Алгоритм описания оптической структуры биомедицинских объектов и их фантомов для задач импульсной диффузионной оптической томографии
Алгоритм описания патологических отклонений в оптической структуре биологических тканей посредством изогелии результатов исследования с помощью компьютерной или магнитно-резонансной томографии с кодированием и ручной идентификацией каждой структуры.
| Рубрика | Медицина |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.07.2017 |
| Размер файла | 278,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Тамбовский государственный технический университет
Алгоритм описания оптической структуры биомедицинских объектов и их фантомов для задач импульсной диффузионной оптической томографии
С.В. Фролов, А.Ю. Потлов, А.А. Пилягин
Тамбов
Аннотация
томография оптический ткань изогелия
Представлен алгоритм описания патологических отклонений в оптической структуре биологических тканей посредством изогелии результатов исследования с помощью компьютерной или магнитно-резонансной томографии (КТ или МРТ) с последующим кодированием и ручной идентификацией каждой структуры, а также присвоением ей табличных оптических свойств. Предложенный алгоритм может быть использован в диффузионной оптической томографии (ДОТ) для моделирования оптических свойств биомедицинских объектов (или их частей) с переменным пространственным разрешением. Серия компьютерных экспериментов показала, что разработанный алгоритм позволяет описывать оптическую структуру биологических тканей с достоверностью >90%.
Ключевые слова: оптические свойства биологических тканей, импульсная диффузионная оптическая томография, прямая задача, сильно рассеивающие среды, изогелия.
Введение
Решение прямой задачи импульсной ДОТ требует наличия корректной геометрической модели исследуемого биобъекта [1-4]. Простейшие модели исследуемых биомедицинских объектов (на базе канонических уравнений сферы, конуса, цилиндра и т.п.) широко известны [1, 3] и не требуют дальнейшего усовершенствования.
Целью исследований является разработка алгоритма описания оптических свойств биомедицинского объекта с достоверностью >90%.
Материалы и методы
Разработанный алгоритм представлен на рис. 1. В качестве исходных данных (блок 2) для описания оптического строения биомедицинского объекта при работе алгоритма (блок 1) используются результаты КТ или МРТ исследования этого биообъекта. Биологические ткани моделируются как трехмерные конечные объекты заданной формы, получаемые путем аппроксимации [5, 6] исследуемого биообъекта конечно-разностной схемой. После получения значений управляющих параметров (блок 2) и считывания КТ или МРТ срезов производится послойная (блоки 3 и 5) обработка этих данных.
Рис. 1 Упрощённая блок-схема алгоритма описания оптической структуры биологических тканей и их фантомов
Для выделения структур биомедицинского объекта посредством уменьшения уровней квантовая исходных изображений [7] проводится изогелия (постеризация) всех томограмм (блок 4). Далее выполняется (блок 6) числовое кодирование оставшихся после изогелии полутонов. Затем (блок 7) коды ставятся в соответствие характерным для исследуемой биологической ткани структурам, и указывается позиция источника излучения. Каждой структуре присваиваются (блок 7) табличные значения коэффициентов поглощения и рассеяния [8]. В зависимости от значения управляющего параметра A (блок 8) производится формирование либо файла геометрической модели (блок 9.1), либо файлов пространственных распределений оптических параметров (блок 9.2) в исследуемом биомедицинском объекте. Сформированные на предыдущем шаге (блоки 9.1 и 9.2) геометрическая модель или картограммы сохраняются (блок 10) и выполнение алгоритма на этом завершается (блок 11).
Результаты и обсуждение
Алгоритм по рис. 1 был практически реализован [8] в виде программного продукта c помощью среды LabVIEW. Рассмотрим результаты его работы на конкретном примере (рис. 2). В результате анализа томограмм у исследуемого биомедицинского объекта [9, 10] были выделены следующие основные структуры: кожные покровы, жировая ткань, кости черепа, спинномозговая жидкость, оболочки мозга, серое и белое вещество, а также опухоль. По этим структурам (рис. 2а) на основе справочной информации были сформированы геометрическая модель исследуемого объекта (рис. 2б), а также пространственные распределения коэффициентов поглощения (рис. 2в) и рассеяния (рис. 2г) в нём.
