УСТРОЙСТВО ДИФФУЗИОННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ

Изобретение относится к медицине, в частности к медицинской диагностике, и может быть использовано для получения томографических (трехмерных) изображений большого разрешения в интересующей области исследуемого объекта, в частности, сильно-рассеивающей среды, примером которой являются биологические ткани.
Принцип томографии - решение обратной задачи, т.е. восстановление внутренней структуры исследуемого объекта по данным, которые получены в результате серии измерений при различных положениях источника излучения и приемника относительно объекта. Диффузионная оптическая томография (ДОТ) основана на получении информации из сильно рассеянной (диффузной) компоненты зондирующего излучения, которая может проникать в биологическую ткань на глубину порядка нескольких сантиметров. ДОТ определяет поглощающие и рассеивающие неоднородности внутри биоткани при обработке сигнала от прошедшего через ткань лазерного излучения. Как и для любого другого трансмиссионного метода, задача обработки сигнала сводится к реконструкции распределения поглощения и рассеяния по измеренному набору интегралов по траекториям. В отличие от рентгеновской просветной томографии, где можно считать трассы лучей прямыми, здесь этого сделать нельзя из-за сильного рассеяния оптического излучения биологическими тканями. ДОТ целесообразно применять для получения изображения объектов на глубине от одного сантиметра. ДОТ является неразрушающим методом и может использоваться для оперативной медицинской диагностики. Методы ДОТ различаются, прежде всего, по типу зондирующего излучения. Зондирующее излучение может быть импульсным (время-пролетная томография), амплитудно-модулированным (модуляционная томография или волны фотонной плотности) или постоянным (свето-диффузионная томография).
Во время-пролетной томографии используется, как правило, фемтосекундный лазер, генерирующий мощные короткие импульсы, а изменившийся после прохождения среды импульс детектируется устройствами с высоким временем разрешения, например, специальными камерами. Эффективность такой установки высока, поскольку о показателях рассеяния и поглощения среды можно судить не только по амплитуде, но и по форме прошедшего через ткань импульса. Анализ изменения формы импульса позволяет выделить фотоны, прошедшие через ткань и не испытавшие столкновений и диффузные фотоны.
Однако помимо ее высокой стоимости она сложна в использовании и необходимо много времени для превращения ее в коммерчески доступную.
В томографии на волнах фотонной плотности лазерное излучение модулируется по амплитуде, и прошедший через ткань сигнал регистрируется и подается на вход синхронного детектора, позволяющего вычислить амплитуду и фазу прошедшего сигнала. По фазе сигнала можно определить среднюю длину траектории фотона и, соответственно оценить параметры рассеяния и поглощения среды. Информации в этих параметрах содержится меньше, чем во время-пролетной томографии, однако данная конфигурация не требует использования дорогостоящих лазеров и специальных камер. С увеличением частоты модуляции зондирующего излучения пространственное разрешение такой системы растет, а чувствительность падает.В зависимости от оптических свойств и толщины объекта, возможности модуляции излучения и приема такого сигнала выбирается оптимальная частота.
Важной особенностью при зондировании непрерывным излучением, является отказ от каких-либо методов селекции фотонов, прошедших через диагностируемый объект, а восстановление внутренней структуры исследуемого объекта проводится только за счет решения обратной математической задачи, основанное на анализе изображений прошедшего через исследуемый объект излучения, полученных при различных взаимных расположениях источника излучения и приемника. Пространственное разрешение, полученного трехмерного изображения зависит от числа используемых для восстановления проекций. Достоинством данного метода является то, что используется весь регистрируемый приемником поток фотонов.
Последние два метода (амплитудно-модулированный и постоянный) являются наиболее перспективными в плане создания коммерчески доступной установки для томографии опухолей молочной железы.
6
По патенту US 5832922 МПК А61В 6/00 публ. 10.11.1998 известно устройство диффузионной оптической томографии, включающее в себя лазерный источник непрерывного излучения, приемник излучения, соединенный с блоком обработки сигнала. Сформированный широкий пучок зондирующего излучения от лазерного источника направляется на исследуемый объект. Рассеянное от исследуемого объекта излучение попадает на приемник излучения. Затем в блоке обработки сигнала происходит его оцифровка и последующая математическая обработка с выводом изображения на экран. Основным недостатком данного устройства является невозможность определения компонентного состава неоднородностей в биологических тканях.
7
Ближайшим аналогом разработанного устройства является устройство диффузионной оптической томографии (патент US 7107116 МПК G06F 19/00 публ. 12.09.2006), которое включает в себя набор лазерных источников, излучающих на различных длинах волн, источник оптического излучения (спектральный источник) во всем видимом диапазоне длин волн, приемник излучения со спектральным разрешением (мультиспектральная CCD камера), а также блок обработки и визуализации. Излучение от лазерных источников через систему зеркал с управляемым положением попадает в необходимую область исследуемого объекта. Прошедшее сквозь объект излучение принимается приемником излучения, в качестве которого используется CCD-камера с установленной линейкой полосовых фильтров, и далее поступает в блок обработки и визуализации. Для определения формы поверхности исследуемого объекта используется система, состоящая из спектрального источника и приемника излучения. Излучение от спектрального источника - это оптическое излучение во всем видимом диапазоне длин волн, которые пространственно разнесены в падающем на исследуемый объект световом потоке. Это излучение освещает объект и регистрируется приемником излучения со спектральным разрешением.
