Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Эластография мягких биологических тканей и эндоскопические исследования с помощью оптической когерентной томографии. Монография.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический университет»
С. В. ФРОЛОВ, А. Ю. ПОТЛОВ,
С. В. СИНДЕЕВ, С. Г. ПРОСКУРИН
ЭЛАСТОГРАФИЯ МЯГКИХ
БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ И
ЭНДОСКОПИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
С ПОМОЩЬЮ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ
ТОМОГРАФИИ
Рекомендовано Научно-техническим советом университета
в качестве монографии
Научное электронное издание
Тамбов
♦ Издательство ФГБОУ ВО «ТГТУ» ♦
2017
1
УДК 57.089.2
ББК Р.с51
Э45
Р е ц е н з е н т ы :
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой
«Биомедицинская инженерия» ФГБОУ ВО «Юго-Западный
государственный университет»
Н. А. Кореневский
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой
«Мехатроника и технологические измерения»
ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет»
А. Г. Дивин
Э45 Эластография мягких биологических тканей и эндоскопиче-
ские исследования с помощью оптической когерентной томографии
[Электронный ресурс] : монография / С. В. Фролов, А. Ю. Потлов,
С. В. Синдеев, С. Г. Проскурин. – Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВО
«ТГТУ», 2017. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Системные
требования : ПК не ниже класса Pentium II ; CD-ROM-дисковод ;
34,2 Mb ; RAM ; Windows 95/98/XP ; мышь. – Загл. с экрана.
ISBN 978-5-82
Монография посвящена техническим аспектам и медицинским применениям эластографии мягких биологических тканей с помощью эндоскопической
оптической когерентной томографии. В первой главе рассматриваются вопросы, связанные с разработкой фантомов оптических и механических свойств
различных биообъектов, в том числе физическое моделирование стенок кровеносных сосудов, а также сложной структуры потока крови в этих сос
второй главе рассматриваются различные подходы к оценке механических
свойств мягких биологических тканей посредством оптической когерентной
томографии, в том числе методы оценки модуля Юнга и коэффициента Пуассона в компрессионной и динамической эластографии с внешним и внутренними
деформирующими воздействиями. Третья глава описывает методы и устройства эндоскопической оптической когерентной томографии зондами пр
бокового обзора.
Предназначена для студентов и специалистов в области биомедицинской
техники.
65-1834-2
удах. Во
ямого и
УДК 57.089.2
ББК Р.с51
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.
Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
ISBN 978-5-8265-1834-2
(проект № 16-15-10327).
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический
университет» (ФГБОУ ВО «ТГТУ»), 2017
2
ВВЕДЕНИЕ
Оптическая когерентная томография (ОКТ) – метод медицинской диагностики, сочетающий в себе относительно
небольшую глубину зондирования (до 2…2,5 мм) с очень высоким пространственным разрешением получаемых структурных изображений (единицы микрон). Эти технические характеристики, на первый взгляд, являются разочаровывающими, поскольку потребность в высококачественной визуализации в медицине огромна, но практически все жизненно
важные орг
вать. Классическая ОКТ нашла свое основное применение
в офтальмологии, так как являются единственным вариантом неинвазивной диагностики поперечной структуры сет-
аны с такой глубиной зондирования не обследо-
3
чатки in vivo с высоким пространственным разрешением. Для
диагностики многих офтальмологических заболеваний ОКТ
практически незаменима. Также известны некоторые ограниченные применения этого метода медицинской визуализации
в дерматологии.
Однако, огромный потенциал ОКТ может быть раскрыт за
счет ее сочетания с эндоскопией. Области применения объединенного метода – эндоскопической ОКТ – это диагностика
многих систем и практ
ически всех полых органов и трактов организма: сердечно-сосудистой системы, желудочнокишечного тракта, дыхательных путей, мочеполовой системы,
слуховых каналов, зубов, полости рта и т.п. Например, только
к вариантам использования эндоскопической ОКТ при оценке
состояния сердечно-сосудистой системы можно отнести такие
важные медицинские процедуры, как диагностику атеросклеротических поражений стенок кровеносных сосудов, контроль
над ротационной атерэктомией (очищение ст
енок сосудов от
атеросклеротических отложений) и оценку правильности установки стента.
Дополнительно расширить диагностическую эффективность метода ОКТ, в том числе его эндоскопической модификации, можно за счет сочетания с эластографией. Оценка и
визуализация пространственных распределений механических
свойств биологических тканей в первую очередь важна в онкологии, та
к как позволяет находить и визуализировать уплотнения в недоступных для пальпации частях организма.
