Унікальний пристрій сконструювали фізики з міжнародного. Унікальний прилад

Лазерна томографія як метод діагностики захворювань

Томографія (грец. tomos шар, шматок + graphiō писати, зображати) - метод неруйнівного пошарового дослідження внутрішньої структури об'єкта за допомогою багаторазового його просвічування в різних напрямках, що перетинаються (так зване скануюче просвічування).

γ-квант511 keV	томографія

Види томографії

Сьогодні органи всередині тіла діагностують, в основному, рентгенівським (СТ), магнітно-резонансним (МРТ) та ультразвуковим (УЗТ) методами. Ці методи мають високу просторову роздільну здатність, даючи точну структурну інформацію. Однак вони мають один загальний недолік: не можуть визначити чи є певна пляма пухлиною, і якщо так, то чи злоякісна вона. До того ж, рентгенівську томографію не можна застосовувати раніше 30 років.

MULTIMODALITY! Сполучене використання різних методів - один з гарною просторовою роздільною здатністю

Електронно-променева CT-5-е покоління

Фронтальна CT (ліворуч), PET (центр) та Сполучена PET/CT

(праворуч), показує розподіл позитронів, що випускаються 18 F-фтордіоксидглюкозою, накладене на CT

Лазерна Оптична Томографія

Оптичні, і насамперед, інтерференційні виміри, внесли значний внесок у розвиток фізичної та інструментальної оптики, а також у вдосконалення вимірювальної техніки та метрології. Ці вимірювання мають виключно високу точність у широкому діапазоні вимірюваних величин, завдяки використанню в них як міра довжини хвилі світла і технічно просто відтворюваної в лабораторних та виробничих умовах. Використання лазерів не тільки забезпечило нові функціональні та метрологічні можливості оптичної інтерферометрії, а й призвело до розвитку принципово нових методів інтерференційних вимірювань, таких як інтерферометрії з використанням низькокогерентного оптичного випромінювання, що забезпечує формування інтерференційного сигналу тільки при малих різницях ходу.

Низькокогерентні інтерференційні системи працюють у режимі так званого кореляційного радара, що визначає відстань до мети по положенню імпульсу кореляційного сигналу, яким в інтерферометрі служить інтерференційний сигнал. Чим менша довжина когерентності (кореляції), тим менша тривалість кореляційного імпульсу і точніше визначається відстань до мети, інакше кажучи – вище просторове дозвіл радара. Досяжні значення довжини когерентності оптичного випромінювання одиниці мікрометрів, відповідно, забезпечують мікронне дозвіл оптичного радара. Особливо широке практичне застосування оптичні інтерференційні радари знайшли у біомедичній діагностичній техніці (оптичні томографи) контролю параметрів внутрішньої структури біологічної тканини.

Люмінесцентна оптичнатомографія - одна з варіацій цієї ідеї. Світло, відбите від пухлини (Рис.1.11а ), відрізняється від світла, відбитого нормальної тканиною, також різняться люмінесцентні характеристики (Рис.1.11б) через відмінностей у ступеня оксигенації. Для зниження помилково-негативних діагнозів ІЧ лазер через зонд опромінює пухлину, і потім реєструється відбите від пухлини випромінювання.

Оптико-акустичнатомографія використовує відмінність у поглинанні коротких лазерних імпульсів тканинами, подальшому їх нагріванні вкрай швидкому терморозширенні, для отримання ультразвукових хвиль, що детектуються п'єзоелектрикою. Корисна, насамперед, щодо перфузії крові.

Конфокальна скануюча лазернатомографія (SLO) – використовується для отримання неінвазивних тривимірних зображень заднього сегмента ока (диска зорового нерва та навколишньої ретинальної поверхні). Приймача

досягає світло лише з цієї фокальної площини. Послідовність
таких плоских 2D картин, одержуваних при збільшенні фокальної глибини
площині, результується в 3D топографічне зображення диска
зорового нерва та навколососочкового ретинального шару нервових
волокон (порівняно зі стандартною стереофотографією очного дна)
1.10. Цей підхід корисний не лише за безпосереднього
детектування аномалій, але також для відстеження незначних
тимчасових змін. Менш 2 сек потрібно, щоб зробити
послідовно 64 розгортки (кадра) ретини на полі 15°х15°,
відбитого з різної глибини випромінювання 670-нм лазера. Форма краю
ямки, підкресленого викривленою зеленою лінією, вказує на дефект
шару нервових волокон на обрамляючому (rim) диску зорового нерва.	Рис.1.10 Конфокальна скануюча лазерна
	томографія диска зорового нерва

Конфокальний мікроскоп

Обмеження аксіального дозволу SLO
Поздовжнє дозвіл		SLO та,
відповідно,	конфокального z
мікроскопа залежить від

різкості обернено пропорційно квадрату числової апертури (NA=d/2f ) мікрооб'єктиву. Оскільки товщина очного яблука, що бере на себе роль об'єктива мікроскопа, ~2 см для нерозширеної зіниці NA <0,1. Таким образом,

глибина різкості зображення сітківки для конфокальної офтальмоскопії з лазерним скануванням обмежується >0,3 мм, завдяки сукупному ефекту низької числової апертури та аберацій передньої камери ока.

Оптична когерентна томографія (ОСТ)

ОСТ - нова медична діагностика, розроблена в 1991, приваблива для біомедичних досліджень та клініки з кількох причин. ОСТ дозволяє створювати зображення в реальному часі з мкм роздільною здатністю клітинної динаміки., без необхідності звичайної біопсії та гістології, даючи зображення тканин, у т.ч. з сильним розсіюванням, таких як шкіра, колаген, дентин та емаль, на глибині до 1-3 мкм.

Що розсіює у тканині?

	проникнення випромінювання в
біотканина залежить, як від поглинання, так і від
розсіювання. Розсіювання пов'язане з різними
показниками заломлення у різних клітин та
клітинних осередків.
		Розсіювання світла на тканинних структурах
Розсіювання залежить від довжини хвилі
		Розсіювання в тканині відбувається на межі ліпід-вода у клітинних мембранах (особливо
лазерного променя	(Рис.). Випромінювання з довжиною	мембранах мітохондрій, (а)), ядрах і протеїнових волокнах (колаген або актин-міозин (б))

хвилі набагато більшої, ніж діаметр комірчастих структур (>10 мкм), розсіюється слабо.

