Радіофізичні методи діагностики матеріалів і середовищ



Сторінка23/24
Дата конвертації09.03.2016
Розмір5.77 Mb.
1   ...   16   17   18   19   20   21   22   23   24

7.2 Основні способи діагностики біологічних об'єктів

  • 7.2.1 Мікрохвильова радіометрія


    Мікрохвильова радіотермометрія – пасивне мікрохвильове формування зображень, що базується на вимірюванні електромагнітного поля, безпосередньо випроміненого нагрітими тілами згідно із законом Планка:

    , (7.1)


    де – спектральна густина електромагнітного випромінювання; – магнітна проникність; – питома провідність; – частота; – температура абсолютно чорного тіла; Дж с; Дж К; .

    Згідно із цим рівнянням розподіл випромінювання залежить від частоти, а також від температури. Тому радіометри часто називають термографією. Температура є ключовим параметром, який використовують для того, щоб передбачити наявність злоякісної пухлини [37].

    Існує кілька факторів, що сприяють підвищенню температури за наявності пухлини: злоякісні клітини більш метаболічно активні та виробляють більше тепла, вони мають знижену здатність до терморегуляції, а також встановлено, що локалізоване збільшення об'єму крові може бути пов'язане з раннім ростом пухлини. Останній фактор особливо важливий, оскільки він дозволяє виявити рак грудей за допомогою НВЧ-томографії на ранніх стадіях. Теплова потужність шуму, що вимірюється радіометром, обумовлена локальним розподілом температури в грудях, з урахуванням її реконструкції на основі даних, зібраних із різних позицій антени радіометра (рис. 7.2).

    Радіометр

    Рисунок 7.2 – Приклад НВЧ-системи візуалізації полів при діагностиці біологічних об'єктів


    Відповідно до (7.1) пік електромагнітного випромінювання спостерігається в інфрачервоному діапазоні, але високе ослаблення в тканині об'єкта на цих частотах обмежує застосування інфрачервоної термографії для вимірювання температури шкіри. У мікрохвильовому діапазоні частот інтенсивність випромінювання приблизно в десять мільйонів разів менша, але втрати в тканинах значно нижчі. Крім того, потужність, яку випромінює в цій смузі частот, прямо пропорційна температурі яскравості за абсолютною шкалою:

    , (7.2)


    де – пропускна здатність системи.

    Пасивні методи мають ряд переваг. Серед них те, що пацієнт і медичний персонал не зазнають впливу електромагнітного випромінювання, а також цей метод може бути використаний для виявлення раку грудей у чоловіків, що не може бути зроблено за допомогою мамографії.

    Основним завданням цього методу є визначення мінімального рівня потужності випромінювання пухлин, що викликає технічні проблеми. Вирішенням цієї проблеми може бути використання систем охолодження для зниження температури НВЧ-детектора [43].

    Друге питання стосується оцінки просторового розподілу температури всередині тіла. Одна частота радіотермометрії забезпечує вимірювання середньої температури певній галузі. Тому дуже важко провести різницю між охолодженою мішенню, що розташована близько до шкіри, і гарячою мішенню, що розташована глибоко в грудях. Виміряна температура яскравості в цих двох випадках може бути такою самою, хоча цілі абсолютно різні. Ця проблема може бути вирішена за допомогою мікрохвильової радіотермометрії на різних частотах [44]. Метод базується на дисперсійних властивостях тканини (інтенсивність теплового випромінювання зростає на більш високих частотах, а глибина проникнення в біологічні тканини зменшується). Аналіз виміряних радіометричних даних на декількох частотах дозволяє оцінити глибину та розмір джерела тепла.



    1. 7.2.2 Мікрохвильова томографія


    Слово «томографія» походить від грецьких слів «різати» (tomos) і «писати» (graphein). Цей термін «прийшов» у мікрохвильову візуалізацію з алгоритмів обробки зображень. Він відомий також у магнітно-резонансній томографії (МРТ) та рентгенівській комп'ютерній томографії (КТ), в яких зображення внутрішніх структур тіла представлене у вигляді послідовності зрізів. Сьогодні застосування активних мікрохвильових методів отримання зображення для візуалізації внутрішньої частини тіла також часто називають НВЧ-томографією, незважаючи на їх здатність безпосередньо набувати тривимірних (3D) зображень.

