Способ получения послойных изображений объекта и устройство для его осуществления

 

Использование: изобретение относится к биологии, ветеринарии, медицине, а именно к средствам визуализации структуры преимущественно биологических тканей на заданном уровне от покровной поверхности этих тканей. Сущность изобретения: короткий импульс от импульсного источника лазерного излучения разделяется оптической системой, и одна часть поступает на фотоприемник. Другая часть потока лазерного излечения подается на объект, а отраженный поток, проходя через объектив, так же подается на фотоприемник. Последний выполнен в виде ПЗС-матрицы. Первый поток используется для нормирования распределения интенсивности отраженного светового потока при обработке сигналов с ПЗС-матрицы. Фокусировка на заданную глубину позволяет сканировать исследуемый объект без его разрушения. Информация в дальнейшем визуализируется на экране дисплея. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к биологии, ветеринарии, медицине и т.д. а именно к средствам визуализации структуры объекта на заданной глубине от его поверхности.

Известны способы получения послойных изображений объекта с использованием рентгеновских лучей, проходящих через объект, их регистрацией в процессе сканирования объекта и визуализацией полученных данных [1] Недостатком указанных способов является слабая зависимость проницаемости от плотности исследуемой ткани, что приводит к четкой фиксации только переходов между костной и мышечной тканью, т.е. данные способы обладают низкой разрешающей способностью.

Известны способы получения послойных изображений объекта с использованием акустических сигналов, при этом различие эхогенных свойств тканей позволяет получить картину распределения плотностей внутри объекта [2] Однако большинство живых тканей имеют приблизительно одинаковую плотность и слабо контрастируются ультразвуком, при этом в процессе дешифровки отраженного акустического сигнала на него накладывается шумовой сигнал, вызванный реверберацией, переизлучением и т. д. что не позволяет считать данные способы удовлетворяющими необходимой степени информативности по разрешающей способности.

Наиболее близким к изобретению является способ получения послойных изображений объекта, включающий облучение исследуемого объекта импульсным лазерным излучением, формирование на объекте зоны облучения заданной величины, фокусирование отраженного от этой зоны светового потока на фотоприемник с одновременным направлением на последний части падающего на объект потока лазерного излучения, регистрацию фотоприемником пространственного распределения интенсивности отраженного светового потока и визуализацию этого распределения [3] В результате данного метода сформированная голограмма несет информацию о преломляющей способности тканей или зоны объекта, расположенной на заданной глубине от поверхности, причем в результате взаимодействия опорного луча и отраженного луча согласно классическим принципам получается интерференционная картина, позволяющая визуализировать исследуемую зону.

Недостатком указанного способа является его недостаточная чувствительность, что ведет к потере части информации, причем в ряде случаев вследствие требований неразрушаемости тканей применение данного способа невозможно.

Устройство для осуществления известного способа содержит импульсный лазерный излучатель, оптическую систему с каналом выделения части падающего лазерного излучения и средством фокусирования потока излучения, средство фиксации объекта, фотоприемник, выход которого связан с входом блока обработки и отображения информации, при этом фотоприемник установлен с возможностью регистрации упомянутых потоков выделенной части падающего и отраженного лазерного излучения [3] Недостатком данного устройства как и способа является недостаточная чувствительность, поскольку в ряде случаев малая оптическая неоднородность прозрачных объектов приводит к возникновению малоконтрастных голограмм.

Целью изобретения является повышение чувствительности и расширение эксплуатационных возможностей вследствие получения послойных изображений от слабопрозрачных и непрозрачных для стандартного оптического диапазона объектов, а так же объектов со "слабыми" неоднородностями.

Указанная цель в части способа достигается тем, что регистрацию отраженного светового потока осуществляют в телесном угле не более 1,2 стерадиан в направлении оптической оси лазерного излучателя, длину волны которого выбирают не менее 600 нм при длительности импульса не более 5х10^-9 с, плотности потока энергии в импульсе не менее 10^-6 Дж/см² и поперечном распределении ТЕМ_оо, при этом одновременно с пространственным распределением интенсивности отраженного потока лазерного излучения регистрируют пространственное распределение интенсивности упомянутой части падающего на объект потока лазерного излучения, которое используют для нормирования неравномерности по интенсивности потока лазерного излучения по площади зоны облучения при расходимости лазерного луча до объекта не более 40''.