В отличие от предыдущего устройства в данном устройстве получение спектроскопической информации позволяет не только определять неоднородности в биологической ткани, но и компонентный состав по различной зависимости коэффициента поглощения от длины волны. Однако параллельное использование лазерных источников излучения и разделение спектральных компонент с помощью фильтрации дает низкую селективность разделения спектральных компонент и малое отношение сигнала к шуму по сравнению с последовательным переключением лазерных источников излучения и временным разделением спектральных компонент.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка устройства диффузионной оптической томографии, обеспечивающего повышение селективности разделения спектральных компонент в проходящем через исследуемый объект излучении и улучшение отношения сигнала к шуму, что приводит к повышению точности как определения компонентного состава, так и трехмерного восстановления внутренней структуры исследуемого объекта.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что разработанное устройство диффузионной оптической томографии так же, как и ближайший аналог, содержит набор, по крайней мере, из трех лазерных источников излучения, имеющих единственный оптический выход, приемник излучения, блок определения формы поверхности исследуемого объекта и блок обработки и визуализации полученных данных.
Новым в разработанном устройстве является то, что упомянутые лазерные источники излучения выполнены с возможностью модуляции по амплитуде, единственный оптический выход выполнен в виде волоконно-оптического выхода, который снабжен электромеханической системой сканирования поверхности исследуемого объекта зондирующим излучением от набора лазерных источников излучения, электрически соединенной с блоком управления сканированием. При этом блок обработки и визуализации полученных данных электрически соединен с блоком управления сканированием, а также с блоком определения формы поверхности исследуемого объекта, выполненным таким образом, что форма поверхности определяется по искривлению линий проецируемого на исследуемый объект простого монохромного изображения эталонной сетки. При этом приемник излучения, блок обработки и визуализации полученных данных и лазерные источники излучения электрически соединены с блоком временного разделения спектральных компонент зондирующего излучения, обеспечивающим последовательное переключение лазерных источников излучения, синхронизированное с периодом считывания данных блоком обработки и визуализации с приемника излучения.
В первом частном случае реализации устройства диффузионной оптической томографии приемник излучения выполнен в виде CCD-камеры.
Во втором частном случае реализации устройства диффузионной оптической томографии приемник излучения выполнен в виде блока приема излучения с волоконно-оптическим входом, снабженным собственной электромеханической системой сканирования поверхности исследуемого объекта, электрически соединенной с блоком управления сканированием.
В третьем частном случае реализации устройства диффузионной оптической томографии блок приема излучения выполнен с возможностью синхронного детектирования принимаемого сигнала.
На фиг.1 представлена схема реализации устройства диффузионной оптической томографии, в котором приемник излучения выполнен в виде CCD-камеры.
На фиг.2 представлена схема реализации устройства диффузионной оптической томографии, в котором приемник излучения выполнен в виде блока приема излучения с волоконно-оптическим входом.
Разработанное устройство в общем случае реализации по п.1 содержит, как показано на фиг.1, набор лазерных источников 1 излучения, выполненных с возможностью модуляции по амплитуде, блок временного разделения 2 спектральных компонент зондирующего излучения, волоконно-оптический выход 3 от набора лазерных источников 1 излучения, электромеханическую систему сканирования 4 волоконно-оптическим выходом 3, блок управления сканированием 5 электромеханической системы сканирования 4, приемник излучения 6, блок обработки и визуализации 7 полученных данных, блок определения формы поверхности 8 исследуемого объекта 9.
Блок временного разделения 2 спектральных компонент зондирующего излучения последовательно включает на определенный период времени каждый лазерный источник из набора лазерных источников 1 излучения и управляет считыванием данных с приемника излучения 6. Излучение от набора лазерных источников 1 через волоконно-оптический выход 3 попадает на исследуемый объект 9. Прошедшее через исследуемый объект 9 излучение поступает на приемник излучения 6 и далее в блок обработки и визуализации 7 полученных данных. Волоконно-оптический выход 3 набора лазерных источников 1 снабжен электромеханической системой сканирования 4 поверхности исследуемого объекта 9. Блок управления сканированием 5 электромеханической системы сканирования 4 позволяет производить сканирование волоконно-оптическим выходом 3 исследуемого объекта 9 по двум координатам поверхности, образованной данной электромеханической системой сканирования 4, с произвольным шагом сканирования, что необходимо для последующего построения трехмерного изображения внутренней структуры исследуемого объекта 9. Блок определения формы поверхности 8 проецирует на исследуемый объект 9 простое монохромное изображение эталонной сетки, принимает и передает в блок обработки и визуализации 7 данные о кривизне поверхности исследуемого объекта 9.
