СПОСОБ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ Российский патент 2007 года по МПК A61B5/05 G01N21/47 G02B27/48 

Изобретение относится к области биомедицинских диагностических технологий, в частности к созданию оптических томографов, позволяющих неинвазивно определять пространственные неоднородности в сильнорассеивающих тканях человека или животных.

Известен оптический томограф, в котором объемную ткань просвечивают (зондируют) лазерными импульсами определенной длительности (пико- или наносекундной длительности) с длиной волны, соответствующей в спектральной области слабому поглощению исследуемого объекта, и сравнивают форму и амплитуду входного и прошедшего рассеивающую среду оптических импульсов, определяют параметры неоднородности по уширению продетектированных оптических импульсов и изменению их амплитуды, а при пространственном сканировании лазерного пучка производится диагностика локальных оптических макронеоднородностей (см. Patterson M.S., Chance В., Wilson B.C. Time-resolved reflectance and transmittance for the non-invasive measurement of tissue optical properties. Appl.Opt., 1989, V.28, P.2331-2336).

Однако при зондировании сильнорассеивающих объемных сред пикосекундными лазерными импульсами на толщинах несколько сантиметров уровень сигнала может уменьшиться на 40-60 дБ, а уширение импульса может достигать несколько наносекунд, при этом для детектирования оптических импульсов используются сверхскоростные фотоприемники типа лавинных фотодиодов, обладающие малой чувствительностью, а для анализа формы продетектированных оптических импульсов используются скоростные осциллографы, которые также обладают малой чувствительностью.

Более перспективным для экспериментальной реализации является создание оптических томографов на основе амплитудно-фазового способа, при котором зондирование происходит с помощью непрерывного лазерного излучения, интенсивность которого промодулирована по гармоническому закону в диапазоне частот, соизмеримых с обратным временем уширения лазерных импульсов в рассеивающих зондируемых средах, то есть в характерном диапазоне частот сотни МГц - единицы ГГц (см. Medical optical tomography: functional imaging and monitoring/ Eds G.Muller, B.Chance, R.Alfano et al. SPIE, 1993, V.IS11; Акчурин Г.Г., Зимняков Д.А., Тучин В.В. Оптоэлектронный модуль для лазерной СВЧ модуляционной спектроскопии и томографии биотканей. Биомедицинская радиоэлектроника, 2000, №1, с.46-53).

При распространении таких амплитудно-модулированных лазерных пучков в рассеивающей среде формируются волны фотонной плотности, длина волны которых может быть соизмерима с характерными размерами макронеоднородностей в зондируемых биотканях (см. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. М.: Мир, 1981. 320 с.; Кузмин В.Л., Романов В.П. // УФН 1996. Т.166. №3. С.246-258).

Однако при практической реализации нестационарных лазерных методов возникают экспериментальные трудности, связанные с недостаточной чувствительностью детектирующих фотоприемников типа быстродействующих фотодиодов, а чувствительные ФЭУ не обладают достаточным быстродействием.

Оба эти метода встречают серьезные технические трудности при зондировании тонких и слаборассеивающих сред, так как фазовые задержки рассеянных волн составляют пико или фемто-секундную длительность.

Для диагностики параметров статистически неоднородных сред с оптическими макронеоднородностями был предложен корреляционный метод (см. Zimnyakov D.A. // Waves in Random Media. 2000, V.10, P.417-423). При прохождении лазерного излучения через объемные оптически неоднородные рассеивающие среды в результате когерентных интерференционных эффектов рассеянных полей возникает определенная спекл-структура рассеянного оптического излучения. Такие спекл-технологии позволяют из анализа пространственной корреляционной функции флуктуации интенсивности рассеянных оптических полей извлекать информацию о радиусе поперечной корреляции (среднем размере спеклов), а при пространственном сканировании зондирующего лазерного пучка определять макронеоднородности. Однако, как показали эксперименты, такой спекл-корреляционный способ имеет ограниченные возможности к применению для сильнорассеивающих биотканей вследствие эффекта насыщения среднего размера спеклов уже на толщинах менее миллиметра (практически неизменным размером спеклов от толщины или кратности рассеяния при наличие неоднородности).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ зондирования рассеивающих сред оптическим излучением с управляемой длиной когерентности. Управление длиной когерентности оптических излучателей осуществляется при использовании, например, лазерных диодов, работающих в допороговом режиме и вблизи его, при возбуждении многих продольных мод (см. Зимняков Д.А., Янг-Те О., Синичкин Ю.П., Акчурин Г.Г., Трифонов В.А. // Опт. и спектр., 2004, Т.97, №2, с.288-293.) Длина когерентности в таких излучателях могла регулироваться от десятков микрон до миллиметров изменением тока инжекции, сохраняя при этом максимальную пространственную когерентность. Информационным сигналом является изменение контрастности спекл-структур, которая определяется из корреляционных функций флуктуаций интенсивности при изменении длины когерентности. При этом максимальное изменение контрастности наблюдается для рассеивающих сред, в которых эффективные фазовые задержки рассеянных волн соизмеримы со временем когерентности зондирующего излучения (средние значения разности хода интерферирующих парциальных составляющих рассеянного поля сравнимы с длиной когерентности излучателя).

