ТЕХНИКА ОПТИЧЕСКОЙ МЕДИЦИНСКОЙ ТОМОГРАФИИ

В.М. Подгаецкий, С.В. Селищев, С.А. Терещенко

Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
103498, Москва, Зеленоград, МИЭТ (532-99-63, bms@miee.ru)
http://www.miee.ru

Оптическая (лазерная) томография (ОТ) открывает принципиально новые возможности получения высокоразрешающих изображений микроструктуры биологических объектов. Основная цель применения ОТ состоит в неинвазивном получении высоко разрешенного изображения внутренних структур живых организмов с помощью неионизирующего светового излучения. Совершенствование методов ОТ стимулировало появление разнообразной специализированной лазерной аппаратуры и детекторов оптического излучения. Среди различных ОТ способов получения изображений можно выделить интерференционные, частотно-фазовые и импульсные методы. Они отличаются путями регистрации прошедшего (или отраженного) излучения, а также областями применения.

Интерферометрические методы используют в ОТ слабо рассеивающих сред (например, глазных тканей), для которых достаточно высока интенсивность когерентной компоненты прошедшего света. При этом осуществляется выделение когерентной компоненты рассеянного излучения с помощью различных схем интерферометров; источниками зондирующего излучения наряду с малогабаритными лазерами служат суперлюминесцентные ИК полупроводниковые диоды. Чувствительность метода зависит от селективности и направленности зондирующего лазерного излучения, для которого производится селекция фотонов с иной поляризацией и характером когерентности, чем у исходного пучка. Выделяемые фотоны при этом частично сохраняют характеристики исходного излучения даже после прохождения такого высоко рассеивающего объекта, как биологическая ткань.

Области применения двух других групп методов примерно одни и те же: различные типы сильнорассеивающих биологических тканей. Применение частотно-фазовых методов получения оптических изображений в сильнорассеивающей среде (СРС) основывается на представлениях о волнах плотности сильно рассеянных диффузных фотонов (ДФ). Эти волны имеют длину волны, много большую, чем у световых волн; при этом они сохраняют другие свойства обычных волн. Они отражаются, преломляются и интерферируют подобно обычным электромагнитным волнам; их рассеяние на внутренних структурах может быть зафиксировано на поверхности исследуемых объектов и таким образом использовано для построения томографических изображений этих структур. Частотно-фазовые методы измерений характеризуются высокой частотой модуляции зондирующего когерентного (или некогерентного) света, а значит, и рассеянного излучения.

Важное преимущество импульсных методов получения изображений внутренней структуры объектов, находящихся в СРС, состоит в возможности непосредственного получения данных о макроскопических параметрах среды, усредненных по всему объему оптически толстых образцов, к которым относятся реальные биологические объекты. В качестве источников зондирующего излучения обычно используются лазеры с импульсами ультракороткой (фемтосекундной и пикосекундной) длительности (УКИ). При получении изображения изучаемого объекта, погруженного в СРС, контраст изображения определяется различием оптических свойств среды и объекта, причем малое различие таких характеристик играет все же заметную роль из-за экспоненциального характера ослабления излучения в среде. Важно обеспечить достаточное временное разрешение фотодетектора и его способность принимать слабые оптические сигналы. Помимо различия показателей поглощения объекта и среды существенно различие скоростей движения фотонов в среде и объекте, зависящих от значений показателей преломления, что сказывается на временных характеристиках проходящего света.

При прохождении УКИ через СРС обращает на себя внимание различное поведение отдельных групп фотонов. Самые немногочисленные баллистические фотоны (БФ) движутся по прямой траектории, в то время как траектории для ДФ носят случайный характер. Ослабление излучения, соответствующего БФ, подчиняется экспоненциальному закону. Представляющие больший практический интерес мало изученные промежуточные фотоны (ПФ) движутся зигзагообразно вблизи прямой линии подобно БФ, но испытывая, как и ДФ, достаточно много актов рассеяния. Так как ПФ намного многочисленнее БФ, именно с ними можно надеяться добиться качества ОТ диагностики биотканей, подобного получаемому с помощью методов традиционной томографии.

Таким образом, при получении ОТ изображений в СРС важное значение приобретает выяснение условий селекции различного вида фотонов и в частности, определение соотношения БФ и рассеянных фотонов (РФ), тем более, что такого рода исследования немногочисленны. Для разделения вклада БФ и РФ необходима регистрация временного распределения прошедшего излучения, причем разделение возможно только в том случае, когда это распределение является бимодальным, т.е. состоящим из двух пиков - БФ и РФ. Положение пика БФ определяется временем прохождения светом расстояния от источника до детектора, количество БФ определяется законом экспоненциального ослабления, а их временное распределение повторяет форму импульса исходного излучения. Форма и положение пика РФ и его смещение относительно баллистического пика зависят от параметров СРС и характера миграции фотонов в среде. Количество же РФ можно определить на базе некоторой, принятой за исходную, математической модели описания прохождения излучения через СРС, в качестве которой нами использовалась нестационарная двухпотоковая модель описания прохождения излучения через однородные СРС [1].

