ИСТИНА

НИР направлена на решение фундаментальной проблемы разработки новых лазерных методов неинвазивной визуализации структуры биотканей, в том числе для диагностики злокачественных образований малого размера. Основная цель работы – создание макета комбинированной лазерно-ультразвуковой (ЛУ) и оптико-акустической (ОА) системы нового поколения для мониторинга мягких тканей человека с целью выявления новообразований на ранней стадии развития заболевания. В рамках проекта предлагается разработать теоретические основы и реализовать на практике диагностическую систему, совмещающую два относительно новых вида томографии биологических объектов, а именно: оптико-акустическую и и лазерно-ультразвуковую. В ОА томографии среда облучается импульсным лазерным излучением. В данном методе возбуждение акустических сигналов происходит на поглощающих неоднородностях (сосудах, тканях с различным составом и кровоснабжением, новообразованиях) внутри биоткани за счет поглощения импульсного лазерного излучения. Во втором методе – лазерно-ультразвуковом – зондирующие ультра-широкополосные ультразвуковые импульсы возбуждаются вне исследуемой среды в специальных оптико-акустических генераторах. За счет широкополосности зондирующих сигналов удается улучшить пространственное разрешение современных УЗИ систем при сохранении характерной частоты импульсов. Восстановление изображения распределения неоднородностей внутренней структуры объектов при работе с широкополосными сигналами имеет свои особенности и требует разработки новых алгоритмов решения обратных задач и совмещения ЛУ и ОА изображений. Такие алгоритмы будут отработаны в рамках выполнения проекта. В рамках выполнения проекта предполагается собрать экспериментальный образец комбинированного ОА и ЛУ томографа и провести его испытания на модельных объектах, а также медицинские испытания на биологических объектах in-vitro и in-vivo. Теоретические и экспериментальные исследования, которые предполагается провести в рамках выполнения проекта, имеют с одной стороны фундаментальную направленность, а с другой - чрезвычайно важны в современной медицине. Мы полагаем, что с помощью первого в мире комбинированного ОА и ЛУ томографа удастся получить комплексную информацию о распределении оптических и акустических неоднородностей в биотканях человека, что в свою очередь позволит улучшить ситуацию с ранней диагностикой новообразований.

Впервые теоретически рассмотрено приближенное решение прямой и обратной задач ультразвукового рассеяния в случае использования ультра широкополосных однополярных зондирующих импульсов. Для получения зондирующих ультразвуковых импульсов требуемой формы предложено использовать лазерное излучение наносекундной длительности. Прямая задача рассеяния – расчет сигналов, рассеянных на неоднородностях биоткани и зарегистрированных в дальней волновой зоне на каждом из приемников многоэлементной антенны, – решена на основе интеграла Релея, рассматривая рассеянное поле как совокупность сигналов, переизлучаемых элементарными объемами – вокселами. В расчете волновой фронт зондирующего ультразвукового пучка полагался плоским, а временной профиль импульсов – гауссовым. Решение обратной задачи лазерно-ультразвуковой (ЛУ) томографии выполнено с использованием модифицированного алгоритма обратных проекций, при этом детекторы рассматривались как точечные и располагались равномерно на задней полусфере. На основе развитого численного алгоритма решения прямой и обратной задач ЛУ томографии построено изображение однородного шара, куба и цилиндра, проанализированы основные артефакты восстановления. На основе решения трехмерной (3D) задачи ЛУ рассмотрен быстрый алгоритм, основанный на методе обратных проекций, для случая регистрации рассеянного поля на половине дуги окружности в некоторой выделенной плоскости (2D случай регистрации). На основе разработанных ранее алгоритмов проведено восстановление распределения тепловыделения в ОА варианте томографии для объектов простой формы (шар, куб, цилиндр) для двумерного и трехмерного вариантов томографии. Проведено сравнение и совмещение ОА (распределения тепловыделения) и ЛУ (распределение механических свойств – флуктуаций плотности и скорости звука) изображений На основе результатов моделирования и экспериментально получены функции передачи точки для ОА и ЛУ вариантов томографии. Экспериментальные исследования подтвердили справедливость предложенного подхода. Исследована зависимость пространственного разрешения антенны от ее апертурного угла. На основе эмпирических соотношений между акустическими свойствами биотканей предложен метод количественного восстановления распределения вариаций плотности и сжимаемости. Для улучшения разрешения в плоскости, перпендикулярной плоскости изображения, и совмещения ОА и ЛУ видов томографии предложено использовать двухсегментную линейную антенну фокусированных приемников. Проведена оптимизация геометрических параметров двухсегментной антенны для наилучшего согласования ОА и ЛУ изображений.