Устройство диффузионной флуоресцентной томографии

Устройство диффузионной флуоресцентной томографии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к медицине, в частности к медицинской диагностике, и может быть использовано для получения трехмерных томографических изображений высокого пространственного разрешения в интересующей области исследуемого объекта.

Принцип томографии - решение обратной задачи, т.е. восстановление внутренней структуры исследуемого объекта по данным, которые были 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 до нескольких сантиметров. ДОТ определяет поглощающие и рассеивающие неоднородности внутри биологической ткани и является неразрушающим методом, который может использоваться для оперативной медицинской диагностики.

По патенту US 5832922, МПК⁶ А61В 6/00, опубл. 10.11.1998, известно устройство оптической диффузионной томографии, включающее в себя лазерный источник излучения и приемник излучения, соединенный с блоком обработки сигнала. Сформированный широкий пучок зондирующего излучения от лазерного источника направляется на исследуемый объект, а 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. Недостатком данного устройства является невозможность повышения контрастности в случае получения изображений малоконтрастных структур.

Контраст изображений отдельных структур биологических тканей может быть существенно улучшен за счет использования эффекта флуоресценции. При этом облучение объекта происходит на длине возбуждения флуоресцирующих веществ, а детектирование сигнала как на длине волны зондирующего излучения, так и в спектре флуоресценции вещества. Методы ДОТ, использующие эффект флуоресценции, получили общее название диффузионная флуоресцентная томография (ДФТ).

По патенту US 6615063, МПК⁷ А61В 5/00, опубл. 02.09.2003, известно устройство флуоресцентной молекулярной томографии, которое включает в себя лазерный источник излучения с множеством оптоволоконных выходов, приемник излучения с множеством оптоволоконных входов и блок обработки сигнала и визуализации. Излучение от лазерного источника через оптоволоконные выходы попадает на исследуемый объект, в который предварительно введен флуорофор. Флуоресцентное излучение от исследуемого объекта принимается оптоволоконными входами приемника излучения, в качестве которого используется CCD-камера, и далее поступает в блок обработки сигнала и визуализации. При этом двумерное сканирование источником излучения осуществляется за счет переключения от одного оптоволоконного выхода лазерного источника к другому, а сканирование приемником осуществляется за счет переключения оптоволоконных входов. На экран выводится изображение флуоресцирующего объекта. Однако данное устройство не позволяет детально исследовать интересующую область с высоким пространственным разрешением.

Пространственное разрешение устройств классической (непрерывной) диффузионной флуоресцентной томографии в первую очередь зависит от взаимного расположения и общего количества источников и детекторов в экспериментальной установке. Использование электромеханических систем сканирования исследуемого объекта позволяет создавать бесконечное число виртуальных источников и детекторов, однако реализация этого процесса потребует бесконечного времени. Существуют альтернативные способы повышения пространственного разрешения ДФТ устройств за счет использования новых конструктивных элементов, позволяющих получать дополнительную информацию о внутренней структуре исследуемого объекта. Известны несколько вариантов улучшенных ДФТ устройств (импульсные, модуляционные).

В импульсных ДФТ устройствах в качестве источника излучения используется фемтосекундный лазер, генерирующий мощные короткие импульсы, а флуоресценция детектируется устройствами с высоким временным разрешением. Дополнительные данные о внутренней структуре исследуемого объекта, позволяющие увеличить пространственное разрешение ДФТ устройства и повысить точность решения обратной задачи томографии, можно получить из временной формы импульсов, регистрируемых приемником излучения. Эффективность импульсных ДФТ устройств очень высока, но помимо высокой стоимости эти установки сложны в использовании, требуют большого времени сканирования исследуемого объекта и обладают невысокой чувствительностью.

В модуляционных ДФТ устройствах лазерное излучение модулируется по амплитуде, а прошедший через исследуемый объект сигнал регистрируется приемником излучения и подается на вход синхронного детектора, что позволяет вычислить как амплитуду, так и фазу флуоресцентного сигнала. Информации в этих параметрах содержится меньше, чем в измеряемых параметрах при импульсной томографии, однако данная конфигурация тоже позволяет увеличить пространственное разрешение ДФТ устройств и повысить точность решения обратной задачи томографии, при этом не требуется использование сложных дорогостоящих лазеров и камер.