Однако при практической реализации данного способа возникают технические трудности, связанные с малым диапазоном изменения длины когерентности зондирующего излучения и, соответственно, глубины зондирования (способ эффективен для диагностики только сильнорассеивающих тканей толщиной не более нескольких миллиметров).

Задачей изобретения является расширение возможности зондирования по толщине объекта или глубине зондирования биоткани, а также по степени рассеяния при диагностике пространственных оптических неоднородностей в рассеивающих объемных средах или биотканях.

Поставленная задача решается тем, что в способе оптической томографии, включающем пространственное сканирование зондирующим лазерным пучком исследуемого объекта, детектирование рассеянного оптического спекл-поля и определение оптической неоднородности, согласно решению перестраивают частоту лазерного излучения, например по пилообразному закону, в каждой пространственной точке зондирования с заданной девиацией частоты, обратно пропорциональной величине временной задержки в рассевающей среде, и для каждого значения частоты фиксируют поперечное распределение интенсивности рассеянного оптического спекл-поля, вычисляют его коэффициент двумерной корреляции от девиации частоты излучения лазера и определяют оптическую неоднородность.

Изобретение поясняется чертежами, на фиг.1 - блок схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг.2 представлены экспериментальные результаты по изменению коэффициента корреляции поперечного распределения интенсивности рассеянного спекл-поля от изменения частоты для различной толщины тестового образца из фторопласта; на фиг.3 - реально наблюдаемое поперечное распределения интенсивности излучения, прошедшего лазерного излучения через тестовую сильнорассеивающую пластину толщиной 10 мм для фиксированного значения зондирующей лазерной частоты, которое детектируется видеокамерой; на фиг.4 - поперечное распределения интенсивности рассеянного излучения для другого значения частоты лазера, отличающееся на величину девиации 10 ГГц; на фиг.5 - разностная двумерная спекл-картина фиг.3 и фиг.4; на фиг.6 представлена зондируемая сильнорассеивающая структура из фторопласта с внутренней ступенчатой граничной поверхностью, с переменной толщиной от 5 до 20 миллиметров; на фиг.7 - зависимость изменения двумерного коэффициента корреляции от поперечной координаты для различных значений девиации частоты (1-0.1 ГГц; 2-2 ГГц; 3-10 ГГц) при зондировании структуры, изображенной на фиг.6.

Способ поясняется чертежом, представленным на фиг.1, где:

1 - полупроводниковый инжекционный лазер с перестройкой частоты по пилообразному закону с величиной девиации Δν, вызванной изменением тока инжекции;

2 - система двухкоординатного пространственного сканирования лазерного пучка;

3 - исследуемый объемный оптически неоднородный объект или биоткань;

4 - цифровая ПЗС видеокамера, регистрирующая поперечное распределение интенсивности прошедшего исследуемый объект (3) рассеянного лазерного излучения;

5 - дифракционный спектрометр типа ДФС или интерферометр Фабри-Перо для измерения частотного сдвига Δν излучения лазера;

6 - персональный компьютер;

В - толщина образца 5 мм;

С - толщина образца 10 мм;

D - толщина образца 20 мм.

Способ осуществляется следующим образом. В выходном пучке излучения одночастотного лазера (полупроводникового инжекционного лазерного диода 1) частота генерации перестраивается, например, по пилообразному закону с помощью генератора 5 при определенном значением девиации частоты, измеряемой с помощью дифракционного спектрометра или интерферометра типа Фабри-Перо 6, при фиксированном пространственном направлении зондирующего лазерного пучка, определяемом оптоэлектронной системой двухкоординатного поперечного сканера 2, зондирующее излучение направляется на исследуемый оптически неоднородный объект (биоткань) 3, прошедшее рассеянное лазерное излучение, представляющее собой спекл-поле, детектируется с помощью фоточувствительной ПЗС видеоматрицы цифровой видеокамеры 4, полученная последовательность двумерных электронных изображений, пропорциональных поперечному распределению интенсивности рассеянного оптического излучения, фиксируется в компьютере 7, вычисляется коэффициент двумерной корреляции поперечного распределения интенсивности рассеянного спекл-поля от частоты излучения лазера, затем изменяется пространственное положение зондирующего входного лазерного пучка относительно объекта и процедура измерения повторяется.