Таким образом, использование набора лазерных источников 1 излучения, в котором каждый лазерный источник выполнен с возможностью модуляции по амплитуде, и блока временного разделения 2 спектральных компонент зондирующего излучения позволяет достигнуть временного разделения спектральных компонент зондирующего излучения и их последовательного детектирования, что значительно повышает селективность разделения спектральных компонент в проходящем через исследуемый объект 9 излучении, и улучшает отношение сигнала к шуму, что в свою очередь, приводит к повышению точности как определения компонентного состава, так и трехмерного восстановления внутренней структуры исследуемого объекта 9, то есть позволяет решить поставленную задачу.
Кроме того, использование временного разделения спектральных компонент зондирующего излучения позволяет использовать более простой метод определения формы поверхности исследуемого объекта 9, поскольку отпадает необходимость использования приборов со спектральным разрешением, которые использовались в ближайшем аналоге совместно со спектральным источником.
2
Использование набора лазерных источников 1 с длинами волн 600-1000 нм позволяет определить концентрацию основных четырех компонентов биоткани (липидов, воды, окси- (OHb) и деоксигемоглобина (HHb)). В медицине и биологии их концентрация является традиционным клиническим индикатором состояния организма. Концентрацию гемоглобина в крови, степень оксигенации крови, содержание воды и липидов легко связать с патофизиологическими признаками. В частности, в районе опухоли увеличена концентрация оксигемоглобина, в фиброаденомах относительно окружающих тканей содержится больше воды.
2
В конкретной реализации устройства диффузионной оптической томографии для диагностики молочной железы был использован набор лазерных источников 1 излучения, состоящий из трех лазерных источников производства ООО «Дилаз» г.Москва с длинами волн 684 нм (основной вклад в поглощение вносит HHb), 790 нм (изобестическая точка с равным поглощением HHb и OHb) и 850 нм (малое поглощение HHb). В качестве электромеханической системы сканирования 4 были использованы прецизионные линейные направляющие и каретки фирмы «SBG» (Южная Корея), управляемые шаговыми двигателями с контроллерами MDrive Intelligent Motion Systems, Inc. (США).
Особенностью работы предлагаемого устройства, описанного в п.2 формулы и представленного также на фиг.1, является то, что в качестве приемника излучения 6 была использована охлаждаемая высокочувствительная CCD-камера.
Технический результат в этом частном случае реализации устройства заключается в том, что использование CCD-камеры позволяет максимально сократить время сканирования исследуемого объекта 9, так как отпадает необходимость сканирования исследуемого объекта приемником излучения 6, поскольку здесь уже присутствует набор различных пространственных положений точечных приемников излучения, необходимый для трехмерного восстановления внутренней структуры исследуемого объекта 9.
Особенностью работы предлагаемого устройства по фиг.2, описанного в п.3 формулы, является то, что приемник излучения 6 выполнен в виде блока приема 10 излучения с волоконно-оптическим входом 11, снабженным собственной (дополнительной) электромеханической системой сканирования 12 поверхности исследуемого объекта 9, электрически соединенной с блоком управления сканированием 5. Блок управления сканированием 5 обеспечивает независимое друг от друга перемещение с задаваемым шагом и пространственным сдвигом волоконно-оптического выхода 3 от набора лазерных источников 1 относительно волоконно-оптического входа 11 блока приема 10.
С использованием подобной конструкции возможно создать бесконечное количество положений волоконно-оптического входа 11 блока приема 10 и волоконно-оптического выхода 3 от набора лазерных источников 1 с помощью электромеханических систем сканирования 4 и 12, что позволит получить лучшее пространственное разрешение по сравнению с ближайшим аналогом.
Особенностью работы предлагаемого устройства, описанного в п.4 формулы и представленного на фиг.2, является то, что блок приема 10 выполнен с возможностью синхронного детектирования принимаемого сигнала. Это позволяет еще более повысить отношение сигнала к шуму.
Таким образом, использование временного разделения спектральных компонент зондирующего излучения и их последовательного детектирования значительно повышает селективность разделения спектральных компонент в проходящем сквозь исследуемый объект излучении, и улучшает отношение сигнала к шуму, что приводит к повышению точности как определения компонентного состава, так и трехмерного восстановления исследуемого объекта. Применение временного разделения спектральных компонент зондирующего излучения позволяет использовать более простую, а, следовательно, и более надежную систему определения формы поверхности исследуемого объекта. Применение приемника излучения с возможностью синхронного детектирования принимаемого сигнала еще больше повышает отношение сигнала к шуму, а использование приемника излучения с волоконно-оптическим входом, снабженным собственной электромеханической системой сканирования поверхности исследуемого объекта, позволяет получить лучшее пространственное разрешение по сравнению с ближайшим аналогом.