Указанная цель в части устройства достигается тем, что оно снабжено блоком синхронизации и блоком фокусировки, при этом фотоприемник выполнен в виде приемной камеры с ПЗС-матрицей, а блок фокусировки включает три сервопривода с соответствующими средствами контроля и управления, причем линии связи блока фокусировки связаны с соответствующими линиями блока обработки и отображения информации, выходы сервоприводов кинематически связаны соответственно с приемной камерой, средством фокусирования потока излучения и средством фиксации объекта, причем выход блока управления импульсного лазерного излучателя связан посредством блока синхронизации с соответствующим входом приемной камеры с возможностью расположения на последней рабочих зон от выделенной части падающего и отраженного потоков лазерного излучения без взаимного перекрытия.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для осуществления способа; на фиг. 2 то же, но для проходящего потока излучения; на фиг.3 изображение слоя в объекте, сфотографированное с экрана дисплея.

Устройство для получения послойных изображений содержит импульсный лазерный излучатель 1 (лазер) с соответствующим блоком управления, оптическую систему 2 с каналом 3 выделения части падающего лазерного излучения и средством фокусирования 4 потока излучения, средство 5 фиксации объекта, фотоприемник 6, выполненный в виде приемной камеры с ПЗС-матрицей, блок фокусировки 7, включающий три сервопривода с соответствующими средствами контроля и управления (не показаны), блок 8 синхронизации, блок обработки и отображения информации, включающий цифровой блок регистратора 9, например АЦП, дисплей (монитор) 10, микроЭВМ 11 с соответствующими интерфейсами 12. При этом лазерный излучатель имеет длину волны не менее 600 нм, пикосекундную длительность импульса и поперечное распределение ТЕМ_оо. Оптическая система 2 может так же включать расширитель луча и т.д. при расходимости пучка не более 40''.

В качестве ЭВМ 11 может использоваться любая микроЭВМ типа IBM-386 с соответствующей периферией.

Способ осуществляется следующим образом.

Поток лазерного излучения направляют на исследуемый объект. На фиг.3 представлена фотография с дисплея 10 при получении изображения мышечного волокна на глубине нескольких миллиметров от кожного покрова. В данном случае средство фокусирования 4 наводится на заданную глубину резкости. Короткий импульс длительностью не более 5х10^-9 с посредством оптической системы 2 формируется в строго параллельный пучок с расходимостью не более 40'' и подается на объект как показано на фиг.1 и 2, т.е. либо отражается от объекта, либо проходит через него. Средство фокусирования 4 наводится на заданную глубину.

Далее световой поток поступает на фотоприемник 6, где регистрируется величина пространственного распределения интенсивности отраженного светового потока. Часть же потока, выделенная каналом 3 до объекта, так же поступает на фотоприемник 6 и так же при помощи последнего фиксируется величина распределения интенсивности светового потока по площади этого пучка. Поскольку канал 3 выделяет часть того же потока, что и попадает на объект, то информация от этого канала 3 позволяет определить пространственное распределение интенсивности потока до объекта и нормировать, на основании этой регистрации распределение, полученное от потока лазерного излучения, взаимодействующего с объектом, т.е. на основании "чистой" регистрации распределения интенсивности по площади потока осуществляется своего рода фильтрация изображения от объекта.

Как показали эксперименты длина волны менее 600 нм не позволяет с достаточной разрешающей способностью осуществлять регистрацию. При этом импульс должен быть не более указанной длительности и потоком энергии в импульсе за указанную длительность не менее 10^-6 Дж/см², при этом ограничение по длительности выбрано из условия отсутствия переизлучения в биологических объектах, а величина потока энергии из условия необходимой информационности отраженного светового потока, т.е. требуемого разрешения по всему полю обзора.

Устройство работает следующим образом.