    Частотно-часові системи. Частотно-часові системи ґрунтуються на методах зворотного розсіювання, в яких НВЧ-передавач опромінює об'єкт, а розсіяні поля (прийняті НВЧ-приймачами) у декількох точках знаходяться з вимірів, шляхом вирахування падаючого поля (рис. 7.3). Використовуючи цю інформацію, отримуємо відновлену картину про досліджуваний об'єкт.
    Рисунок 7.3 – Система мікрохвильових приймачів для вимірювання падаючого та розсіяного полів
    Такий метод описується хвильовим рівнянням

    (7.3)


    де – напруженість електричного поля; – просторова координата; – невідомий розподіл комплексної діелектричної проникності; – джерело густини струму; ; μ= 4π·10-7 Гн/м; – уявна одиниця; припускаючи, що фактор часу .

    Зворотне завдання полягає у визначенні положення та діелектричної проникності розсіювача (наприклад, розподіл комплексної діелектричної проникності ) із виміряного розсіяного поля.

    Розв’язання цієї задачі, як правило, здійснюється за допомогою процедури оптимізації шляхом скорочення різниці між розрахунковими і виміряними даними з використанням рівняння (7.3).

    Загальна потужність випромінювання для таких систем набагато нижча, ніж від передавача звичайного стільникового телефону. Звичайно, роздільна здатність НВЧ-томографії не може конкурувати з роздільною здатністю, що досягається комп'ютерною томографією через велику різницю в довжині хвилі. Проте високий діелектричний контраст на надвисоких частотах робить ці прилади дуже чутливими до наявності випромінювання з ділянки злоякісної тканини.

    Спроби вирішити двонапівперіодне 3D-зворотне завдання розсіювання для отримання більш точного результату призводять до високого обсягу обчислювальної вартості, які є тепер головною проблемою для таких систем. Однак ця проблема може бути вирішена вже найближчим десятиліттям з урахуванням темпів розвитку комп'ютерних технологій.

    На практиці, вимірювання поля проводяться з використанням двох (передавальної та приймальної) антен у бістатичній конфігурації при механічному скануванні [31] або масиву антен при електронному скануванні [29, 30]. У першому випадку, отримавши дані про розсіяння сигналу для зазначеного місця розташування антени, результати зберігаються в процесорі, а антена переміщується в нове положення. Процедура вимірювання повторюється для багатьох місць розміщення антени. Механічні системи сканування бістатичної конфігурації, як правило, мають тривалий час збору даних (до кількох годин), що вимагає високої точності позиціонування антен і стабільності частоти системи. Оптимальний час збору даних для системи візуалізації дорівнює або менший, ніж цикл дихання пацієнта. Щоб гарантувати стабільність об'єкта до зображення застосовують електронне сканування антенних решіток, як це показано на рис. 7.4. У такій конфігурації кожна антена працює в режимі передачі або прийому для того, щоб максимізувати кількість даних вимірювань. Наведена конфігурація забезпечує зниження часу вимірів порівняно з механічним скануванням і мінімальний дискомфорт для пацієнта.

    Високочутлива приймальна система необхідна для ретельного вимірювання розсіяної компоненти поля. Висока чутливість може бути досягнута за допомогою використання супергетеродинного приймача з ретельною фільтрацією сигналу. Динамічний діапазон систем відображення на сьогодні становить більше ніж 120 дБ [29].

    У багатьох НВЧ-томографах сполучна речовина між антенами та тілом вводиться для того, щоб уникнути сильних відбиттів від повітря/скінів інтерфейсу. Тому орієнтація пацієнта для цих систем (рис. 7.3) відрізняється від мікрохвильової радіометрії (рис. 7.2). Електричні властивості середовища обрані близькими до властивостей тіла для підвищення зв'язку. Однак на практиці електричні властивості середовища залежать від температури, і будь-які температурні дрейфи та непередбачувані місцеві температурні градієнти впливають на точність вимірювань системи.

    Фотографія реального прототипу системи НВЧ 3D-візуалізації, що використовується в частотній області вимірювань у поєднанні з багатоканальним приймачем і електронним скануванням, показана на рис. 7.4 [36].