Випромінювання ексимерного лазера УФ діапазону (193, 248, 308 і 351 мкм), а також ІЧ-випромінювання 2,9 мкм ербієвого (Er:YAG), викликаного поглинанням водою, і 10,6 мкм СО2 -лазера мають глибину проникнення від 20 мкм. Через малу глибину проникнення розсіювання в шарах кератиноцитів і фіброцитів, як і еритроцитах в кровоносних судинах, грає підлеглу роль.

Для світла з довжиною хвилі 450-590 нм, що відповідає лініям лазерів на аргоні, КТР/Nd та діодним лазерам видимого діапазону, глибина проникнення становить у середньому від 0,5 до 3 мм. Як і поглинання у специфічних хромофорах, і розсіювання грає тут значну роль. Лазерний промінь цих довжин хвиль, хоч і залишається колімованим у центрі, але оточений зоною з високим колатеральним розсіюванням.

В області спектру між 590-800 нм і більше до 1320 нм при відносно слабкому поглинанні також домінує розсіювання. У цей спектр потрапляє більшість ІЧ діодних та добре вивчених Nd:YAG лазерів. Глибина проникнення випромінювання 8-10 мм.

Малорозмірні тканинні структури, такі як мембрани мітохондрій, або періодичність колагенових волокон, багато менші довжини хвилі світла (λ), призводять до ізотропного Релеєвського розсіювання (сильнішому на коротких довжинах хвиль, ~λ-4). Великі структури, такі як цілі мітохондрії або пучки колагенових волокон, багато великі довжини хвилі світла, ведуть до анізотропного (спрямованого вперед) Мі-розсіювання (~λ-0,5 ÷ λ-1,5).

Оптична діагностика передбачає дослідження біотканини за допомогою балістичноїКогерентної томографії (детектується час прольоту фотона до мішені), абоДифузний томографії (сигнал детектується після багаторазового розсіювання фотона). Об'єкт, прихований усередині біологічного середовища, може бути детектований і локалізований, забезпечуючи як структурну, і оптичну інформацію, бажано реальному часі і зміни навколишнього середовища.

Дифузна оптична томографія (DOT).

У типовій DOT тканина зондується ближнім ІЧ світлом, що передається через багатомодове волокно, що підводиться до поверхні тканини. Світло, розсіяне тканиною, збирається з різних локалізацій волокнами, пов'язаними з оптичними детекторами, аналогічно СТ або MRI. Але практичне

використання DOT обмежене сильним поглинанням та розсіюванням світла тканиною, що призводить до низької роздільної здатності в порівнянні зі стандартними клінічними методами, рентгенівським та MRI.

Лазерне детектування об'єкта в середовищі, що розсіює, в т.ч. омметод середніх фотонних траєкторій (РАТ)

До того ж чутливість методу знижується зі збільшенням глибини, призводячи до її нелінійної залежності поперек області зображення, роблячи ще більш важким відновлення великих обсягів тканини. Також відносно низький контраст між оптичними характеристиками здорових та аномальних тканин, навіть з використанням екзогенних хромофорів судинну мережу пухлини підвищує його концентрацію відносно нормальної тканини, є критичним для клінічного застосування.

Принцип балістичної когерентної томографії (ОСТ)

Розсіяний об'єктом пучок в інтерферометрі Майкельсона (дзеркало в об'єктному плечі інтерферометра замінюється біотканиною) інтерферує з опорним (референтне плече має ретродзеркало, що прецизійно переміщається). Змінюючи затримку між пучкамімі, можна отримати інтерференцію з сигналом із різної глибини. Затримка безперервно сканується, завдяки чому частота світла одному з пучків (опорному) зміщується внаслідок ефекту Доплера. Це дозволяє виділити сигнал інтерференції на сильному тлі, зумовленому розсіюванням. Пара керованих комп'ютером дзеркал, скануючи промінь поверхнею зразка, будує томографічне зображення, оброблюване як реального часу.

Блок-схема та принцип дії ОСТ

Просторова роздільна здатність по глибині визначається тимчасовою когерентністю світлового джерела: нижче

когерентність, менша за мінімальну товщину зрізу зображення досліджуваного об'єкта. При багаторазовому розсіюванні оптичне випромінювання втрачає когерентність, тому можна використовувати

широкосмугові, низькогерметні, в т.ч. фемтосекундні лазери для дослідження щодо прозорих середовищ.Правда, і в цьому випадку сильне розсіювання світла в біотканинах не дозволяє отримати зображення з глибини.>2-3 мм.

Обмеження аксіального дозволу ОСТ

Для гаусових пучків d - розмір променя на лінзі, що фокусує, з фокальною довжиною f

Аксіальний дозвіл ОСТ ∆z залежно від ширини спектра лазерного випромінювання ∆λ та центральної довжини хвилі λ

(Допущення: гаусівський спектр, недисперсійне середовище)

Глибина різкості

b - конфокальний параметр = подвійна довжина Релея

На противагу конфокальної мікроскопії, OCT досягає дуже високого поздовжнього дозволу зображення незалежно від умов фокусування, т.к. поздовжнє та поперечне дозвіл визначаються незалежно.

Поперечна роздільна здатність також як глибина різкості залежать від розміру фокальної плями

(як у мікроскопії), в той час як поздовжнє

роздільна здатність залежить головним чином від довжини когерентності світлового джерела ∆z = IC /2 (а

немає від глибини різкості, як і мікроскопії).

Довжина когерентності є просторова ширина поля автокореляції, що вимірюється інтерферометром. Огинаючі поля кореляції еквівалентна Фур'є перетворення спектральної щільності потужності. Тому поздовжнє

роздільна здатність назад пропорційно до спектральної ширини смуги світлового джерела

Для центральної довжини хвилі 800 нм і діаметра променя 2-3 мм, нехтуючи хроматичною аберацією ока, глибина різкості ~450 мкм, яка можна порівняти з глибиною формування ретинального зображення. Однак низька числова апертура NA фокусуючої оптики (NA=0,1÷0,07) – низька поздовжня роздільна здатність звичайного мікроскопа. Найбільший розмір зіниці, для якого ще зберігається дифракційна роздільна здатність ~3 мм, дає розмір ретинальної плями 10-15 мкм.