(а) (б) (в) (г)
Рис. 2 Томограмма головы человека (а), геометрическая модель (б) и распределения коэффициентов поглощения (в) и рассеяния (г)
При обработке исходного изображения (рис. 2а) количество полутонов снижено до 10, что позволило описать патологические отклонения в оптической структуре головы пациента с достоверностью 92%.
Заключение и благодарности
Таким образом, в результате проведённых исследований разработан алгоритм и создано программное обеспечение для моделирования оптической структуры биологических тканей, позволяющие описывать патологические отклонения с достоверностью >90%.
Представленные результаты получены в ходе исследований, финансируемых грантом РФФИ № 7-41-680932 р_а.
Литература
1. Dehghani H., Srinivasan S., Pogue B., Gibson A. Numerical modelling and image reconstruction in diffuse optical tomography // Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2009. Vol. 367. pp. 3073-3093.
2. Zimnyakov D.A., Tuchin V.V. Optical tomography of tissues // Quantum Electronics. 2002. Vol. 32. Is. 10. pp. 849-867.
3. Yamada Y., Okawa S. Diffuse optical tomography: Present status and its future // Optical Review. 2014. Vol. 21. Is. 3. pp. 185 - 205.
4. Chu M., Dehghani H. Image reconstruction in diffuse optical tomography based on simplified spherical harmonics approximation // Optics Express. 2009. Is. 26. pp. 24208 - 24223.
5. Мисюра В.В., Мисюра И.В. Обработка и фильтрация сигналов. Современное состояние проблемы // Инженерный вестник Дона. 2013. № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2130.
6. Потлов А.Ю. Алгоритм локализации областей патологических нарушений в оптической структуре биологических тканей посредством импульсной диффузионной оптической томографии // Инженерный вестник Дона. 2016. № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2016/3588.
7. 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. pp. 9-19.
8. Potlov A.Yu., Proskurin S.G., Frolov S.V. Three-dimensional representation of late arriving photons for the detection of inhomogeneous in diffuse optical tomography // Quantum Electronics. 2014. Vol. 44. № 2. pp. 174-181.
9. Proskurin S.G., Potlov A.Yu., Frolov S.V. Specific features of diffuse photon migration in highly scattering media with optical properties of biological tissues // Quantum Electronics. 2015. Vol. 45. № 6. pp. 540-546.
10. Potlov A. Yu., Proskurin S.G. Express inhomogeneity detection in turbid media // Proc. of International сonf. on Advanced Laser Technologies 2014, Cassis (Provence, France), 2014. P. 187.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Анатомические особенности шейных позвонков. Строение и кровоснабжение спинного мозга. Возможности методов визуализации в оценке структур позвоночника, их ограничение. Клиническое значение компьютерной томографии и магнитно-резонансной томографии.
дипломная работа [2,8 M], добавлен 25.08.2013Диагностические возможности рентгеновских методов исследования суставов и костей: рентгенографии, линейной и компьютерной томографии, артрографии, фистулографии. Принцип и назначение магнитно-резонансной томографии, сонографии, радионуклеидного метода.
презентация [580,7 K], добавлен 19.10.2014Сущность и значение метода магнитно-резонансной томографии, история его формирования и развития, оценка эффективности на современном этапе. Физическое обоснование данной методики, порядок и принципы построения изображений. Определение и выделение среза.
реферат [31,1 K], добавлен 24.06.2014История открытия физических основ магнитно-резонансной томографии. Метод послойного исследования органов и тканей человека. Регистрация и компьютерная обработка результатов. МРТ-диагностика головного мозга, сосудов, позвоночника. Частная патология в МРТ.
реферат [110,2 K], добавлен 03.07.2015Принципы осуществления позитронно-эмиссионной томографии. Самый распространённый радиофармпрепарат, используемый при ПЭТ. Характеристика аппаратуры для ее проведения. Показания к использованию. Отличие от компьютерной и магнитно-резонансной томографии.
презентация [457,5 K], добавлен 21.10.2013Определение контраста, интенсивность сигнала пиксела. Главные параметры, определяющие контраст в ЯМР-томографии. Спиновое эхо, кривые спада сигналов тканей мозга. Применение многоэховых последовательностей. Времена релаксации в зависимости от возраста.
