ЛОКАЛИЗАЦИЯ ПОГЛОЩАЮЩИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В СТРУКТУРЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ С ПОМОЩЬЮ ВРЕМЯ-РАЗРЕШЁННОЙ ДИФФУЗИОННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ
, ,
ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет»
E-mail: *****@***ru
Процесс решения обратной задачи импульсной диффузионной оптической томографии (ДОТ) продолжителен по времени [1-3]. Даже при использовании ориентированных на высокопроизводительные вычисления мощных компьютеров расчёт пространственных распределений значений оптических параметров исследуемого биообъекта происходит в режиме пакетной обработки, к тому же после многочасового решения обратной задачи оптические изображения получаются размытыми [2].
В связи с вышесказанным актуальной является разработка быстродействующих алгоритмов упрощенной регистрации патологических отклонений в структуре биологической ткани посредством импульсной ДОТ.
Миграцию фотонов в сильно рассеивающих средах, таких как биологические ткани, моделируют с помощью диффузионного приближения к уравнению переноса излучения (УПИ), методом Монте-Карло или методом Кубелки-Мунка (многопотоковая модель) [3]. Для получения теоретических временных функций рассеяния точки (ВФРТ) в рамках решения обратной задачи целесообразно использовать диффузионное приближение к УПИ, поскольку диффузионное приближение характеризуется невысокой требовательностью к вычислительной мощности и при этом хорошо описывает распространение излучения в толще биологической ткани.
При постановке обратной задачи целевую функцию и начальное приближение принято формировать на основе начальной (I) и средней (II) частей ВФРТ. Они соответствуют фотонам с малым и средним временем пролёта. Однако можно использовать и хвостовую часть (III) диффузно прошедшего излучения [3]. Эта часть ВФРТ соответствует поздно пришедшим фотонам (ППФ), которые практически не вносят вклада в вычисление среднего времени пролета диффузно прошедшего импульса излучения, но содержат полезную информацию об оптических свойствах исследуемого объекта. Причем, влияние неоднородностей на форму ВФРТ наиболее заметно именно на 3D представлении ППФ. В связи с этим, целевую функцию целесообразно сформировать для всей протяженности ВФРТ, а начальное приближение сделать на основе ППФ. В результате обратную задачу импульсной ДОТ можно сформулировать следующим образом: используя для расчёта ВФРТ для начального набора объемных оптических параметров, вычисленных на основе ППФ, модель диффузионной миграции фотонов в рассеивающих средах, найти такой набор объемных оптических параметров, который сводит к минимуму разницу между ВФРТ, полученными в результате этого моделирования и в результате физических измерений (или их имитации) с учётом ограничений связанных с геометрией и оптическими свойствами биологических тканей [4].
Алгоритм определения координат центров и эффективных радиусов областей патологических отклонений в структуре биомедицинских объектов представлен на рис. 1.
Рис. 1. Алгоритм определения координат центров и эффективных радиусов для
областей патологических нарушений в структуре биологических тканей
Предложенный алгоритм локализации неоднородностей в импульсной ДОТ реализован в виде специализированного программного продукта в среде LabVIEW. Результаты его работы показаны на рис. 2. В качестве исследуемого биобъекта использована голова пациента с явно выраженной опухолью (рис.2а).
(а) (б)
Рис. 2. Картирование глиомы в срезе головного мозга человека:
геометрическая модель исследуемого объекта (а), результат локализации оптической неоднородности (б)
Относительное отклонение пространственных распределений коэффициентов поглощения в исследуемом биообъекте от соответствующих распределений, полученных в результате решения обратной задачи для окрестности глиомы (окружность радиусом 35 точек) составило 12.7% (рис.2б). Решение обратной задачи на рабочей станции HP Z640 (c двумя шестиядерными процессорами E5-2620v3с, 4 Гб видеопамяти NVIDIA Quadro K4200 и 32 Гб оперативной памяти DDR4-2133) было выполнено менее чем за 1.3 секунды, т. е. в диалоговом режиме работы [4].
Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда (проект № 16-15-10327).
Библиографический список
1. Zimnyakov D. A., Tuchin V. V. Optical tomography of tissues // Quantum Electronics. 2002. Vol. 32. Is. 10. P. 849–867.
2. Konovalov A. B., Vlasov V. V., Kalintsev A. G., Kravtsenyuk O. V., Lyubimov V. V. Time-domain diffuse optical tomography using analytic statistical characteristics of photon trajectories // Quantum Electronics. 2006. Vol. 36. № 11. P.1048–1055.
3. Potlov A. Yu., Frolov S. V., Proskurin S. G. Localization of inhomogeneities in diffuse optical tomography based on late arriving photons // Optics and Spectroscopy. 2016. Vol. 120. № 1. P. 9–19.
4. Потлов точности регистрации неоднородностей в сильно рассеивающих средах без решения обратной задачи // Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2014. Т. 159 (№ 10). С. 77-87