Кроме того, в описанные ДФТ устройства могут быть введены дополнительные конструктивные элементы, позволяющие получать информацию о спектре мощности излучения, регистрируемого приемником, которая используется для экспериментального нахождения оптических параметров исследуемого объекта (коэффициента поглощения и коэффициента рассеяния), что повышает точность решения обратной задачи томографии при восстановлении трехмерного томографического изображения, поскольку в этом случае в вычислительных алгоритмах используются не табличные, а достоверно определенные оптические параметры исследуемого объекта. Так, по патенту WO 2007/054846, МПК⁷ А61В 5/00, опубл. 18.05.2007, известно устройство определения коэффициентов поглощения и рассеяния для диффузионной флуоресцентной томографии, содержащее широкополосный источник излучения, приемник излучения, выполненный в виде CCD камеры, систему фильтрации регистрируемого излучения и блок обработки. Излучение от широкополосного источника попадает на исследуемый объект, далее фильтруется, регистрируется приемником и обрабатывается с целью определения оптических параметров исследуемого объекта для повышения точности решения обратной задачи. Основным недостатком данного устройства является то, что измеренные в нем спектроскопические данные о регистрируемом излучении не могут быть использованы для увеличения пространственного разрешения устройства.

Ближайшим аналогом разработанного устройства диффузионной флуоресцентной томографии является устройство получения флуоресцентных томографических изображений (патент RU 2368306, МПК⁷ А61В 5/05, 6/00; G01N 21/64, опубл. 27.09.2009 г.), которое содержит лазерный источник излучения, снабженный волоконно-оптическим выходом, систему электромеханических подвижек волоконно-оптического выхода, приемник излучения, снабженный волоконно-оптическим входом, систему электромеханических подвижек волоконно-оптического входа, блок управления системами электромеханических подвижек, блок обработки сигнала и визуализации.

Излучение от лазерного источника через волоконно-оптический выход попадает на исследуемый объект. Прошедшее через исследуемый объект излучение собирается волоконно-оптическим входом, поступает на приемник излучения и далее в блок обработки сигнала и визуализации. Системы электромеханических подвижек позволяют проводить совместное сканирование исследуемого объекта волоконно-оптическим выходом источника излучения и волоконно-оптическим входом приемника излучения с заданным пространственным сдвигом между ними и произвольным шагом сканирования. Таким образом, в устройстве-прототипе предусмотрена возможность получения плоских изображений исследуемого объекта заданного разрешения, соответствующих различным проекциям области сканирования исследуемого объекта (различные проекции соответствуют изображениям, полученным в результате совместного сканирования исследуемого объекта волоконно-оптическим выходом источника и волоконно-оптическим входом приемника, при различных пространственных сдвигах между ними).

Блок обработки и визуализации проводит построение трехмерного томографического изображения исследуемого объекта, используя набор полученных проекций и табличные данные об оптических параметрах объекта, при этом точность решения обратной задачи томографии определяется соответствием реальных и табличных оптических параметров, а разрешение трехмерного томографического изображения по глубине определяется количеством проекций.

Устройство-прототип обладает следующими недостатками:

1) устройство не позволяет определять оптические параметры исследуемого объекта, а табличные данные об оптических параметрах исследуемого объекта могут отличаться от реальных, что снижает точность решения обратной задачи томографии;

2) устройство обладает низким пространственным разрешением (разрешением по глубине трехмерного томографического изображения) исследуемого объекта при использовании малого числа проекций, поскольку пространственное разрешение напрямую зависит от количества проекций;

3) получение большого числа проекций для достижения желаемого разрешения трехмерного изображения может потребовать очень много времени.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка устройства диффузионной флуоресцентной томографии, обеспечивающего получение трехмерных томографических изображений при использовании единственной проекции исследуемого объекта и значительное повышение точности решения обратной задачи томографии, а также увеличение пространственного разрешения по глубине трехмерных томографических изображений при использовании нескольких проекций исследуемого объекта, и уменьшение времени, требуемого для достижения заданного пространственного разрешения по глубине трехмерного томографического изображения.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что разработанное устройство диффузионной флуоресцентной томографии так же, как и устройство-прототип, содержит лазерный источник излучения, снабженный волоконно-оптическим выходом, систему электромеханических подвижек волоконно-оптического выхода, приемник излучения, снабженный волоконно-оптическим входом, систему электромеханических подвижек волоконно-оптического входа, блок управления системами электромеханических подвижек, блок обработки сигнала и визуализации.