Зменшення плями на ретині, і, відповідно,

підвищення поперечного дозволу ОСТ на порядок, можливо досягнуто при корекції аберацій ока за допомогоюадаптивної оптики

Обмеження аксіального дозволу ОСТ

Спотворення форми ультраширокої смуги спектра світлового джерела

Хроматична аберація оптики

Дисперсія групової швидкості

Хроматична аберація оптики

Ахроматичний об'єктив (670-1020nm 1:1, DL)

Хроматичні аберації, як функція довжини фокусування інтерферометра, для звичайного та параболічного дзеркально-лінзового об'єктива

Дисперсія групової швидкості

Дисперсія групової швидкості знижує дозвіл

ОСТ (ліворуч) більш ніж на порядок (праворуч).

Корекція дисперсією групової швидкості ОСТ ретини Товщина плавленого кварцу або BK7 у референтному

плече варіюється для компенсації дисперсії

(a) ширина спектру Ti:sapphire лазера та SLD (пунктир)

(b) аксіальна роздільна здатність ОСТ

Оптичний когерентний томограф високої роздільної здатності

В На відміну від рентгенівської (СТ) або MRI томографії ОСТ може бути сконструйований в компактний, портативний

і відносно недорогий прилад. Стандартна роздільна здатність ОСТ(~5-7 мкм), що визначається шириною смуги генерації, у десять разів краще, ніж у СТ або MRI; роздільна здатність УЗД на оптимальній частоті трансдюсера ~10

МГц ≈150 мкм, на 50 МГц ~30 мкм. Головний недолік ОСТ – обмежене проникнення у непрозору біологічну тканину. Максимальна глибина зображення в більшості тканин (крім очей!) ~1-2 мм обмежена оптичним поглинанням та розсіюванням. Ця глибина зображення ОСТ є поверхневою проти іншими методиками; однак, вона є достатньою для роботи на сітківці ока. Вона співставна з біопсією і тому достатня для оцінки більшості ранніх змін новоутворень, які дуже часто відбуваються в найбільш поверхневих шарах, наприклад, епідермі людської шкіри, слизової або підслизової оболонці внутрішніх органів.

В ОСТ, у порівнянні з класичною схемою інтерференційного мікроскопа, використовуються джерела з більшою потужністю та кращою просторовою когерентністю (як правило, суперлюмінесцентні діоди) та об'єктиви з малою числовою апертурою (NA<0,15), что обеспечивает большую глубину фокусировки, в пределах которой селекция слоев осуществляется за счет малой длины когерентности излучения. Поскольку ОСТ основан на волоконной оптике, офтальмологический ОСТ легко встраивается в щелевую лампу биомикроскопа или фундус-камеру, которые передают изображения луча в глаз.

Розглянемо як центральну довжину хвилі λ=1 мкм (лазер може мати Δλ< 0,01нм), и в этом случае l c ≈ 9см. Для сравнения, типичный SLD имеет полосу пропускания Δλ ≥50 нм, т.е. l c <18 мкм и т.к l c определяется для двойного прохода, это приводит к разрешению по глубине 9 мкмв воздухе, которое в тканях, учитывая показатель преломления n ≈1.4, дает 6 мкм. Недорогой компактный широкополосный SLD с центральной длиной волны 890 нм и шириной полосы 150 нм (D-890, Superlum ),

дозволяє отримувати зображення сітківки з осьовою роздільною здатністю в повітрі ~3 мкм.

Для інтерференції потрібне суворе співвідношення фаз інтерферуючих хвиль. При багаторазових розсіювання фазова інформація пропадає, і тільки одноразово розсіяні фотони дають внесок в інтерференцію. Таким чином, максимальна глибина проникнення визначається глибиною одноразового розсіювання фотонів.

Фотодетектування на виході інтерферометра включає перемноження двох оптичних хвиль, тому слабкий сигнал в об'єктному плечі, відбитий або пройшов через тканину, посилюється сильним сигналом в опорному (референтному) плечі. Це пояснює більш високу чутливість ОСТ у порівнянні з конфокальною мікроскопією, яка, наприклад, у шкірі може отримувати зображення лише з глибину до 0,5 мм.

Оскільки всі ОСТсистеми будуються на основі конфокального мікроскопа, поперечна роздільна здатність визначається дифракцією. Для отримання 3D-інформації пристрою візуалізації оснащені двома ортогональними сканерами, один для сканування об'єкта по глибині, інший для сканування об'єкта в поперечному напрямку.

Нове покоління ОСТ розробляється як у напрямку підвищення поздовжнього дозволу ∆ z= 2ln(2)λ 2 /(π∆λ) ,

шляхом розширення смуги генерації ∆λ , так і збільшення
глибини проникнення випромінювання у тканину.
Твердотільні	лазери показують ультрависоке
дозвіл ОСТ. На основі широкосмугового Ti:Al2 O3
лазера (λ = 800 нм, τ = 5.4 фсек, ширина смуги Δλ до 350
нм) був розроблений ОСТ з ультрависоким (~1 мкм) осьовим
дозволом, що на порядок перевершує стандартний
рівень ОСТ, що використовує суперлюмінесцентні діоди
(SLD). В результаті вдалося отримати in vivo із глибини
сильно розсіюючої тканини зображення біологічних
клітин з просторовим дозволом близьким до
дифракційної межі оптичної мікроскопії, що
дозволяє проводити	біопсію тканини безпосередньо у	Рівень розвитку фемтосекундних лазерів:
час операції.		тривалість<4fs, частота 100 MГц

Так як розсіювання залежить сильно від довжини хвилі, зменшуючись з її збільшенням, велика глибина проникнення в непрозору тканину може бути досягнута з більш довгохвильовим випромінюванням, в порівнянні з λ=0.8 мкм. Оптимальні довжини хвиль для отримання зображення структури непрозорих біотканин лежать у діапазоні 1.04÷1.5 мкм. Сьогодні широкосмуговий Cr:форстерит лазер (λ=1250 нм) дозволяє отримати ОСТ зображення клітини з аксіальною роздільною здатністю ~ 6 мкм із глибини до 2-3 мм. Компактний Er волоконний лазер (суперконтинуум 1100-1800 нм) забезпечує на λ=1375 нм поздовжню роздільну здатність ОСТ 1,4 мкм і поперечне 3 мкм.