    Рисунок 7.4 – Фотографія прототипу системи НВЧ 3D-візуалізації (вигляд зверху)


    Мікрохвильова система візуалізації містить 32 канали для вимірювання. Кожен канал може працювати як у режимі передачі, так і прийому. Живлення системи здійснюється від одного джерела випромінювання. Антени занурені у бак сполучної рідини, що імітує електричні параметри молочної залози. Щоб опромінити область зображення використовують 32 антени, розміщені в циліндричній установці радіусом 8 см, як показано на рис. 7.4. Антени орієнтовані горизонтально та розміщені в 4 ряди, 8 антен у кожному ряді. Система антенних решіток розроблена, вважаючи, що під час діагностики пацієнт лежить.

    Альтернативним способом вимірювання розсіяного поля є модельована техніка розсіювання [4546]. Система складається із двох великих рупорних антен, як показано на рис. 7.5. Передавальна антена висвітлює область дослідження. Вимірювання розсіяного поля забезпечується масивом дослідження системи візуалізації, розміщеним перед колекторною діафрагмою. Масив дослідження – дипольний масив із розміром кроку, що дорівнює половині довжини хвилі в середовищі (який зазвичай базується на водних розчинах) [45]. Модуляція діодів призводить до сигналу на виході колекторної діафрагми. Виміряний сигнал пропорційний полю в положенні обраного диполя. Масив сканування швидко обробляється послідовним шляхом. Цей спосіб вимірювання розподілу електромагнітного поля забезпечує високу швидкість збору даних.



    Системи, що працюють у часовій області. Ці системи часто згадуються як радарні методи. Цей метод виник унаслідок застосування військового та підповерхневого радіолокаційного зондування і був запропонований для виявлення раку молочної залози в кінці дев'яностих років минулого століття. Він використовує добре розвинений радарний принцип, де короткі імпульси випромінюються з малою потужністю і приймаються в різних місцях із зонда антени або, альтернативно, шляхом використання масиву антен. Час затримки між випромінюваними й отриманими імпульсами та їх форма містять інформацію про розсіювач (неоднорідності). Оброблені сигнали для різних розміщень зонда антени або елементів масиву комбінуються, щоб сформувати 2D- або 3D-зображення, показуючи місце розміщення дуже рефлексивного об'єкта – тканини, ураженої раком.
    Випромінювач

    Дипольний

    масив

    Комп'ютер



    Система

    контролю


    Рисунок 7.5 – Техніка модульованого розсіювання (виявлений приймачем сигнал пропорційний електричному полю)
    Через згадуваний контраст у діелектричних властивостях між нормальною та злоякісною тканинами, НВЧ-розсіювання пухлини поперечного перерізу більше, ніж в еквівалентного розміру нормальної тканини молочної залози [32].

    Як і в системах частотної області існують три основні конфігурації системи: моностатична, бістатична і мультистатична. У моностатичній конфігурації випромінювач також використовується як приймач та механічно переміщається уздовж грудей, щоб сформувати синтезовану апертуру. У бістатичній конфігурації одна передавальна й одна приймальна антени використовуються в парі та рухаються вздовж грудей для формування синтезованої апертури. У мультистатичній установці для збору даних використовується масив антен.

    Радарні методи мають перевагу створення простого підходу для визначення місцезнаходження сильних розсіювачів у грудях, уникаючи повного хвильового електромагнітного аналізу.

    Під час реалізації описаних вище методів дисперсія є великою проблемою, тому частотна залежність усіх тканин молочної залози або залежність від частоти діаграми спрямованості антени, як правило, ігноруються [35].

    Сильне розсіювання на шкірі грудей компенсується за рахунок вирівнювання сигналів щодо відображення шкіри, і виключення усередненого сигналу калібрування від кожного вимірюваного сигналу. Із метою посилення процесу виявлення можуть бути використані різні методи підвищення виявлення сигналу, наприклад такі: конфокальна мікрохвильова обробка зображень, просторово-часові діаграми спрямованості або тимчасове зворотне фокусування хвилі.

    Оскільки точність вимірювань і широкий динамічний діапазон – ключові вимоги для досягнення хорошої якості зображення, всі радарні методи обробки зображення відображення досі покладаються на частотну область вимірювань за допомогою системи, поданої на рис. 7.3. Подання тимчасової області досягається за допомогою зворотного перетворення Фур'є [47]. Рівень шуму системи вимірювання безпосередньо залежить від її пропускної здатності. Як випливає з (7.2), максимальна потужність випромінювання, також обмежена через електромагнітне випромінювання. Із цієї причини практичне застосування імпульсних систем вимірювання часового інтервалу для діагностики раку молочної залози обмежене.