Новым в разработанном устройстве диффузионной флуоресцентной томографии является то, что в него введен источник белого света, соединенный с волоконно-оптическим выходом лазерного источника излучения, при этом приемник излучения выполнен с возможностью регистрации спектра мощности излучения, а между блоком управления системами электромеханических подвижек и блоком обработки сигнала и визуализации установлен блок синхронизации, электрически соединенный с источником лазерного излучения и источником белого света, причем блок управления системами электромеханических подвижек электрически соединен с системой вращения исследуемого объекта, а блок обработки сигнала и визуализации снабжен программным обеспечением для получения трехмерных томографических изображений исследуемого объекта с использованием спектра мощности излучения, регистрируемого приемником.

В частном случае реализации разработанного устройства диффузионной флуоресцентной томографии в него дополнительно введен приемник сверхкоротких оптических импульсов, который снабжен волоконно-оптическим входом и электрически соединен с блоком обработки сигнала и визуализации, а источник белого света выполнен с возможностью излучения сверхкоротких оптических импульсов.

В разработанном устройстве диффузионной флуоресцентной томографии данные о форме спектра мощности излучения, регистрируемого приемником, используются непосредственно для решения обратной задачи томографии и восстановления трехмерного томографического изображения исследуемого объекта. В классической ДФТ восстановление трехмерного томографического изображения проводится по набору различных проекций исследуемого объекта, тогда как в разработанном устройстве ДФТ восстановление трехмерного томографического изображения проводится по одной-единственной проекции исследуемого объекта с использованием данных о форме спектра мощности излучения, регистрируемого приемником, то есть в разработанном устройстве реализуется такой вариант ДФТ, который можно назвать спектрально-разрешенной диффузионной флуоресцентной томографией.

Возможность реализации спектрально-разрешенной диффузионной флуоресцентной томографии основана на существовании сильной дисперсии оптических параметров исследуемого объекта в видимом диапазоне длин волн, которая существенно искажает форму спектра мощности излучения, распространяющегося внутри исследуемого объекта. Таким образом, существует однозначная зависимость формы спектра мощности излучения флуоресценции, зарегистрированного приемником, от глубины залегания (координаты Z) флуорофора внутри исследуемого объекта. Наличие названной зависимости позволяет проводить восстановление трехмерного томографического изображения по форме спектра мощности излучения, регистрируемого приемником, без использования большого количества различных проекций исследуемого объекта.

На фиг.1 представлена схема реализации разработанного устройства диффузионной флуоресцентной томографии, изготовленного в соответствии с п.1 формулы изобретения.

На фиг.2 представлена схема реализации разработанного устройства диффузионной флуоресцентной томографии, изготовленного в соответствии с п.2 формулы изобретения.

На фиг.3 представлен пример плоского спектрально-разрешенного изображения исследуемого объекта на заданной длине волны (640 нм), полученного для спектров мощности излучения, зарегистрированных приемником в каждой точке сканирования, при облучении исследуемого объекта источником лазерного излучения, а также трехмерное томографическое изображение, которое представлено в виде набора двумерных параллельных плоскостей, расположенных на различной глубине (при различных значениях координаты Z) исследуемого объекта.

Разработанное устройство диффузионной флуоресцентной томографии по фиг.1 в соответствии с п.1 формулы содержит лазерный источник излучения 1, источник белого света 2, совместный волоконно-оптический выход 3 лазерного источника излучения 1 и источника белого света 2, систему электромеханических подвижек 4 совместного волоконно-оптического выхода 3, приемник излучения 5, выполненный с возможностью регистрации спектра мощности излучения, волоконно-оптический вход 6 приемника излучения 5, систему электромеханических подвижек 7 волоконно-оптического входа 6, блок обработки сигнала и визуализации 8, блок синхронизации 9, систему вращения исследуемого объекта 12, блок управления 11 системой вращения 10 исследуемого объекта 12 и системами электромеханических подвижек 4 и 7.

Разработанное устройство диффузионной флуоресцентной томографии, представленное на фиг.1, работает следующим образом.