Трудности раздельного наблюдения БФ и РФ можно объяснить следующим образом. При малой толщине среды, когда амплитуда баллистического пика ещё достаточно велика, смещение пика РФ по отношению к пику БФ незначительно, и оба пика сливаются в один. При большей толщине среды, когда расстояние между двумя пиками достаточно для их раздельного наблюдения, амплитуда пика БФ становится пренебрежимо малой, и снова остаётся только один пик РФ.

В результате теоретических исследований были найдены с учётом формы исходного лазерного УКИ зависимости максимальной длительности импульса tm, обеспечивающей одновременное наблюдение пиков БФ и РФ от коэффициентов рассеяния и поглощения среды [2]. Увеличение t m происходило при уменьшении и увеличении . Резкое возрастание значений tm происходило при <1 мм-1.

Разделение баллистического и рассеянного пиков было очень чувствительно к длительности исходного импульса. Условиями разделения пиков БФ и РФ являлись сравнимость их амплитуд и достаточное превышение баллистического пика над рассеянным сигналом в момент прихода баллистического импульса. Кроме того, необходимо достаточное (по отношению к полусумме их полуширин) смещение пиков относительно друг друга. Условия разделения пиков БФ и РФ очень чувствительны к длительности исходного импульса, а область разделения существует в узких диапазонах значений и произведения h, где h – толщина слоя СРС. Вне этих диапазонов разделения не происходит.

Расчет показал слабую зависимость результатов от варьирования величин в диапазоне от 0.01 мм-1 до 0.1 мм-1, если только не слишком мало. Оптимальные условия раздельного наблюдения различных видов фотонов, прошедших через СРС, с учетом особенностей регистрации прошедших УКИ (временное разрешение существующих приемников близко к 1 пс) соответствуют сравнительно большим значениям h (³ 2-5 см).

При выполнении экспериментов по осуществлении временной селекции излучения, обеспечивающей раздельное наблюдение пиков БФ и РФ был использован источник зондирующего излучения, состоящий из лазера на титанате сапфира и регенеративного усилителя (фирма Spectra Physics) со следующими параметрами: длина волны – 790 нм, энергия импульса – ~ 0,5 мДж, частота повторения – 10 Гц, длительность импульсов t~ 120фс [3]. Прошедшее через среду излучение регистрировалось электронно-оптической щелевой камерой (ЭОЩК) типа "Imacon" с линейной разверткой и предельным временным разрешением ~ 1,5 пс. Для осуществления временной привязки регистрируемого излучения в оптической схеме эксперимента было предусмотрено создание реперного импульса. В качестве модельной СРС использовался раствор молока в воде, помещаемый в стеклянную кювету переменной толщины (h = 2 ¸ 50 мм).

На опыте были подобраны концентрации раствора молока с коэффициентами экстинции m, соответствующими выбранной области. диапазона значений коэффициента экстинции m в области разделения пиков БФ и РФ для фиксированных значений h и t. Для них были получены временные профили прошедшего через кювету толщиной h=50 мм лазерного импульса для m= 0,14; 0,16; 0,18; 0,25 мм-1 соответственно. Для сравнения были подобраны теоретически рассчитанные профили временного распределения, наиболее близкие по форме к экспериментальным. При этом коэффициенты экстинкции соответственно оказались равными 0,16; 0,18; 0,20 и 0,27 мм-1. Аналогичная процедура нахождения области разделения баллистических и рассеянных пиков была осуществлена при заданных концентрациях раствора молока.

Полученные результаты показывали, что практическое наблюдение бимодального временного распределения излучения, прошедшего через СРС, может быть осуществлено только при определенных условиях эксперимента. Правильно подобранное сочетание характеристик исходного импульса, регистрирующей аппаратуры и рассеивающей среды позволяет надежно разрешать во времени различные виды фотонов. Некоторое количественное расхождение данных расчета и опытов может быть объяснено влиянием промежуточных фотонов, роль которых проявляется также в резкой анизотропии рассеяния вперед излучения лазерных УКИ, обнаруженной в [4].

В то время, как применение контрастирующих препаратов (КП), поглощающих рентгеновское и электромагнитное излучение, для увеличения отношения сигнал/шум при построении томографического изображения внутренних органов методами медицинской рентгеновской и ЯМР томографии, достаточно исследовано, аналогичная проблема для области оптических длин волн во многом остается открытой. Чтобы обеспечить избирательное контрастирование биотканей, для которого необходимо иметь преимущественное поглощение лазерного излучения в области новообразований по отношению к нормальным прилегающим тканям, актуален поиск соединений, обладающих набором необходимых свойств для применения в ОТ биологических СРС. Наряду с химическими веществами из класса порфиринов, способными преимущественно накапливаться в тканях злокачественных новообразований, ряд интересных возможностей улучшения качества видимого оптического изображения возникает при использовании флуоресцентных КП на основе полиметинов, нафталоцианинов и некоторых других красителей.