Фононно-кристалічніволокна (PCF) з високою нелінійністю були використані для генерації ще ширшого спектрального континууму.

Широкосмугові твердотільні лазери та суперлюмінесцентні діоди перекривають практично всю, найбільш цікаву для формування ОСТ зображень, видиму та ближню ІЧ область спектра.

А ось ця розмова, хлопці, мені подобається! По суті!

Я дуже лінивий і щоб полегшити рутину – вставляю фрагмент із службового інформаційного листа. Будуть питання по суті – буду радий відповісти. Тільки будемо толерантними, замінимо емоції на логіку. І, скептики, зрозумійте – іноді важко довести переконаному дальтоніку, що крім білого та чорного є червоно-жовто-блакитний колір.

" Шановні колеги!

Можливо, вам знадобиться ця інформація.
У Науково-дослідній Лабораторії технічного конструювання "ВЕГА" при ТОВ« Центр науково-прикладних досліджень з питань енергоінформаційної безпеки "Велес" [email protected] створений УНІКАЛЬНИЙ, що перевершує відомі світові аналоги, прилад "ВЕГА-11", який може стати вашим незамінним помічником.«ВЕГА-11» було розроблено, насамперед, визначення геофізичних аномалій і визначення геопатогенних зон як у приміщенні, і у польових умовах. Причому погодні умови (дощ, вогкість) на роботу приладу не впливають.
Цей прилад має унікальні властивості, перевершуючи російську розробку типу«ІГА-1», через те, що базується на нових наукових підходах. Їх суть полягає в тому, що в нормальному електромагнітному полі, на межі розділу двох середовищ, з різною провідністю, виникає подвійний електричний шар, який створює слабке електричне (електромагнітне) поле. Тобто, якщо під землею є об'єкт, який контрастує з природним (безперервним) полем Землі, то фіксуючи ці зміни на поверхні (напруженості, еліпси поляризації, частоти та ін.) можна зафіксувати цей об'єкт. Застосовуючи метод підсвічування високочастотним полем, ми збуджуємо це слабке електромагнітне поле, що дозволяє впевненіше ідентифікувати аномалії природного електромагнітного поля.

Насправді це дозволяє виявляти поховання багатовікової давності, фундаменти зруйнованих будинків, порожнечі землі (тунелі, схрони, засипані бліндажі, підземні ходи до 20 метрової глибини тощо.). Прилад реєструє так само і останки людей, металеві предмети, металеві та пластикові трубопроводи, лінії зв'язку та інше. Цілком успішно прилад реєструє і ауру людини, яку прилад може зафіксувати на відстанях близько п'яти метрів через цегляну кладку товщиною до метра, що може бути використане для визначення наявності всередині (зовні) приміщення людей (заручників, злочинців і т.д.).

Прилад був протестований і щодо енергоінформаційного обстеження місцевості біля озера Болдук. Роботи проводилися на прохання Голови МОК, к.б.н. Романенко Галини Григорівни та Замголови президії МНОО МАІТ, доктора технічних наук, професор, академікаБАН Сичик В.А. під час нашого перебування в Білорусі на науково-практичній конференції«ГІС-Нарочь_2014».

Детальнішу інформацію про прилади можете отримати на нашому сайті oooveles.com

Сподіваємось, що наша розробка допоможе вам у ваших дослідженнях."

А не рахунок підземелля 20-ти метрової глибини – ми самі шоковані. Хлопці-пошуковики надіслали цю інформацію на подяку. Прилад показав, що вони пробурили свердловину, і... результат на обличчя.

Створено пристрій фізиками Міжнародного науково-навчального лазерного центру МДУ ім. М.В.Ломоносова на основі двох давно відомих явищ. По-перше, ракова пухлина поглинає світло та тепло інтенсивніше, ніж здорова тканина, в якій концентрація крові нижча, а кисню міститься більше.

Крім того, відомо, що всі тіла при нагріванні не лише розширюються, а й видають звук. Згадаймо, наприклад, як свистить киплячий чайник. Причому повільне нагрівання породжує слабкий звук. Швидке – сильніший. А миттєве дає потужну акустичну хвилю.

Так ось, "співаючий томограф" практично миттєво нагріває досліджувану тканину своїм лазерним променем: за соту частку мікросекунди – на одну десяту градуса. Оскільки в будь-якій пухлині крові більше, ніж у здорових тканинах, вона нагрівається сильніше. І звук, що йде з неї, виходить потужнішим у два-три рази. Його й уловлює надчутлива акустична система томографа. Це "електронне вухо" точно вказує на місце розташування пухлини.

Звуковий сигнал на екрані комп'ютера перетворюється на зображення. Яскраво-жовта пляма в криваво-червоному обрамленні на чорному тлі виглядає космічним пейзажем. Їм можна навіть милуватися, якщо не знати, що це знімок ракової пухлини. Він у сотні разів контрастніший, ніж будь-яке її зображення, зроблене вже відомими способами.

Це загальний принцип дії приладу, – пояснює керівник проекту доктор фізико-математичних наук Олександр Карабутов. - Насправді томографія проходить у два прийоми. Спочатку лазерний промінь певної довжини хвилі сканує груди пацієнтки. Поки що це лише пошук неоднорідностей. Якщо томограф "чує" різке посилення звуку, то знайдено підозріле місце. Але що ж це? Злоякісна чи доброякісна освіта? Ми перемикаємо прилад на іншу хвилю, яка перевіряє кров у знайденій пухлині на рівень вмісту кисню. Якщо воно менше норми – це рак. Про що повідомляє томограф. Він знову "співає", але вже "не своїм голосом": тембр суттєво змінюється. А от якщо концентрація кисню вища за норму, то і тембр звуку зовсім інший. Це, швидше за все, лише мастопатія.