Излучение от лазерного источника 1 и от источника белого света 2 через волоконно-оптический выход 3 попадает на исследуемый объект 12. Спектр мощности излучения, прошедшего через исследуемый объект 12, собирается волоконно-оптическим входом 6, поступает на приемник излучения 5 и далее в блок обработки сигнала и визуализации 8. Системы электромеханических подвижек 4 и 7 позволяют проводить совместное сканирование исследуемого объекта 12 волоконно-оптическим выходом 3 и волоконно-оптическим входом 6 с заданным пространственным сдвигом между ними и произвольным шагом сканирования, а система вращения 10 позволяет поворачивать исследуемый объект 12 на произвольный угол от первоначального положения.

Блок синхронизации 9 последовательно включает на определенный период времени каждый из источников излучения 1 и 2 и управляет считыванием данных блоком обработки и визуализации 8 с приемника излучения 5, что позволяет отделять спектр мощности излучения, регистрируемый приемником 5 при облучении исследуемого объекта 12 источником лазерного излучения 1, от спектра мощности излучения, регистрируемого приемником 5 при облучении исследуемого объекта 12 источником белого света 2. Кроме того, блок синхронизации 9 обеспечивает согласованную работу блока управления 11 и блока обработки и визуализации 8, разделяя спектры мощности излучения, регистрируемые приемником 5 в разных точках сканирования.

Согласованное использование блока синхронизации 9, системы вращения 10 и систем электромеханических подвижек 4 и 7 позволяет получать плоские спектрально-разрешенные изображения заданного пространственного разрешения, соответствующие различным проекциям области сканирования определенных угловых положений исследуемого объекта 12. При этом каждая точка полученных изображений будет представлять собой набор данных, отдельно описывающих спектр мощности излучения, зарегистрированный приемником 5 в соответствующей точке сканирования при облучении исследуемого объекта 12 источником лазерного излучения 1, и спектр мощности излучения, зарегистрированный приемником 5 в соответствующей точке сканирования при облучении исследуемого объекта 12 источником белого света 2. Одно плоское спектрально-разрешенное изображение имеет пространственное разрешение, которое определяется шагом сканирования, и спектральное разрешение, которое определяется количеством длин волн, различаемых приемником 5 в регистрируемом спектре мощности излучения для каждой точки сканирования (см. фиг.3). На фиг.3 представлены: (А) - исследуемый объект и область сканирования; (Б) - спектрально-разрешенное изображение области сканирования; (В) - спектр мощности излучения в выбранной точке спектрально-разрешенного изображения; (Г) - трехмерное томографическое изображение, которое представлено в виде набора двумерных параллельных плоскостей, расположенных на различной глубине исследуемого объекта.

Используя спектры мощности излучения, зарегистрированные приемником 5 в каждой точке сканирования при облучении исследуемого объекта 12 источником белого света 2, блок обработки и визуализации 8 позволяет экспериментально определять оптические параметры исследуемого объекта 12, значения которых могут отличаться от табличных, что повышает точность решения обратной задачи томографии при восстановлении трехмерного томографического изображения исследуемого объекта 12. Кроме того, блок обработки и визуализации 8 снабжен оригинальным программным обеспечением, позволяющим получать трехмерное томографическое изображение, используя, по крайней мере, одно спектрально-разрешенное изображение, отвечающее единственной проекции исследуемого объекта 12 (в устройстве-прототипе и в других аналогах получить трехмерное томографическое изображение, используя только одну проекцию исследуемого объекта 12, невозможно).

Алгоритм решения обратной задачи томографии по спектрально-разрешенным изображениям исследуемого объекта 12 аналогичен алгоритму томографии по различным проекциям, однако одно спектрально-разрешенное изображение эквивалентно такому количеству различных проекций исследуемого объекта 12, какое спектральное разрешение позволяет получить приемник излучения 5. Таким образом, при использовании малого числа различных проекций исследуемого объекта 12 пространственное разрешение по глубине разработанного устройства диффузионной флуоресцентной томографии будет определяться не количеством проекций исследуемого объекта 12, а спектральным разрешением приемника излучения 5. Кроме того, использование нескольких спектрально-разрешенных изображений, полученных для различных угловых положений исследуемого объекта 12, или различных проекций одного углового положения исследуемого объекта 12 позволяет существенно повысить точность решения обратной задачи томографии и улучшить пространственное разрешение по глубине трехмерного томографического изображения за счет одновременного использования блоком обработки и визуализации 8 алгоритма спектрально-разрешенной томографии и алгоритма томографии по различным проекциям исследуемого объекта 12.

