CC BY
51
УДК 681.787.57
ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ПОГЛОЩАЮЩЕЙ НЕОДНОРОДНОСТИ В ДИФФУЗИОННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ
С.Г. Проскурин, С.В. Фролов, А.Ю. Потлов, В.Ю. Ошурков
Кафедра «Биомедицинская техника», ФГБОУ ВПО «ТГТУ»; spros@tamb.ru Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: биофотоника; диффузионная оптическая томография; поздно пришедшие фотоны; виртуальный изотропный источник.
Аннотация: Представлены результаты экспериментального исследования и численного моделирования регистрации поздно пришедших фотонов и детектирования неоднородности в диффузионной оптической томографии.
Оптические методы детектирования неоднородностей используют диффузионную оптическую спектроскопию и томографию [1, 2] и, в отдельных случаях, могут заменить рентгеновскую компьютерную томографию (КТ) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР), а иногда использоваться как дополняющий их метод диагностики. Хотя КТ и ЯМР дают очень хорошее пространственное разрешение, они представляют собой опасные для человека виды излучения, кроме того для их применения требуется достаточно громоздкое и дорогостоящее оборудование. Рентгеновское излучение является жестким ионизирующим излучением, опасным для организма. Вследствие квантовой природы взаимодействия даже малые его дозы могут вызвать мутации на генетическом уровне и привести к раковым заболеваниям. В магниторезонансной томографии (МРТ) используются сильные магнитные поля, для которых есть существенные ограничения на величину магнитной индукции. Оптические методы являются безопасными и неинвазивными способами биомедицинской диагностики, дающими информацию о насыщении крови кислородом и о функциональном состоянии тканей. Аппаратура для их реализации компактнее и дешевле [3].
Импульсное излучение фемтосекундного титан-сапфирового лазера с синхронизацией мод MIRA 900-B (Coherent) через световод попадает на исследуемый объект. Накачка импульсного лазера осуществляется излучением непрерывного аргонового лазера INNOVA 307 (Coherent). В качестве фантома используется цилиндр, изготовленный из эпоксидной смолы с добавлением наночастиц оксида титана TiO2. Концентрация частиц была подобрана таким образом, чтобы редуцированный коэффициент рассеяния был таким же, как у биологических тканей 1^4 = 1 мм-1. Для моделирования поглощения в материал, из которого был изготовлен цилиндр, добавлялся специальный краситель с известными спектральными свойствами.
Большой динамический диапазон детектируемого сигнала создает существенные трудности для получения абсолютных величин R'(a, t) и ln[R'(a, t)]. Поэтому ранее, как правило, измерялся нормированный на максимум сигнал, и основное внимание уделялось форме временной функции рассеяния точки (ВФРТ) для линейной и логарифмической шкал интенсивности [2]. Чтобы получить все
кривые диффузно прошедшего излучения Я(а, /) в одном масштабе и с учетом абсолютной величины интенсивности, был предложен двухэтапный метод измерений [3]. На первом этапе детектировался интегрированный сигнал
T(а) = |R(a, t)dt.
На втором этапе детектировалась только форма диффузно прошедшего импульса (зависимость интенсивности от времени) без учета абсолютной величины интенсивности. Результаты при различных углах вычислялись по следующей формуле
Я(а,О =——— Я'(а,О.
Экспериментальные зависимости ВФРТ при однородном и неоднородном случаях показаны на рис. 1. В неоднородном случае все кривые 1п[Я(а, /)] сходятся в одну линю. Виртуальный изотропный источник (ВИИ) пакета фотонов движется от поверхности объекта к его центру. После определенного времени, 2,5...3 нс, можно считать, что ВИИ находится в центре объекта. Это означает, что регистрация поздно пришедших фотонов (ППФ) эквивалентна ситуации, когда источник излучения помещен в центр объекта.
Предлагаемая модель движущегося ВИИ дает возможность решать задачу диффузионной оптической томографии (ДОТ) в два этапа: 1) непосредственное детектирование неоднородности без решения обратной задачи; 2) восстановление карты распределения неоднородностей - собственно томография.
Если все кривые разместить на трехмерном рисунке (рис. 2), то в однородном случае получится плоскость, а в неоднородном - плоскости с провалами на тех углах, поблизости от которых находится неоднородность (показано стрелками). Такое трехмерное представление для большинства несимметричных случаев позволяет непосредственно, без решения сложной обратной задачи, определить наличие или отсутствие неоднородности в режиме реального времени. Такой подход позволяет сравнить моделирование и эксперимент не только качественно, но и количественно.