В основе предлагаемого метода оптической томографии лежит спекл-фотохромный эффект (Акчурин Г.Г., Акчурин А.Г. Письма в ЖТФ, 2004, Т.30, вып.24, с.56-62), заключающийся в динамике спеклов рассеянного излучения при изменении частоты зондирующего лазерного излучения. При зондировании объемных оптически неоднородных сред в рассеянном оптическом поле вследствие явления интерференции волн возникает определенное спекл-поле, которое детектируется, например, видеоматрицей фотоприемников видеокамеры. Обнаружено, если девиация частоты зондирующего излучения изменяется на величину, соизмеримую с обратным временем средних фазовых задержек рассеянных волн, то коэффициент корреляции интенсивности спекл-поля уменьшается в два раза.

В соответствии с формулой изобретения величина девиации частоты зондирующего лазера с перестраиваемой частотой должна быть соизмерима с величиной, обратно пропорциональной величине эффективных временных задержек рассеянных волн в зондируемой объемной оптически неоднородной среде. Величину девиации частоты и, соответственно, величину эффективных временных задержек возможно определить из соотношений, полученных в оптике рассеивающих сред (Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. М.: Мир,1981. 320 с.; Optical Biomedical Diagnostics.Handbook /ed. V.V.Tuchin. SPIE Press monography V. PM. 107.2003. 1200р.).

В оптике рассеивающих сред известно, что при зондировании поглощающих и рассеивающих сред ослабление пучка с падающей интенсивностью I₀ в условиях однократного рассеяния приближенно описывается с помощью соотношения

μ_d=μ_a+μ_s - коэффициент экстинкции, см^-1;

μ_а - коэффициент поглощения, см^-1;

μ_s - коэффициент рассеяния, см^-1.

Средняя величина свободного пробега однократно рассеянного фотона в среде определяется соотношением

В биотканях, которые обычно обладают сильной анизотропией, вводится понятие средней транспортной длины пробега фотона

где μ_s ^'=μ_s(1-g) - транспортный коэффициент рассеивания;

g - параметр анизотропии (средний косинус угла рассеивания); g=0 соответствует изотропному рассеиванию; g=1 полное рассеивание вперед (рассеяние Ми на частицах много больших длины волны).

Приближенно учет многократного рассеяния отражается в модернизации соотношения (1) в виде

Типичное значение параметра, учитывающего кратность рассеяния для биотканей, соответствует диапазону от 1 до 5, при этом глубина проникновения зондирующего света определяется соотношением

Таким образом, в предлагаемом способе при зондировании оптически неоднородных сред оптимальная величина девиации частоты лазера приближенно выбирается из соотношения

где с - скорость света в воздухе;

n - средний относительный показатель преломления зондируемой среды.

Более точно величину эффективных временных задержек рассеянных волн (средние значения разности хода интерферирующих парциальных составляющих рассеянного поля) возможно оценить лишь с помощью статистических численных методов (Зимняков Д.А., Янг-Те О., Синичкин Ю.П., Акчурин Г.Г., Трифонов В.А. // Опт. и спектр. 2004. Т.97. №2. С.288).

При практическом использовании предлагаемого способа величину девиации частоты зондирующего лазера можно выбрать из соотношения (6), если известна средняя транспортная длина пробега фотона для зондируемой объемной среды (3).

Если относительно зондируемой среды не известны параметры рассеяния и поглощения, то необходимо применять зондирование с максимально возможной величиной перестройки частоты для используемого лазера, а в ходе последующей обработки рассеянных спекл-полей и вычисления изменения коэффициента корреляции от перестройки частоты для каждой поперечной точки станет возможным оптимизировать диапазон девиации частоты, при котором реализуется максимальная чувствительность к объемной оптической неоднородности.

Методика эксперимента по наблюдению динамики спеклов заключается в фиксации последовательных поперечных распределений интенсивности рассеянного спекл-поля, измеренных при перестройке частоты излучения лазера и определении двумерного коэффициента корреляции поперечного распределения интенсивности рассеянного спекл-поля, при этом для тонких и малократно рассеивающих структур требуется значительный диапазон изменения частоты в терагерцовой области, а для толстых и сильнорассеивающих - в гигагерцовой.