    Комбіновані системи. Комбінація двох раніше описаних методів у частотній і тимчасовій областях потенційно дозволяє відновлювати зображення з високою роздільною здатністю при відносно низьких обчислювальних витратах.

    Цей метод з'явився з метою подолання певних незручностей обох описаних вище методів. Радарні методи здійснюються з метою визначення просторового розміщене та розмірів розсіювачів. Потім, використовуючи отриману інформацію, для відновлення діелектричних властивостей мішені використовуються методи частотної області. Це дозволяє значно зменшити обчислювальний час, необхідний для вирішення зворотного завдання розсіювання.

    Це методика була запропонована недавно незалежно від процедури [48] вимірювання. З урахуванням попереднього аналізу можна зробити висновок, що така комбінована техніка також ґрунтуватиметься на частотній області вимірювань.

    1. 7.2.3 Мікрохвильова мікроскопія


    Принцип дії мікрохвильового мікроскопа – зміна резонансної частоти відкритого мікрохвильового резонатора, що виникає внаслідок взаємодії електромагнітного поля резонатора та об'єктів, розміщених під шкірою, таких як пухлини молочної залози (рис. 7.6).

    Це можна проілюструвати за допомогою співвідношення для відносної зміни резонансної частоти резонатора, при зміні діелектричної проникності :

    , (7.4)

    де і резонансні частоти вихідної й збуреної порожнин, відповідно; і поля вихідної порожнини з об'ємом .



    Рівняння (7.4) показує, що будь-яке збільшення у будь-якій точці порожнини призводить до зменшення резонансної частоти. Цей метод забезпечує високу просторову роздільну здатність, оскільки він базується на ближньопольовій взаємодії, яке не обмежується дифракційною межею. Ближньопольова мікрохвильова мікроскопія успішно використовувалася для дослідження поверхневої характеристики біологічних тканин із просторовою роздільною здатністю в діапазоні від λ/50 до λ/1000. Нещодавно ця техніка була запропонована для діагностики раку молочної залози [49]. Максимальна ефективна глибина виявлення становить кілька сантиметрів. Для глибоко розміщених пухлин така система, на жаль, втрачає свою субхвильову здатність фокусування.
    НВЧ

    -

    джерело



    Напрямлений

    відгалужувач

    Частотний контроль

    Резонатор


    Рисунок 7.6 – Мікрохвильова мікроскопія. Зміна резонансної частоти за наявності пухлини
    Мікрохвильова мікроскопія для діагностики раку молочної залози має ряд важливих переваг: дозволяє уникнути спеціальної обробки тканин шкіри та реалізації комплексних алгоритмів зворотного розсіювання; працює в дуже вузькому діапазоні частот, таким чином немає ніякої потреби в складних дисперсійних діелектричних моделях тканин молочних залоз; апріорне знання діелектричних властивостей пухлини не є критичним для успіху виявлення їх наявності; метод може бути використаний для виявлення раку молочної залози у чоловіків.
    1. 7.2.4 Комбіновані методи


    Мікрохвильове теплове акустичне відображення. Мікрохвильове теплове акустичне відображення поєднує в собі переваги високого контрасту провідності злоякісних тканин у діапазоні надвисоких частот і високу просторову роздільну здатність ультразвукового зображення.

    Генератор НВЧ-імпульсів використовується тут для опромінення молочної залози (рис. 7.7).


    Контроль

    по


    частоте

    Ультрасонограф

    Генератор НВЧ-

    імпульсів


    Рисунок 7.7 – НВЧ-індукована, теплова візуалізація
    Мікрохвильова потужність обсягу плазми, поглиненої в одиниці об'єму тканини, пропорційна її електричній провідності:

    В/м3, (7.5)

    де амплітуда напруженості електричного поля всередині тканин [35]. Це поглинання стимулює термопружне розширення тканин і викликає термоакустичні хвилі, які можуть бути виявлені за допомогою акустичних сенсорів, розміщених за межами молочної залози. Виміряний надлишковий тиск є функцією ширини НВЧ-імпульсу та дифракційного енергетичного поглинання на одиничний обсяг тканини в певному положенні. Акустичні хвилі, що генеруються таким чином, несуть інформацію про мікрохвильове поглинання енергії, властивості тканин під опроміненням. Згідно із (7.5) мікрохвильова енергія, поглинена пухлиною та нормальними тканинами молочних залоз, істотно відрізнятиметься і сильніша акустична хвиля буде проведена пухлиною.