R, отн. ед.
R, отн. ед.
а)
б)
Рис. 1. Экспериментально полученные интенсивности импульсного ИК излучения, диффузно прошедшего через цилиндры и зарегистрированного на углах, °:
а - однородный цилиндр; б - неоднородный цилиндр;
1 - 18; 2 - 36; 3 - 54; 4 - 72; 5 - 90; 6 - 108; 7 - 126; 8 - 144; 9 - 162; 10 - 180
R, отн
а)
б)
Рис. 2. Трехмерное представление временных зависимостей ВФРТ для неоднородных случаев:
а - результаты численного моделирования; б - экспериментальные результаты
К, отн. ед.
100
80
60
40
20
—1
/ 2 ■ *
/ d* / D ■ffrmJ 1 U 11 УХ» ^4 x x " *
D / □ 1 ° L tP "□ D
I j3
Рис. 3. Экспериментально полученные интенсивности импульсного ИК излучения для однородного случая на углах: 36°, 180° (кривые 1 и 3 соответственно) и данные модели движущегося ВИИ на этих же углах (кривые 2 и 4 соответственно)
t, нс
0
2
1
3
4
t, нс
Количественное соответствие данных эксперимента и численной модели капли движущегося ВИИ в центр объекта для двух углов, 36° и 180°, где диффузионное приближение работает эффективно, показано на рис. 3. Особенно хорошее совпадение наблюдается после первой наносекунды. Для угла 36° и времени меньше наносекунды диффузионное приближение работает существенно хуже, что и наблюдается на рисунке.
Экспериментально и при помощи численного моделирования было показано, что виртуальный изотропный источник оптического излучения движется от поверхности к центру объекта. Таким образом, регистрация ППФ эквивалентна ситуации, когда световод источника помещен непосредственно в центр объекта. Диффузионное приближение с движущимся источником дает возможность подойти к решению задачи оптической томографии с разделением ее на два этапа. Первый этап - это детектирование неоднородности, второй этап - собственно то-
мография. Дальнейшая работа будет сконцентрирована на достижении наилучшего соответствия результатов эксперимента и численного моделирования для однородного и неоднородных случаев.
Список литературы
1. Patterson, M.S. Time Resolved Reflectance and Transmittance for the Noninvasive Measurement of Tissue Optical Properties / M.S. Patterson, B. Chance, B.C. Wilson // Applied Optics. - 1989. - No. 28. - P. 2331-2336.
2. Firbank, M. Development of a Stable and Reproducible Tissue Equivalent Phantom for Use in Infrared Spectroscopy and Imaging / M. Firbank, M. Hiraoka, D.T. Delpy // Proc. SPIE. - 1993. - No. 1888. - P. 264-270.
3. Проскурин, С.Г. Использование поздно пришедших фотонов для диффузионной оптической томографии биологических объектов / С.Г. Проскурин // Квант. электроника. - 2011. - № 41. - С. 402-406.
Detection of Absorbing Heterogeneity in Diffusion Optical Tomography S.G. Proskurin, S.V. Frolov, A.Yu. Potlov, V.Yu. Oshurkov
Department «Biomedical Equipment », TSTU; spros@tamb.ru
Key words and phrases: biophotonics; optical diffusion tomography; late photons; virtual isotropic source.
Abstract: We present the results of experimental studies and numerical simulation of registering late arriving photons and detecting heterogeneity in diffusion optical tomography.
Detektion der Aufsageungleichartigkeit in der diffusionen optischen Tomografie
Zusammenfassung: Es sind die Ergebnisse der experimentellen Untersuchung und der Zahlmodellierung der Registrierung der spatgekommenen Photonen und der Detektion der Ungleichartigkeit in der diffusionen optischen Tomografie dargelegt.
Detection de l’heterogeneite absorbante dans la topographie optique de diffusion
Resume: Sont proposes les resultats de l’etude experimentale et du modelage numerique de l’enregistrement des photons arrives tard et de la detection de l’heterogeneite dans la topographie optique de diffusion.
Авторы: Проскурин Сергей Геннадьевич - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Биомедицинская техника»; Фролов Сергей Владимирович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Биомедицинская техника»; Потлов Антон Юрьевич - магистрант кафедры «Биомедицинская техника»; Ошурков Владлен Юрьевич - магистрант кафедры «Биомедицинская техника», ФГБОУ ВПО «ТГТУ».
Рецензент: Поликарпов Валерий Михайлович - доктор химических наук, доцент кафедры «Физика», ФГБОУ ВПО «ТГТУ».