Обробити акустичні сигнали може звичайний лаборант. І вже за кілька хвилин отримати на екрані комп'ютера зображення пухлини – якщо вона, звичайно, є – розміром від 2 міліметрів на глибині до 7 сантиметрів. А також з'ясувати – доброякісна вона чи ні. Все це без шкоди для пацієнта. І безболісно. Ось у цих "чотири в одному" і полягає унікальність "співочого томографа".

Для порівняння, той же рентген або нейтронозахоплювальні технології діагностики, як і будь-яке радіоактивне опромінення, нешкідливі навіть для здорової людини. А сучасні засоби, наприклад, оптичної діагностики дозволяють визначити пухлину не менше ніж п'ять міліметрів. При тому, що рак молочних залоз, який ще не дає метастаз, це всього три міліметри. Таку "пісчинку" розрізнити оптичним методом, тим більше важко, якщо вона залягла на глибині, наприклад, шести сантиметрів. Адже промінь повинен пройти крізь всі жіночі груди - туди і назад. А це - середовище, що розсіює світло. По дорозі туди він розсіюється в мільйон разів, назад - теж у мільйон. А ось звук не зазнає будь-яких серйозних спотворень. Тому оптичний сигнал, перетворений на акустичний, дає набагато більш високу діагностичну точність.

Щойно удостоєна Нобелівської премії ядерно-магнітна томографія за абсолютної нешкідливості дає тривимірне зображення пухлини, що залягає на будь-якій глибині. Але й у неї є дуже суттєва вада: те, що добре для досліджень мозку, дає збої при мамографії. Дослідження на ЯМТ триває двадцять хвилин: пацієнтка дихає, кров пульсує, змінюється її концентрація, і рівень вмісту кисню. Картинка виходить із значними спотвореннями. Трапляється, що з ядерно-магнітної томограмі ставлять діагноз - рак, але потім біопсія дає негативний висновок.

Так, ми отримуємо лише двовимірне зображення, - каже Олександр Карабутов, - проте практично без спотворень. Адже за третину секунди надто сильних фізіологічних змін у досліджуваній тканині не відбувається. Наш томограф не замінює всіх відомих, він доповнює їх.

Поки що "співаючий томограф" існує лише в лабораторному варіанті. І все ж на ньому вже досліджували два десятки добровольців із підозрами на злоякісну пухлину. Прилад жодного разу не помилився. А з однієї із жінок вийшла така історія. Те, що має рак, вказували різні аналізи. Але де він ховається, було неможливо виявити жодними відомими способами. Виявилося, за силіконовим імплантантом. Про що повідомив лазерний оптико-акустичний томограф.

ОЦІНКА МОЖЛИВОСТЕЙ ОПТИКО-АКУСТИЧНОЇ ТОМОГРАФІЇ У ДІАГНОСТИЦІ БІОТКАНІВ

Т.д. Хохлова, І.М. Пєліванов, А.А. Карабутів

Московський державний університет ім. М.В. Ломоносова, фізичний факультет

t [email protected] ilc.edu.ru

В оптико-акустичній томографії широкосмугові ультразвукові сигнали генеруються в досліджуваному середовищі за рахунок поглинання імпульсного лазерного випромінювання. Реєстрація цих сигналів з високою тимчасовою роздільною здатністю антеною гратами п'єзоприймачів дозволяє відновити розподіл поглинаючих неоднорідностей у середовищі. У цій роботі проводиться чисельне моделювання прямої та зворотної задач оптико-акустичної томографії для визначення можливостей цього діагностичного методу (глибини зондування, контрастності зображень) у задачі візуалізації поглинаючих світло неоднорідностей розміром 1-10 мм, що знаходяться в розсіюючому середовищі на глибині кількох сан. До таких завдань відносяться, наприклад, діагностика раку молочної залози людини на ранніх стадіях та моніторинг високоінтенсивної ультразвукової терапії пухлин.

Оптико-акустична томографія є гібридним, лазерно-ультразвуковим методом діагностики об'єктів, що поглинають оптичне випромінювання, у тому числі біотканин. Даний метод заснований на термопружному ефекті: при поглинанні імпульсного лазерного випромінювання в середовищі відбувається її нестаціонарне нагрівання, що призводить, внаслідок теплового розширення середовища, до генерації ультразвукових (оптико-акустичних, ОА) імпульсів. Профіль тиску ОА імпульсу несе інформацію про розподіл теплових джерел у середовищі, тому за зареєстрованими ОА сигналами можна судити про розподіл у досліджуваному середовищі поглинаючих неоднорідностей.

ОА томографія застосовна до будь-якої задачі, в якій потрібна візуалізація об'єкта, що має підвищений коефіцієнт поглинання світла по відношенню до навколишнього середовища. До таких завдань відноситься, перш за все, візуалізація кровоносних судин, оскільки кров є основним хромофором серед інших біотканин у ближньому ІЧ діапазоні. Підвищений вміст кровоносних судин характерний для злоякісних новоутворень, починаючи з ранньої стадії їх розвитку, тому ОА томографія дозволяє проводити їх виявлення та діагностику.

Найважливішою сферою застосування ОА томографії є ​​діагностика раку молочної залози людини на ранніх стадіях, а саме, коли розмір пухлини не перевищує 1 см. У цьому завдання необхідно візуалізувати об'єкт розміром ~1-10 мм, що знаходиться на глибині кілька сантиметрів. ОА метод вже застосовувався in vivo для візуалізації новоутворень розміром 1-2 см, була показана перспективність методу, проте зображень пухлин меншого розміру отримано не було внаслідок недостатнього розвитку систем реєстрації сигналів ОА. Розробка таких систем, а також алгоритмів побудови зображення на сьогоднішній день є найбільш актуальними проблемами в ОА томографії.