    Основною проблемою під час клінічної реалізації цієї методики є підвищений рівень електромагнітного випромінювання. НВЧ-потужність імпульсів становить від одного до кількох десятків кіловатів, що навіть у середньому значно вище, ніж використовувані іншими мікрохвильовими системами візуалізації, які описані вище. Більшість проблем, що стоять перед описуваною мікрохвильовою тепловою акустичною системою відображення, пов'язані з неоднорідністю тканини молочних залоз. Це призводить до неоднорідного мікрохвильового енергетичного розподілу, сильного втручання від шкіри та стінки грудної клітки, й отже, до складних алгоритмів реконструкції зображення. Біологічні тканини повинні бути нагріті мікрохвильовим джерелом рівномірно, інакше теплові акустичні сигнали викликатимуться неоднорідним мікрохвильовим енергетичним розподілом, що призводить до зображень, які важко інтерпретувати. Збудження небажаних електромагнітних коливань поля високого порядку в тканини молочної залози також сприяє неоднорідному мікрохвильовому енергетичному розподілу. Оскільки шкіра грудей, тканини молочної залози, грудна стінка та пухлина поглинають мікрохвильову енергію та перетворюють енергію в тепло, то відповідно до (7.5) усі вони виробляють теплові акустичні сигнали. Виміряні теплові акустичні сигнали містять у собі випромінювання від пухлини, а також від інших здорових тканин молочної залози. Теплові акустичні сигнали, що генеруються шкірою, набагато сильніші, ніж ті, що вироблені локальної пухлиною, через високу провідність шкіри й акустичних датчиків, розміщених дуже близько до шкіри. Через нерівномірні швидкості звуку в біологічних тканинах час повернення акустичного імпульсу, у місці розміщення пухлини, не може бути визначено точно. Всі ці фактори ускладнюють інтерпретацію властивостей зворотного поширення теплових акустичних сигналів.

    Шкірні реакції, як правило, компенсуються шляхом усереднення за аналогією з радарною технікою. Перешкоди також можуть бути зменшені за рахунок використання дисперсійних властивостей і роботи одночасно на декількох частотах, як це спостерігається, наприклад, у радіометрії. Інформація, зібрана від багаточастотної стимуляції, може допомогти пом'якшити згадані вище проблеми.

    Ультразвуковий контроль мікрохвильових зображень. Потенціал тяжіння передбачає інформацію об'єднання відображення мультимодальних, зібраних від різних систем, щоб забезпечити більш повний діагностичний інструмент, який покриває повний спектр фізіологічних і патологічних станів тканин. Кероване ультразвуком мікрохвильове відображення – це така комбінація двох методів, де мікрохвильове відновлення зображень орієнтується на УЗД. Ультразвукові зображення використовуються для збору апріорної інформації про структуру молочної залози та про геометрію впроваджених об'єктів. Це допомагає створити оптимальну сітку з добре вдосконаленою цільовою областю для ефективного числового аналізу електромагнітного завдання [50]. Отже, просторова роздільна здатність мікрохвильового відображення може бути збільшена, що призводить до більш точного відображення пухлин.

    Мікрохвильова візуалізація зображення має значний потенціал для діагностики раку молочної залози та інших пухлин через високий контраст у властивостях діелектрика тканини на мікрохвильових частотах. До цих засобів потрібно віднести: термографію, мікрохвильову томографію, мікрохвильову мікроскопію, стимульоване мікрохвильове теплове акустичне відображення та ультразвуковий контроль мікрохвильових зображень. Кожен метод має свої переваги та недоліки, але кількість наукових досліджень і розробок вивчення кожного можливого підходу продовжує зростати.

    Відзначаючи велику різноманітність запропонованих методів, потрібно відзначити, що деякі системи, такі як пасивні системи, 2D-томографи в частотній області, а останнім часом надширокосмуговий мережевий аналізатор уже використовується в клінічних випробуваннях.

  • 1   ...   16   17   18   19   20   21   22   23   24


    База даних захищена авторським правом ©refs.in.ua 2016
    звернутися до адміністрації

        Головна сторінка