реферат [1,3 M], добавлен 26.12.2013Методы оценки местоположения патологии с помощью компьютерной томографии сканирования. Понятие электрического импеданса, устройства измерения импеданса биологических тканей. Разработка алгоритма предварительной обработки снимков компьютерной томографии.
дипломная работа [5,0 M], добавлен 26.07.2017Наиболее распространенные заболевания желудка. Рентгенологические синдромы патологических процессов пищеварительного тракта. Подготовка больного к рентгену, ультразвуковому исследованию, компьютерной и магнитно-резонансной томографии органов пищеварения.
презентация [461,4 K], добавлен 13.04.2015Виды рентгенологических исследований. Алгоритм описания здоровых легких, примеры снимков лёгких при пневмонии. Принцип компьютерной томографии. Использование эндоскопии в медицине. Порядок проведения фиброгастродуоденоскопии, показания для её назначения.
презентация [1,3 M], добавлен 28.02.2016Компьютерная томография как метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта. Особенности компьютерной томографии головного мозга. Принцип работы компьютерного томографа. Причины назначения компьютерной томографии головного мозга.
контрольная работа [484,4 K], добавлен 21.06.2012Метод исследования пациента в условиях магнитного поля, который отражает распределение атомов водорода (протонов) в тканях. Преимущества и недостатки магнитно-резонансной томографии. Абсолютные противопоказания для проведения, контрастные вещества.
презентация [2,1 M], добавлен 07.04.2015Основы томографии и рентгенографии, история открытия метода исследования органов и тканей. Устройство рентгеновской установки, компьютерной и цифровой томографии, преимущества и недостатки методов. Области применения цифровых рентгенологических систем.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 16.06.2011Принцип получения ультразвукового изображения, способы его регистрации и архивирования. Симптомы патологических изменений при УЗИ. Методика УЗИ. Клиническое применение магнитно-резонансной томографии. Радионуклидная диагностика, регистрирующие устройства.
презентация [18,5 M], добавлен 08.09.2016История открытия и сущность ядерно-магнитного резонанса. Спин-спиновое взаимодействие. Понятие магнитно-резонансной томографии (МРТ). Контрастность изображения: протонная плотность, Т1- и Т2-взвешенность. Противопоказания и потенциальные опасности МРТ.
реферат [386,2 K], добавлен 11.06.2014Принцип действия позитронно-эмиссионной томографии. Основные радиофармпрепараты, использующиеся при проведении исследований. Применение компьютерной томографии в кардиологии для диагностики патологии коронарных сосудов. Способы ограничения доз облучения.
практическая работа [542,3 K], добавлен 13.09.2011Условия достижения эффекта томографии. Основные задачи и направления применения рентгенологического исследования - ангиографии, венографии и лимфографии. История открытия, принцип действия и преимущества использования метода компьютерной томографии.
реферат [156,8 K], добавлен 23.01.2011Диагностическое исследование головного и спинного мозга. Применение компьютерной и магнитно-резонансной томографии в неврологии. Развитие визуализирующих технологий в нейрорентгенологии. Проведение перфузионных исследований. Ангиография и миелография.
презентация [638,3 K], добавлен 06.09.2015Использование методов рентгенографии, компьютерной и магнитно-резонансной томографии в неврологии. Развитие визуализирующих технологий в нейрорентгенологии. Клиническое применение разных методов диффузионно-взвешенной и диффузионнотензорной МРТ.
презентация [650,6 K], добавлен 13.12.2011Патофизиология передней нестабильности в плечевом. Характеристика обследованных больных и методов исследования. Отработка методики КТ-исследования для оптимальной визуализации анатомических структур плечевого сустава. Возможности компьютерной томографии.
курсовая работа [4,6 M], добавлен 14.02.2016Методы диагностики патологии поджелудочной железы и двенадцатиперстной кишки. Показания к назначению ультразвукового исследования. Подготовка пациента к процедуре магнитно-резонансной томографии. Эндоскопическая ретроградная панкреатохолангиография.
презентация [2,1 M], добавлен 02.03.2013