Рис. 1 Багатоелементна антена з фокусованих п'єзоприймачів для двовимірної ОА томографії

Реєстрація ОА сигналів зазвичай здійснюється антеними гратами приймачів, конструкція яких обумовлюється особливостями

конкретного діагностичного завдання. У цій роботі розроблена нова чисельна модель, що дозволяє розраховувати вихідний сигнал п'єзоелемента складної форми при реєстрації ОА сигналів, що збуджуються довільним розподілом теплових джерел (наприклад, поглинаюча неоднорідність, що знаходиться в середовищі, що розсіює світло). Дана модель була застосована для оцінки та оптимізації параметрів антеної решітки у задачі ОА діагностики раку молочної залози людини. Результати чисельного розрахунку показали, що нова конструкція антеної решітки, що складається з фокусованих п'єзоелементів (рис. 1), дозволяє суттєво покращити просторовий дозвіл та контрастність одержуваних ОА зображень, а також збільшити глибину зондування. Для підтвердження правильності розрахунків був проведений модельний експеримент, в ході якого були отримані ОА зображення поглинаючої неоднорідності розміром 3 мм, що знаходиться на глибині до 4 см в середовищі, що розсіює світло (див. рис. 2). Оптичні властивості модельних середовищ були близькі до значень, характерних для здорової та пухлинної тканин молочної залози людини.

Зворотне завдання ОА томографії полягає у обчисленні розподілу теплових джерел за зареєстрованими сигналами тиску. У всіх роботах з ОА томографії дотепер яскравість одержуваних зображень вимірювалася у відносних одиницях. Алгоритм кількісної побудови

двовимірних ОА зображень,

запропонований у цій роботі, дозволяє отримувати інформацію про розподіл теплових джерел в абсолютних величинах, що є необхідним у багатьох діагностичних та терапевтичних задачах.

Однією з можливих областей застосування ОА томографії є ​​моніторинг високоінтенсивної

ультразвукової терапії (в англомовній літературі - high intensity focused ultrasound, HIFU) новоутворень. У HIFU терапії потужні ультразвукові хвилі фокусуються всередину людського тіла, що призводить до нагрівання та подальшого руйнування тканин у фокальній ділянці випромінювача внаслідок поглинання ультразвуку. Як правило, одиничне руйнування, викликане впливом HIFU, за розміром становить близько 0.5-1 см завдовжки і 2-3 мм у поперечному перерізі. Для

Рис. 2 ОА зображення модельного поглинаючого об'єкта (свиняча печінка, розмір 3 мм), що знаходиться на глибині 4 см в середовищі (молоко), що розсіює світло.

руйнування великої маси тканини фокус випромінювача сканується необхідною області. HIFU-терапія вже застосовувалася in vivo для неінвазивного видалення новоутворень у молочній залозі, передміхуровій залозі, печінці, нирці та підшлунковій залозі, проте основним фактором, що перешкоджає масовому застосуванню цієї технології в клініці є недостатній розвиток методів контролю процедури впливу – візуалізації зруйнованої області, прицілювання. Можливість застосування ОА томографії в цій галузі залежить, насамперед, від відношення коефіцієнтів поглинання світла у вихідній та коагулюючій біотканині. Вимірювання, проведені в цій роботі, показали, що це відношення на довжині хвилі 1064 мкм становить не менше 1.8. ОА методом було проведено виявлення HIFU руйнування, створеного всередині зразка біотканини.

1. VG. Andreev, A.A. Karabutov, S.V. Solomatin, E.V. Savateeva, V.L. Aleynikov, Y.V. Z^Um, R.D. Fleming, A.A. Ораєвскій, "Оптом-акустична темографія breast cancer with arc-array transducer", Proc. SPIE 3916, pp. 36-46 (2003).

2. Т. Д. Кокхлова, І. М. Пеліванов, В. В. Кожушко, А. Н. Жарінов, В. С. Solomatin, A. A. Karabutov "Оптомакустичні зображення поглинаючих об'єктів в турбудіо-медіа: ultimate sensitivity and application to breast cancer. 262-272 (2007).

3. Т.Д. Хохлова, І.М. Пєліванов., О.А. Шевців, В.С. Соломатін, А.А. Карабутов, "Оптико-акустична діагностика теплового впливу високоінтенсивного фокусованого ультразвуку на біологічні тканини: оцінка можливостей та модельні експерименти", Квантова Електроніка 36(12), с. 10971102 (2006).

THE POTENTIAL OPTO-ACOUSTIC TOMOGRAPHY IN DIAGNOSTICS OF BIOLOGICAL TISSUES

TD. Хохлова, І.М. Пеліванов, А.А. Karabutov Moscow State University, Faculty of Physics t [email protected]

В оptoacoustic tomography wideband ultrasonic signals є generated due до absorption pulsed laser radiation in the medium under study. Визначення цих сигналів з високим тимчасовим розв'язанням згідно з piezodetectors дозволить відновити розповсюдження освітлювальних inclusions в medium. У цій роботі numerical modeling of direct and inverse problems of opto-acoustic tomography is performed in order to evaluate the potential of this diagnostic method (maximum imaging depth, image contrast) in visualization of millimeter-sized light absorbing inclusions located within the depth of several centimeters. Відповідні застосовані проблеми, включаючи визначення виразних брикетів на ранніх стадіях і visualization of thethermal lesions induced in tissue by high intensity focused ultrasound therapy.

Робота з міні-текстом
Прочитайте текст №1 та виконайте завдання А6-А11.
(1)... (2) А слід зазначити, що фоновий, так званий рівноважний тиск - близько 370 мікроатмосфер. (3) «В окремих місцях узбережжя, найбільш схильних до руйнування, цей тиск досягає чотирьох тисяч мікроатмосфер, - підкреслює Семилетов. - (4) Вже тоді, чотири роки тому, ми почали шукати механізм, відповідальний за ці аномалії. (5) ... наша нинішня експедиція підтвердила: аномалія пов'язана з виносом у море древньої органіки в процесі руйнування берегів ». (6) Це незвичайне відкриття суперечить усім існуючим до сьогодні уявленням про цикл вуглецю біологічного походження.
А6. Яка пропозиція має бути першою в цьому тексті?
1) Вважалося, що органіка, яка похована у вічній мерзлоті, вже не бере участі в жодних подальших перетвореннях: просто вона «вивалюється» в Північний Льодовитий океан у вигляді стабільних до пасивних високомолекулярних сполук (лігнін), а отже, і не впливає на сучасні екологічні цикли.
2) Ще 1999 року Семилетов та її колеги виявили загадкову аномалію: парціальний тиск вуглекислого газу морській воді у деяких точках відбору проб становило кількох тисяч мікроатмосфер.
3) Нещодавно відбулася дивовижна експедиція.
4) Цікаво наступне дослідження Семілетова.
1) Насамперед 2) Проте 3) І ось 4) Іншими словами
1) відкриття суперечить 2) це суперечить 3) суперечить уявленням
4) незвичайне відкриття суперечить