Возможны офтальмологические применения для прогнозирования эффективности операций на роговице и хрусталике.
Оптическая когерентная эластография (ОКЭ) также целесообразна в дерматологии, поскольку позволяет определить наиболее подходящий вариант лечения кожных заболеваний.
4
Разрабатываемые технические решения могут быть полезны
при диагностике эластичности кровеносных сосудов, дыхательных путей и во многих других сферах медицины.
Монография посвящена анализу мирового уровня и описанию авторских достижений в эластографии мягких биологических тканей и эндоскопии на основе ОКТ. Структурно
монография состоит из трех глав. Первая глава раскрывает
вопросы, св
язанные с моделированием оптических и механических свойств мягких биологических тканей, а также потоков биологических жидкостей со сложной гидродинамической структурой. Фантомы мягких биологических тканей незаменимы при разработке и тестировании методов эндоскопической ОКТ и ОКЭ, поэтому материал логически представляется первым. Вторая глава описывает методы и устройства
для квазистатической и динамическ
ой ОКЭ, а также анализирует возможные варианты обработки и последующего использования получаемых при этом диагностических данных.
Детально рассматриваются подходы к оказанию внешнего и
внутреннего деформирующего воздействия на исследуемую
биологическую ткань. Третья глава посвящена эндоскопическим приложениям в ОКТ. Подробно рассматриваются конструкция и принцип действия экспериментальных устан
овок
временной и спектральной эндоскопической ОКТ, схемы эндоскопических зондов прямого и бокового обзора, методы
повышения качества получаемых структурных изображений.
Описаны возможные варианты допплеровского картирования
и мультимодальной диагностики в эндоскопической ОКТ,
а также сферы их практического применения.
Монография написана простым, доступным языком и
способствует формированию у целевой аудитории следующих компетенций:
5
− способность владеть основными приемами обработки и
представления экспериментальных данных;
− готовность к участию в проведении медико-биологи-
ческих, экологических и научно-технических исследований с
применением технических средств, информационных технологий и методов обработки результатов;
− способность проводить поверку, наладку и регулировку
оборудования и настройку программных средств, используемых для разработки, производства и настройки биомедицинской и экологической техники;
− способность владеть средствами эксплуатации меди-
цинских баз данных, экспертных и мониторинговых систем.
6
1. ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
≤
=
η
Ω
Ω
r
r
zyx
μ
E
ДЛЯ ЭЛАСТОГРАФИИ И ЭНДОСКОПИЧЕСКИХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
С точки зрения биомеханики, мягкие биологические ткани
представляют собой нелинейные упругие среды. Тем не менее, в
ряде случаев, например, когда деформирующие силы вызывают
малые изгибания
средами с линейными свойствами. Например, применительно к
ОКТ [1 – 7], биологические ткани целесообразно представлять
как линейную изотропную псевдо-несжимаемую среду (коэффициент Пуассона
упругости для расчета квазистатического деформирования для
внутренних узлов моделируемой области
щим образом:
а то же уравнение для узлов на границе
представляется как:
где
– внешний единичный вектор, направленный к границе
n
Ω∂
; h – параметр, характеризующий растяжение на поверхности
и границе моделируемой области;
вектора смещения по координатным осям
системе координат;
метр Ламе.
Для изотропной среды первый и второй параметры Ламе связаны с модулем Юнга
щим образом:
=μ
, мягкие ткани все же можно считать
%)8(
495,0
). При этом основное уравнение теории
выглядит следую-
2
,0)()(
=∇μ+∇∇μ+ϑ uu
∂
исследуемой области
2
,))()((
hnuu =⋅∇μ+∇∇μ+ϑ
– компоненты
),,(
uuuu =
321
,, в Декартовой
– первый параметр Ламе; ϑ – второй пара-
и коэффициентом Пуассона η следую-
E
и
)1(2 η+
η=ϑE
.
)21)(1( η−η+
7
Таким образом, моделируемый объект считается свободным
от начальных деформаций и воздействия внутренних деформирующих сил (например, таких как, сокращения мышц).
С точки зрения оптики, мягкие биологические ткани представляют собой сильно рассеивающие среды (коэффициент рас-
сеяния
s
том поглощения (
пией (
400...2,0=μ
см–1), с достаточно высоким коэффициен-
5...02,0=μ
a
) и средним относительным показателем пре-
95,0...9,0=g
см–1), ярко выраженной анизотро-
ломления выше, чем у воздуха (
≈ 1,4). При этом коэф-
ν
object
фициенты рассеяния и поглощения для конкретной биологической ткани не являются константами даже для узкого диапазона
длин волн (вышеприведенные
и
μ
s
справедливы только для
μ
a
видимого и ближнего ИК диапазонов), а, напротив, существенно
варьируются на ее структурных компонентах (клеточных
органеллах, клетках, надклеточных образованиях и т.п.), отличающихся при этом формой, размерами и местоположением
[1, 3, 8 – 11].
