дальнейшая обработка информации осуществляется с помощью ЭВМ 16, на вход которого для синхронизации поступает сигнал с генератора пилообразных электрических сигналов 8. Изображение внутренней структуры объекта строится за счет синхронного механического сканирования передающими и приемными световодами.
В качестве блоков перемножения напряжения 9 и 10, делителя 15 можно использовать логарифмические усилители с последующим обратным преобразованием, а блок вычитания 11 и 12 реализуется обычным операционным усилителем.
Детектирование модулированного сигнала можно осуществить непосредственно после приема излучения фотоприемниками, но при частоте следования лазерных импульсов, например 40 МГц, трудно достичь приемлемой точности обработки информации с помощью ЭВМ.
В будущем, когда ЭВМ достигнут больших скоростей оцифровки и обработки информации для реализации устройства модуляционной оптической томографии, как это представлено на фиг.6, будет достаточно использовать на выходе четырех фотоприемников детекторы электрического сигнала 17, 18, 19 и 20, с которых сигналы будут поступать на ЭВМ для последующей оцифровки и обработки сигналов.
Таким образом, устройство модуляционной оптической томографии, представленное на фиг.6, состоит из расположенных по ходу оптического излучения двух импульсных лазеров, двух излучающих световодов 1 и 1', двух приемных световодов 3 и 3', четырех фотоприемников 5, 6, 7, и 8, два из которых расположены на оптических осях приемных световодов 4 и 6, а два других - в стороне от оптических осей приемных световодов 5 и 7, при этом для определения величины неоднородности в исследуемом объеме используются четыре детектора сигнала 17, 18, 19 и 20, которые электрически связаны с соответствующими фотоприемниками и с ЭВМ 16, а изображение внутренней структуры объекта строится за счет синхронного механического сканирования передающими и приемными световодами и обработки полученной информации с помощью ЭВМ 16.
Устройство модуляционной оптической томографии, представленное на фиг.6, работает следующим образом. Импульсные лазеры поочередно освещают поверхность исследуемого объекта 2 через два одинаковых световода 1 и 1', расположенных вплотную друг к другу. Напротив световодов 1 и 1' после исследуемого объекта 2 располагаются два соответствующих приемных световода 3 и 3', которые собирают рассеянное в объеме излучение и передают его на четыре фотоприемника 5, 6, 7, и 8, два из которых расположены на оптических осях приемных световодов 4 и 6, а два других - в стороне от оптических осей приемных световодов 5 и 7. При этом фотоприемники располагаются на одинаковом расстоянии от торцов приемных световодов. Для определения функции обнаружения неоднородности D(x), в соответствии с выражением (10), предлагается использовать электронную схему, состоящую из четырех детекторов сигналов 17, 18, 19 и 20, которые электрически связаны с соответствующими фотоприемниками и с ЭВМ 16, в котором осуществляется оцифровка четырех электрических сигналов с последующим вычислением функции обнаружения неоднородности D(x), а изображение внутренней структуры объекта строится за счет синхронного механического сканирования передающими и приемными световодами и обработки полученной информации с помощью ЭВМ 16.