3) складне безспілкове 4) складне з безспілковим підрядним зв'язком
А10. Вкажіть правильну морфологічну характеристику слова ПІДВІДЖЕНІ з третього (3) речення тексту.
1) іменник 2) дієприкметник 3) короткий прикметник 4) дієприслівник
А11. Вкажіть значення слова АНОМАЛІЯ у реченні 1.
1) відхилення від норми 2) відкриття 3) вид органіки 4) тиск

Робота з міні-текстом
Прочитайте текст №2 та виконайте завдання А6-А11.
(I)... (2) Вони довговічні і добре приживаються, мають хімічні та механічні властивості кістки. (З) Такі імплантати знаходять застосування в нейрохірургії, дозволяють відновлювати суглоби та кістки черепа, уражені хребці і навіть вживляти «живі зуби». (4) Співробітники лабораторії біотехнології Російського хіміко-технологічного університету імені Д.І. Менделєєва більше десяти років б'ються над створенням штучних протезів. (5)... які за своєю структурою та мінеральним складом нагадують кістку і не будуть відторгатися живим організмом. (6) Група Б.І. Білецького розробила новий матеріал для імплантатів, так званий ВАК, застосування якого дозволило на третину скоротити кількість ампутацій.
А6. Яка з наведених нижче пропозицій має бути першою в цьому тексті?
1) Російські вчені розробляють та виготовляють біоактивні замінники кісток.
2) Цікаво, що остання розробка біоактивного замінника кісток застосовується у нейрохірургії.
3) Ось підборіддя, спинка носа, тут виличні кістки, а тут хребці.
4) Статистика свідчить про зменшення кількості ампутацій.
А7. Яке з наведених нижче слів (поєднань слів) має бути на місці пропуску у п'ятому реченні?
1) Насамперед 2) Причому таких 3) Крім таких 4) Тільки не таких

А8. Які слова є граматичною основою у п'ятому (5) реченні тексту?
1) які нагадують і не відторгаються 2) нагадують і не будуть відторгатися
3) нагадують кістку 4) які не відторгаються
А9. Вкажіть правильну характеристику шостої (6) речення тексту.
1) складне з безспілковим та союзним творним зв'язком 2) складносурядне
3) складне з безспілковим зв'язком 4) складнопідрядне
А10. Вкажіть правильну морфологічну характеристику слова ДОВГОВЕЧНІ з другої (2) речення тексту.
3) короткий прикметник.
А11. Вкажіть значення слова ІМПЛАНТАТ у реченні 3.
1) штучно створена речовина, призначена для вживлення в організм людини
2) речовина, отримана внаслідок складних хімічних дослідів
3) штам корисних бактерій; 4) технічне пристосування

Робота з міні-текстом

Прочитайте текст №3 та виконайте завдання А6-А11.
(1)... (2) Відповідь це питання залежить від цього, наскільки далеко вперед здатний зазирнути людина. (З) Всі блага цивілізації ми сприймаємо як даність. (4)...всі вони, як і успіхи медицини, стали підсумком багатьох десятиліть і століть роботи вчених, що займалися дрібничними на погляд обивателя заняттями, на кшталт спостережень за зірками або за життям якихось козявок. (5) Застосування результатів науки, неконтрольоване вченими, принесло і багато важких проблем, але тепер лише подальший розвиток науки здатний нас їх позбавити, так само як і дати нові джерела енергії, врятувати від викликів майбутнього, - таких, як нові епідемії чи природні катаклізми.
1) Чи не призводить наука до ще більших небезпек?
2) Чи вирішує сучасна наука глобальні проблеми повсякденності?
3) Чи вирішує фундаментальна наука проблеми, що стоять перед людством, або ж призводить тільки до нових небезпек?
4) Чи не може наука позбавити небезпек?
А7. Яке з наведених нижче слів (поєднань слів) має бути на місці пропуску у четвертому реченні?
1) Насамперед 2) Проте " 3) Крім того 4) Іншими словами
1) вчених займалися 2) з'явилися результатом роботи
3) вони стали результатом 4) вони стали результатом десятиліть.
А9. Вкажіть правильну характеристику четвертої пропозиції тексту.
1) складне з безспілковим та союзним творним зв'язком 2) складносурядне
3) просте 4) складне з безспілковим і союзним підрядним зв'язком
А10. Вкажіть правильну морфологічну характеристику слова СПОСОБНИЙ з другого (2) речення тексту.
4) дієприслівник досконалого вигляду
А11. Вкажіть значення слова КАТАКЛІЗМ у реченні 5.
1) стихійне лихо 2) щорічний розлив річок
3) вплив людини на природу 4) вплив природи на людину