Совместное использование спектрально-разрешенной томографии и томографии по различным проекциям исследуемого объекта 12 позволяет не только существенно повысить точность решения обратной задачи томографии за счет взаимной верификации результатов, полученных каждым алгоритмом по отдельности, но и уменьшить время, требуемое для достижения заданного пространственного разрешения по глубине трехмерных томографических изображений, поскольку отпадает необходимость в получении большого количества проекций исследуемого объекта 12, то есть позволяет решить поставленную задачу.

В конкретной реализации разработанного устройства спектрально-разрешенной диффузионной флуоресцентной томографии был использован лазер SDL-593-200T (пр-во фирмы «Shanghai Dream Lasers Technology Co., Ltd.», Китай) в качестве источника лазерного излучения 1, и ксеноновая лампа РХ-2 (пр-во фирмы «Ocean Optics, Inc.», США) в качестве источника белого света 2. Система вращения 10 исследуемого объекта 12 и системы электромеханических подвижек 4 и 7, управлялись шаговыми двигателями с контроллерами MDrive (пр-во фирмы «Intelligent Motion Systems, Inc.», США). В качестве приемника излучения 5 использовался охлаждаемый спектрометр QE65000 (пр-во фирмы Ocean Optics, Inc., США).

Особенностью работы предлагаемого устройства спектрально-разрешенной диффузионной флуоресцентной томографии, описанного в п.2 формулы и представленного на фиг.2, является то, что в него дополнительно введен приемник сверхкоротких оптических импульсов 13, который электрически соединен с блоком обработки сигнала и визуализации 8 и снабжен общим волоконно-оптическим входом 6, а источник белого света 2 выполнен с возможностью излучения сверхкоротких оптических импульсов.

Технический результат в этом частном случае реализации устройства достигается за счет того, что оптические параметры исследуемого объекта 12, определяются как по спектрам мощности излучения, зарегистрированным приемником 5 в каждой точке сканирования при облучении исследуемого объекта 12 источником белого света 2, так и по длительностям передних и задних фронтов сверхкоротких оптических импульсов, зарегистрированным дополнительно введенным приемником 13 в каждой точке сканирования исследуемого объекта 12. Экспериментально определенные таким образом оптические параметры наиболее точно описывают исследуемый объект 12, что в еще большей степени повышает точность решения обратной задачи томографии при восстановлении трехмерного томографического изображения.

Таким образом, использование источника белого света, приемника, выполненного с возможностью регистрации спектра мощности излучения, системы вращения исследуемого объекта и блока синхронизации позволяет реализовать в блоке обработки и визуализации как алгоритм спектрально-разрешенной томографии, так и алгоритм томографии по различным проекциям исследуемого объекта. Использование спектрально-разрешенной томографии обеспечивает возможность получения трехмерных томографических изображений по единственной проекции исследуемого объекта, а совместное использование спектрально-разрешенной томографии и томографии по различным проекциям исследуемого объекта позволяет увеличить пространственное разрешение по глубине трехмерных томографических изображений, при использовании нескольких проекций исследуемого объекта позволяет уменьшить время, требуемое для достижения заданного пространственного разрешения по глубине трехмерных томографических изображений, а также значительно повысить точность решения обратной задачи томографии.

1. Устройство диффузионной флуоресцентной томографии, содержащее лазерный источник излучения, снабженный волоконно-оптическим выходом, систему электромеханических подвижек волоконно-оптического выхода, приемник излучения, снабженный волоконно-оптическим входом, систему электромеханических подвижек волоконно-оптического входа, блок управления системами электромеханических подвижек, блок обработки сигнала и визуализации, отличающееся тем, что в него введен источник белого света, соединенный с волоконно-оптическим выходом лазерного источника излучения, при этом приемник излучения выполнен с возможностью регистрации спектра мощности излучения, а между блоком управления системами электромеханических подвижек и блоком обработки сигнала и визуализации установлен блок синхронизации, электрически соединенный с источником лазерного излучения и источником белого света, причем блок управления системами электромеханических подвижек электрически соединен с системой вращения исследуемого объекта, а блок обработки сигнала и визуализации снабжен программным обеспечением для получения трехмерных томографических изображений исследуемого объекта с использованием спектра мощности излучения, регистрируемого приемником излучения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него дополнительно введен приемник сверхкоротких оптических импульсов, который снабжен волоконно-оптическим входом и электрически соединен с блоком обработки сигнала и визуализации, а источник белого света выполнен с возможностью излучения сверхкоротких оптических импульсов.