В настоящее время для области наибольшего пропускания (физиологического окна) биотканей - ближней ИК области спектра (l = 0,8-1,3 мкм) , к которой относится диапазон генерации широко распространенных в медицинской практике Nd-лазеров (l=1,06 мкм), остается нерешенной задача поиска высокостабильных абсорберов излучения с учетом требований по тропности и малой токсичности соединений, вводимых в биологические ткани, для которых особенно актуальна задача оптического контрастирования. В этой связи значительный интерес представляют имеющие наиболее сильные полосы поглощения в этой области спектра некомпланарные дифталоцианиновые красители на основе редкоземельных и переходных элементов. Сильная зависимость ближнего ИК поглощения этих веществ от природы центрального иона, а также от кислотности среды особо важна для практики, так как увеличивает возможности подбора оптического КП, имеющего поглощение на длине волны генерации конкретного лазера в широкой спектральной области 0,8-2,3 мкм.

Исследования возможности использования в качестве КП дифталоцианиновых красителей проводились с источником зондирующего излучения, представляющего собой стабилизированный лазер на АИГ:Nd с гибридной синхронизацией мод и пассивной внутрирезонаторной обратной связью [5]. Генерировался цуг из ~ 40 импульсов длительностью 10 пс с энергией одиночного импульса около 1 мДж. Нестабильность энергии таких импульсов не превышала 10%. Регистрация сигналов рассеянного вперед излучения производилась с помощью ЭОЩК с линейной разверткой и предельным временным разрешением ~ 1,5 пс.

Эксперименты проводились с двумя типами модельных СРС: водным раствором сухого молока и маргарином. Водно-молочный раствор заливался в прямоугольную стеклянную кювету (h= 20мм), на входное окно которой падал лазерный пучок Æ1-2 мм, ограниченный диафрагмой Æ3 мм. Внутри кюветы на определенном расстоянии от ее передней стенки располагался капилляр Æ2 мм с толщиной стенки 1 мм, заполненный контрастирующим раствором КП – продуктом одноэлектронного окисления дифталоцианина [Pc2Pr]+ в хлорбензоле. В процессе проведения опытов контрастирующий эффект проявлялся в уменьшении амплитуды импульса рассеянного излучения примерно в 2 раза при сохранении его длительности в случае введения красителя. Для капилляра с растворителем смещение на 13 мм вдоль оси лазерного пучка по отношению к передней стенки кюветы оказывало малое влияние на вид и амплитуду импульса. Контрастирующее действие красителя было выше при расположении капилляра в передней по отношению к пучку части кюветы, но все же достаточно выражено и при помещении капилляра в заднюю часть кюветы.

В опытах со второй модельной СРС - слоем маргарина толщиной 2 мм, центральный участок которого был окрашен тем же дифталоцианиновым КП, прошедший сигнал значительно изменял форму и амплитуду в окрашенной части слоя маргарина. В отличие от опытов с раствором КП, в рассматриваемом случае уменьшалось искажение изображения вследствие рассеяния света в стенках капилляра и жидкостном растворителе КП. Оптимальные условия контрастирования соответствовали области времени t= 65 пс после прихода излучения в приемник, т.е. области максимума рассеянного сигнала. Наблюдаемое увеличение контрастности в этом случае было двукратным. Оптическая плотность модельного образца СРС, как и в опытах с водно-молочным раствором, равнялась 8-10, что соответствовало толщине биологического объекта, равной нескольким см.

Описанные выше эксперименты показали перспективность использования дифталоцианиновых абсорберов для контрастирования оптических изображений в ближнего ИК области спектра. Помимо этого, по данным расчета, введение КП, селективно увеличивающих значение коэффициента поглощения и слабо меняющих рассеивающие свойства среды, позволяет увеличить долю БФ (и вероятно ПФ), что повышает возможности получения .качественного ОТ изображения биомедицинских объектов.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 00-02-16085).

Литература:
  1. В.М. Подгаецкий, С.В. Селищев, С.А. Терещенко. Модели распространения излучения в системах медицинской лазерной томографии. - Медицинская техника, 1999, N 6, c.3-11.
  2. В.М. Подгаецкий, С.А. Терещенко. Количественное определение условий разделения баллистических и рассеянных фотонов в лазерном ультракоротком импульсе, прошедшем через сильнорассеивающую среду. - ДАН, 1999, т.366, N 1, c.39-42.
  3. V.M. Podgaetsky, N.S. Vorob’ev, A.V. Smirnov, S.A. Tereshchenko. Bimodal temporal distribution of photons in ultrashort laser pulse passed through a turbid media. - Optics Communications, 2000, v.180, p.217-223.
  4. Н.С. Воробьев, В.М. Подгаецкий, А.В. Смирнов, С.А. Терещенко. Ослабление и рассеяние вперед лазерного излучения малой длительности в сильнорассеивающей среде. - Квантовая электроника, 1997, т.24, N 7, c.667-670.
  5. Н.С. Воробьев, В.М. Подгаецкий, А.В. Смирнов, С.А. Терещенко, Л.Г. Томилова. Улучшение оптического изображения объектов в сильнорассеивающей среде с помощью контрастирующих красителей. - Квантовая электроника, 1999, т.29, N 3, с.261-264.

Содержание конференции | Секция2