Экспериментально данный способ был апробирован на тестовых сильнорассеивающих структурах типа фторопласта толщиной от десятков микрон до 2-х сантиметров. Частота излучения одночастотного лазера может перестраиваться на величину ширины линии излучения. Если для газовых лазеров, например для He-Ne (λ=633 нм), она составляет ˜1.5 ГГц, то для полупроводниковых или твердотельных лазеров ширина линии излучения и, соответственно, диапазон перестройки частоты может достигать сотен ГГц до десятка терагерц и, соответственно, возможно зондирование очень слаборассеивающих структур с фемто- и пикосекундными задержками рассеянных волн, до нановременных задержек в сильнорассеивающих толстых структурах. Нами в экспериментах использовались полупроводниковый квантово-размерный лазерный диод (λ=650 нм) с перестройкой частоты изменением тока инжекции в пределах десятков и сотен ГГц и твердотельный микролазер YAG:Nd лазер с диодной накачкой и генератором второй гармоники с длиной волны λ=532 нм и диапазоном перестройки частоты порядка 80 ГГц, вызванным изменением длины резонатора. В настоящее время фирма "Toptics" Германия производит одночастотные полупроводниковые лазеры со сканируемой частотой в диапазоне десятков ГГц при пилообразном изменении тока инжекции, которые имеют выходную мощность 80 мВт.

Экспериментально данный способ был апробирован на тестовых сильнорассеивающих структурах типа фторопласта толщиной от десятков микрон до 2-х сантиметров. Диагностические возможности предлагаемого способа показаны на фиг.7, где представлена одна из экспериментальных реализаций изменения двумерного коэффициента корреляции при поперечном сканировании лазерного пучка для различных величин девиации частоты. При величине девиации, равной 100 МГц (фиг.7. кривая 1), изменение коэффициент корреляции от поперечной координаты практически не происходит, но уже при величине девиации в 2 ГГц (фиг.7. кривая 2) изменение коэффициента корреляции позволяет однозначно идентифицировать различную толщину зондируемой структуры (фиг.6). Чувствительность метода зависит от величины девиации частоты (сравнение кривой 2 и кривой 3 на фиг.7, для которой величина девиации достигает 10 ГГц).

По сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет действительно увеличить глубину зондирования. Если в прототипе глубина зондирования сильнорассеивающих сред и биотканей не превышает несколько миллиметров, то в предлагаемом способе глубина зондирования составляет не менее 2-х сантиметров при уровне оптической мощности не более милливатта. В прототипе при зондировании рассеивающих сред оптическим излучением с управляемой когерентностью используется суперлюминесцентный светодиод или полупроводниковый лазер в допороговом режиме генерации. Максимальная оптическая мощность суперлюминесцентных светодиодов или лазеров до и вблизи порога не превышает одного милливатта, в то время как существующие в настоящее время одночастотные полупроводниковые лазеры со сканируемой частотой в диапазоне десятков ГГц при изменении тока инжекции имеют выходную мощность 80 мВт (например, фирма "Toptics", Германия), которые могут быть положены в основу предлагаемого способа.

Глубина зондирования лазерным излучением зависит от коэффициента поглощения биоткани, поэтому для увеличения динамического диапазона по глубине длина волны лазера выбирается из соображений минимального поглощения. В оптике биотканей известно (Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. Саратов, СГУ.1998), что "окно прозрачности" лежит в ближнем ИК диапазоне от 0.7 до 1.5 микрон, что и должно определять выбор длины волны зондирующего лазера. Кроме того, такой одночастотный лазер должен обладать широким диапазоном перестройки частоты и для конкретной реализации этих требований наиболее подходят недорогие инжекционные полупроводниковые лазеры.

Изобретение относится к области биомедицинских диагностических технологий, в частности к созданию оптических томографов, позволяющих неинвазивно определять пространственные неоднородности в сильнорассеивающих тканях человека или животных. Способ оптической томографии включает пространственное сканирование зондирующим лазерным пучком исследуемого объекта, детектирование рассеянного оптического спекл-поля и определение оптической неоднородности, при этом перестраивают частоту лазерного излучения в каждой пространственной точке зондирования с заданной девиацией частоты, обратно пропорциональной величине временной задержки в рассевающей среде, и для каждого значения частоты фиксируют поперечное распределение интенсивности рассеянного оптического спекл-поля, вычисляют его коэффициент двумерной корреляции от девиации частоты излучения лазера и определяют оптическую неоднородность. Изобретение позволяет расширить возможности зондирования по глубине биоткани. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ оптической томографии, включающий пространственное сканирование зондирующим лазерным пучком исследуемого объекта, детектирование рассеянного оптического спекл-поля и определение оптической неоднородности, отличающийся тем, что перестраивают частоту лазерного излучения в каждой пространственной точке зондирования с заданной девиацией частоты, обратно пропорциональной величине временной задержки в рассевающей среде, и для каждого значения частоты фиксируют поперечное распределение интенсивности рассеянного оптического спекл-поля, вычисляют его коэффициент двумерной корреляции от девиации частоты излучения лазера и определяют оптическую неоднородность.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перестраивают частоту лазерного излучения по пилообразному закону.