Для большинства биологических тканей в терапевтических
окнах прозрачности NIR I (700…900 нм) и NIR II (1000…1400 нм)
рассеяние преобладает над поглощением. Вне этих окон глубин
а
проникновения ИК излучения ограничена поглощением воды и
(или) поглощением хромофорами (гемоглобин, меланин и т.п.).
Рассеяние света в биологических тканях главным образом обусловлено неоднородностью их структуры [12].
Основным инструментом описания процесса распространения оптического излучения в толще сильно рассеивающих сред,
таких как биологические ткани, является уравнение переноса
излучения (УПИ). Он
о представляет собой интегро-дифференциальное уравнение баланса энергии в среде, содержащей
частицы. Главная проблема заключается в том, что УПИ в общем виде не имеет аналитического решения, так как рассеяние
фотонов носит случайных характер. В связи с этим, для описа-
8
ния распространения оптического излучения в биологических
Ω
=
Ω
zyx
Ω
Ω
∂
zyx
zyx
φ
zyx
тканях используются различные приближенные модели переноса
излучения, в соответствии с которыми ключевым фактором ослабления света является либо процесс поглощения, либо процесс
рассеяния. Чаще всего используются диффузионное приближение к УПИ.
Важно отметить, что в рамках диффузионного приближения
к УПИ возможно несколько различных подходов к моделированию. В частности, фотонная плотность может быть представлена
как функция от координаты и вр
емени (time domain case), и как
функция от координаты и частоты (frequency domain case). В первом случае диффузионное приближение к УПИ имеет следующий
вид [1 – 5]:
где
φ
1
c
=сс
ν
),,,(∂
tzyx
∂
t
0
– скорость света в среде;
object
2
=φμ+φ−
),,,(),,(),,,(∇),,(
tzyxzyxtzyxzyxD
a
,∈,,∀),,,,(
zyxtzyxI
с
– скорость света
0
ν
в вакууме;
моделируемого биомедицинского объекта (
Ω∂
(
);
,, – координаты всех точек конечной моделируемой
– относительный коэффициент преломления
object
) и его границы
области, включающей в себя внутреннюю часть моделируемого биомедицинского объекта
излучения (
q ), детекторы и окружающую биообъект среду;
, его границу
, источник
),,( zyxD – коэффициент диффузии в точках с координатами
,,
натами
натами
μ
;
a
),,( zyx
– коэффициент поглощения в точках с коорди-
,, ; ),,,( tzyx
в момент времени t ;
,,
– фотонная плотность в точке с коорди-
– функция источ-
),,,( tzyxI
ника фотонов.
9
При этом
[
zyx
g
)))
)
)
)
где
{}
μ
,, ;
s
),,( zyx
– коэффициент рассеяния в точках с координатами
– параметр анизотропии (средний косинус угла рас-
()
μ−+μ= zyxzyxgzyxzyxD
sa
1−
]
,),,(),,(1),,(3),,(
сеяния).
Во втором случае (frequency domain case) диффузионное при-
ближение к УПИ принимает следующий вид:
1
c
2
a
,∈,,∀),,,,( Ωω= zyxzyxI
=ωφμ+ωφ−ωφω ),,,(),,(),,,(∇),,(),,,(
zyxzyxzyxzyxDzyxj
где j – мнимая единица; ω – частота амплитудной модуляции
),,,( ωφ zyx
зондирующего излучения;
– комплексная фотонная
плотность;
фотонов.
),,,( ωzyxI
– комплексная функция источников
Уравнения временной и частотной областей связаны преобразованием Фурье, и поэтому с теоретической точки зрения являются равнозначными по информативности, т.е. разрешенная по
времени полезная информация, полученная для всех моментов
времени, эквивалентна разрешенной по частоте полезной информации, полученной для всех частот. Но, на практике чаще всего
используется диффузионное приближение к УПИ во вр
области. При этом вид
заслуживает отдельного рас-
),,,( tzyxI
еменной
смотрения [4, 8, 9].
В работах выводится решение УПИ во временной области
для объектов с простейшей геометрией, таких как, например, бесконечная однородная среда. Для этого объекта:
,
),,,(),,,(
tzyxtzyxI δ=
00000000
где δ – дельта-функция, т.е. источник излучения представляется
как бесконечно короткий импульс.
10