Лазер 1 излучает пикосекундные импульсы, длину волны которых выбирают в диапазоне прозрачности для данного объекта. При этом световой поток делится в канале 3 и поступает на камеру 5, причем оптическая система 2 формирует поток таким образом, чтобы его расходимость до объекта не превышала 40''. Регистрацию можно вести как в прямом, так и в отраженном потоке. Блок 7 фокусировки позволяет настроиться на заданную глубину обзора и заданную резкость, что достигается работой трех серводвигателей (не показаны), которые связаны с камерой 6, средством 4 и средством 5 фиксации объекта. Это позволяет с точностью до микрона фиксировать положение поля обзора. При каждом импульсе лазера 1 блок синхронизации 8 включает в работу камеру 6, на которую поступает световой поток от канала 3 и от средства фокусирования 4.

Таким образом, каждый световой импульс оценивается индивидуально, что повышает точность. Информация с камеры 6 поступает на блок 9 и далее вводится в ЭВМ 11 и фиксируется после обработки на дисплее 10. По программе об уровнях послойного сканирования объекта ЭВМ 11 через интерфейс 12 формирует команды управления на сервоприводы, которые перемещают связанные с ними средства 4 и 5, а так же камеру 6, добиваясь необходимой резкости на заданной глубине регистрации в объекте.

Применение данных технических решений позволяет получать высокоточные послойные изображения объекта, который может быть непроницаем для видимого диапазона длин волн или может быть настолько прозрачен, что другими средствами невозможно выявить какие-либо неоднородности или структуру объекта. К достоинствам изобретения так же относится и то, что осуществляется неразрушающий анализ структуры объекта с послойным сканированием по глубине при значительном поле обзора, что позволяет использовать изобретение для детализации структуры мягких тканей животных, структуры растительных тканей, а так же любых неоднородностей в объектах, имеющих полосу прозрачности в красном и ИК-спректральных диапазонах.

Формула изобретения

1. Способ получения послойных изображений объекта, включающий облучение исследуемого объекта импульсным лазерным излучением, формирование на объекте зоны облучения заданной величины, фокусирование отраженного от этой зоны светового потока на фотоприемник с одновременным направлением на последней части падающего на объект потока лазерного излучения, регистрацию фотоприемником пространственного распределения интенсивности отраженного светового потока и визуализацию этого распределения, отличающийся тем, что регистрацию отраженного светового потока осуществляют в телесном угле не более 1,2 стерадиан в направлении оптической оси лазерного излучения, длину волны которого выбирают не менее 600 нм при длительности импульса не более 5 х 10^-9 с, плотности потока энергии и в импульсе не менее 10^-6 Дж/см² и поперечном распределении ТЕМ₀₀, при этом одновременно с пространственным распределением интенсивности отраженного потока лазерного излучения регистрируют пространственное распределение интенсивности упомянутой части падающего на объект потока лазерного излучения, которое используют для нормирования неравномерности по интенсивности потока лазерного излучения по площади зоны облучения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расходимость потока лазерного излучения от лазерного излучателя до объекта не превышает 40ʺ. 3. Устройство для получения послойных изображений объекта, содержащее импульсный лазерный излучатель, оптическую систему с каналом выделения части падающего лазерного излучения и средством фокусирования потока излучения, средство фиксации объекта, фотоприемник, выход которого связан с входом блока обработки и отображения информации, при этом фотоприемник установлен с возможностью регистрации упомянутых потоков выделенной части падающего и отраженного лазерных излучений, отличающееся тем, что оно снабжено блоком синхронизации и блоком фокусировки, при этом фотоприемник выполнен в виде приемной камеры с ПЗС-матрицей, а блок фокусировки включает три сервопривода с соответствующими средствами контроля и управления, причем линии связи блока фокусировки связаны с соответствующими линиями блока обработки и отображения информации, выходы сервоприводов кинематически связаны соответственно с приемной камерой, средством фокусирования потока излучения и средством фиксации объекта, причем выход блока управления импульсного лазерного излучателя связан посредством блока синхронизации с соответствующим входом приемной камеры с возможностью расположения на последней рабочих зон от выделенной части падающего и отраженного потоков лазерного излучения без взаимного перекрытия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3