Робота з міні-текстом
Прочитайте текст №4 та виконайте завдання А6-А11.
(1) ... (2) До альтернативних методів дослідження відноситься і комп'ютерна біологія. (З) Це якась прикордонна область, яка бурхливо розвивається та розгалужується, використовуючи можливості комп'ютерів та цифрової фото- та відеотехніки. (4) Сюди належить математичне моделювання біологічних процесів, робота з комп'ютерними базами даних. (5) Є в Інтернеті та різноманітні біологічні колекції - електронні версії традиційних зоомузеїв, гербаріїв або визначники, де представлені «портрети» зафіксованих, засушених та відпрепарованих рослин та тварин. (6) ...подібний Інтернет-ресурс може стати інформаційною базою нової науки про живий організм - фізіоміку.
А6. Яка з наведених нижче пропозицій має бути першою в цьому тексті?
1) Віртуальний біологічний музей, про який йтиметься, принципово відрізняється від таких мережевих біологічних колекцій.
2) Загальну думку висловила академік РАН та РАМН Наталія Бехтерєва.
3) Сьогодні в біології краще альтернативні методи дослідження.
4) Ідея його створення належить кандидату біологічних наук, старшому науковому співробітнику Інституту теоретичної та експериментальної біофізики Російської академії наук (ІТЕБ РАН) Харлампію Тирасу.
1) Отже 2) Проте 3) Крім того 4) Іншими словами
А8. Які слова є граматичною основою у шостому (6) реченні тексту?
1) Інтернет-ресурс може 2) Може стати базою 3) Інтернет-ресурс може стати базою 4) Стати базою
А9. Вкажіть правильну характеристику п'ятої (5) речення тексту.
1) просте 2) складносурядне 3) складне безсоюзне 4) складнопідрядне
А10. Вкажіть правильну морфологічну характеристику слова ВИКОРИСТАННЯ з третьої (3) речення тексту.
1) дійсне причастя 2) пасивне причастя
А11. Вкажіть значення слова МОДЕЛЮВАННЯ у реченні 4.
1) створення зразкової моделі вже існуючого чи майбутнього
2) копіювання вже існуючого чи майбутнього
3) відтворення вже існуючого чи майбутнього
4) наслідування вже існуючого чи майбутнього
Робота з міні-текстом
Прочитайте текст №5 та виконайте завдання А6-А11.
(1) ... (2) Зрозуміло, - скажете ви, - щоб, проходячи повз, люди віддавали данину поваги та подяки об'єкту поклоніння. (3) На п'єдесталі нового пам'ятника, спорудженого біля Санкт-Петербурзького університету, важливо сидить ... кіт. (4) Університетські вчені, які підтримали колеги з інститутів фізіології імені І.П. Павлова, еволюційної фізіології та біохімії імені І.М. Сєченова, мозку людини, біорегуляції та геронтології, інших знаменитих на весь світ наукових установ, вирішили, що настав час покаятися перед тваринами, що тисячами віддавали свої життя в ім'я Науки. (5) Тваринами, без яких не було б багатьох відкриттів у біології.(б) ...кіт Василь - вже третій у світі пам'ятник лабораторній тварині - після жаби в Сорбонні та «павлівської» собаки біля Інституту експериментальної медицини в Петербурзі.
А6. Яка з наведених нижче пропозицій має бути першою в цьому тексті?
1) А ви бачили нову, пам'ятник? 2) Навіщо споруджують пам'ятники?
3) Чому присвячений цей пам'ятник? 4) Як пройти до нового пам'ятника?
А7. Яке з наведених нижче слів (поєднань слів) має бути на місці пропуску в шостому реченні?
1) Насамперед 2) Проте 3) Що характерно 4) Іншими словами
А8. Які слова є граматичною основою у третій (3) речення тексту? .
1) важливо сидить 2) важливо сидить кіт 3) сидить на п'єдесталі кіт 4) сидить кіт
А9. Вкажіть правильну характеристику п'ятої (5) речення тексту.
1) складне з підрядним та письменницьким зв'язком 2) складносурядне
3) складнопідрядне 4) просте
А10. Вкажіть правильну морфологічну характеристику слова ПРОХОДЯЧИ з другої (2) речення тексту.
1) дійсне причастя 2) пасивне причастя
3) дієприслівник недосконалого вигляду 4) дієприслівник досконалого вигляду
А11. Вкажіть значення слова ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА у реченні 6.
1) заснована на пошуку нових методів 2) використовує класичні методи
3) стара 4) нова

Робота з міні-текстом

Прочитайте текст №6 та виконайте завдання А6-А11.
(1)... (2) Він називається лазерний оптико-акустичний томограф, а застосовуватимуть його для обстеження новоутворень у молочних залозах. (3) Прилад випромінюванням однієї довжини хвилі допомагає знайти в грудях пацієнтки неоднорідність розміром із сірникову голівку, а інший – визначити, чи доброякісне це новоутворення чи ні. (4) При вражаючій точності методу процедура абсолютно безболісна і займає лише кілька хвилин. (5) ... лазер змушує пухлину співати, а акустичний мікроскоп за звуком знаходить і визначає тембру звучання її природу.
А6. Яка з наведених нижче пропозицій має бути першою в цьому тексті?
1) В основі приладу - одразу два методи.
2) Роботу авторам вдалося здійснити завдяки підтримці РФФД.
3) Унікальний прилад сконструювали фізики з Міжнародного науково-навчального лазерного центру МДУ ім. М.В. Ломоносова.
4) Воно дозволяє отримати оптичне зображення пухлини, прихованої на глибині до 7 см і знайти її місцезнаходження.
А7. Яке з наведених нижче слів (поєднань слів) має бути на місці пропуску у п'ятому реченні?
1) Насамперед 2) Образно кажучи 3) Крім того 4) Проте
А8. Які слова є граматичною основою у четвертому (4) реченні тексту?
1) процедура безболісна і займає кілька хвилин
2) процедура займає кілька хвилин
3) процедура безболісна
4) займає лише кілька хвилин
А9. Вкажіть правильну характеристику п'ятої (5) речення тексту.
1) складне з безспілковим та союзним творним зв'язком 2) складносурядне
3) складне безспілкове 4) складне з безспілковим і союзним підрядним зв'язком
А10. Вкажіть правильну морфологічну характеристику слова ЦЕ із третьої (3) речення тексту.
1) особистий займенник 2) вказівний займенник
3) означальний займенник 4) відносний займенник
А11. Вкажіть значення слова ПУХЛИНА у реченні 5.
1) новоутворення 2) припухлість від удару
3) лише доброякісне новоутворення 4) лише злоякісне новоутворення

Відповіді
№ завдання
А6
А7
А8
А9
А10
А11

1
2
3
1
3
2
1

2
1
2
1
4
3
1

3
3
2
3
3
3
1

4
3
3
3
4
3
1

5
2
3
4
3
3
1

6
3
2
1
2
2
1

Використовувана література

Текучова І.В. Російська мова: 500 навчально-тренувальних завдань для підготовки до ЄДІ. - М: АСТ: Астрель, 2010.