УДК 62

УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ АЛГОРИТМ ПОСТРОЕНИЯ СТРУКТУРНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ БИООБЪЕКТА В ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ

Абдулкарим Саиф Назар1, Галеб Камаль Ибрагим Салех1, Проскурин Сергей Геннадьевич1
1Тамбовский государственный технический университет

Аннотация
Предлагается усовершенствованный алгоритм построения структурного изображения биообъекта для оптической когерентной томографии, позволяющий увеличить глубину когерентного зондирования и получить изображение более высокого качества.

Ключевые слова: Когерентная томография, когерентное зондирование


IMPROVED ALGORITHM FOR STRUCTURAL IMAGES OF BIOLOGICAL OBJECTS IN OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY

Abdulkarim Saif Nazar1, Galeb Kamal Ibragim Saleh1, Proskurin Sergey Gennadevich1
1Tambov State Technical University

Abstract
We provide an improved algorithm for constructing a structural image of bioobject for optical coherence tomography, which allows to increase the depth of coherent sensing and get a better quality picture.

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ, 14.00.00 МЕДИЦИНСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Абдулкарим С.Н., Галеб К.И.С., Проскурин С.Г. Усовершенствованный алгоритм построения структурного изображения биообъекта в оптической когерентной томографии // Современные научные исследования и инновации. 2013. № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2013/01/19834 (дата обращения: 02.06.2017).

Оптическая когерентная томография (ОКТ) возникла в конце восьмидесятых, в начале девяностых годов двадцатого века [1]. В начале XXI века она заняла прочное место в ряду медицинской диагностической техники. ОКТ использует отражённый оптический сигнал от поверхностей различной оптической плотности, и во многом аналогична ультразвуковой (УЗИ) диагностике. Глубина зондирования плотных биотканей ОКТ системами при использовании длин волн λ = 900 – 1300 нм, составляет 1-2 мм, что существенно меньше чем у систем УЗИ [2, 3] и рентгеновских приборов [4]. Из-за сильного рассеяния оптического излучения в плотных биотканях, ОКТ системы применяются, преимущественно, для исследования роговицы, стекловидного тела и сетчатки глаза. Однако, разрешение таких систем ОКТ  на один, два порядка превышает разрешение систем УЗИ для аналогичных исследований, которое составляет ~1 – 0,1 мм [2].

Цель настоящей работы – разработка усовершенствованного алгоритма построения структурного изображения биообъекта для ОКТ, позволяющего увеличить глубину когерентного зондирования и получить изображение с большим контрастом и информативностью.

Электрический сигнал, полученный с детекторов ОКТ, включенных в балансную схему, представляет собой усиленное и оцифрованное с помощью АЦП среднее значение интенсивности излучения, отражённого от биообъекта. Получение 2-х координатного изображения из интерференционного сигнала сводится к построению спектрограммы. Спектрограмма представляет собой функцию двух переменных: время и частота. То есть, интерференционный сигнал, представляющий собой функцию одной переменной (времени), преобразуется в спектрограмму являющейся функцией двух переменных. Для построения спектрограммы интерференционный сигнал разбивается по времени на короткие сегменты одинаковой длительности.  К каждому из этих сегментов применяется быстрое преобразование Фурье (STFT, в среде LabVIEW). На каждом из сегментов спектр представляет собой комплексно-значную функцию номера отсчета  (или момента времени).  Известно,  что комплексно-значную функцию нельзя построить в одной системе координат на плоскости. Поэтому обычно при анализе спектра строят амплитудный и фазовый спектр любого сигнала. Амплитудный спектр представляет собой модуль комплексного спектра,  а фазовый – его аргумент.  Спектрограмма представляет собой объединение амплитудных спектров,  вычисленных на коротких сегментах,  в функцию двух переменных или матрицу. Алгоритм подобной обработки приведён на рисунке 1.

В данном алгоритме можно выделить 5 принципиально важных этапов: «Разбиение сигнала», «Фурье-преобразование», «Выделение огибающей», «Логарифм огибающей», «Запись данных в матрицу»

Первым этапом программной обработки является разбиение интерференционного сигнала на одинаковые по длительности сегменты. Следует отметить важную особенность – интерференционный сигнал имеет дискретный спектр. Это связано с использованием цифровых средств его регистрации и приводит к целому ряду ограничений характерных для дискретного представления непрерывный данных.

 

 Рисунок 1 – Алгоритм обработки электрического сигнала с детекторов оптического когерентного томографа

Следующим этапом обработки сигнала является использование быстрого преобразования Фурье к каждому сегменту. Так как разность хода плеч сканирующего интерферометра меняется непрерывно при сканировании оптической линии задержки, теоретически окно преобразования Фурье, должно также смещаться непрерывно, т.е. на одну точку, но это делает обработку сигнала довольно долгой, порядка нескольких минут. Эмпирически было показано, что обработка сигнала со сдвигом окна на 70-80% даёт такой же контраст изображения как и с непрерывным сдвигом – в одну точку. Это занимает 2 – 5 секунд при использовании компьютера со средними параметрами (одноядерный процессор частотой 2.4 ГГц, 512 Мб оперативной памяти). При использовании мощного компьютера и специализированного программного обеспечения это время может быть сокращено до одной секунды. Такой подход обеспечивает получение изображений в реальном времени и визуальную обратную связь при использовании живого биомедицинского объекта.

Обработка сигнала со сдвигом окна на 70-80% – является  важной особенностью предлагаемой нами обработки электрического сигнала [5].

Следующим этапом обработки сигнала является выделение огибающей спектрального сигнала, полученного в результате Фурье-преобразования каждого сегмента. Важной особенностью полученного сигнала будет его симметричность относительно нулевого значения оптической разности хода волн. Этот факт объясняется тем, что результатом Фурье-преобразования является комплексозначная функция, действительная часть которой, симметрична, а мнимая антисимметрична. Так как в реальных приложениях интерес представляет лишь действительная часть сигнала, либо его модуль, то восстановленный сигнал имеет симметричный вид. Помимо симметричности сигнал спектральной ОКТ имеет ещё одну важную особенность – зеркальное наложение комплексно сопряжённого сигнала. В случае если оптическая разность хода между опорной волной и волной с биообъекта будет равна нулю полезный сигнал наложится на автокорреляционную составляющую, в таком случае появятся множественные артефакты изображения. Этого можно избежать, располагая биообъект таким образом, чтобы его первая граница была удалена от положения нулевой разности хода волн в интерферометре на величину большую, чем оптическая толщина самого объекта [5].

Следующим этапом обработки будет логарифмирование огибающей интерференционного сигнала каждого сегмента. Оно  необходимо для устранения симметричности. При логарфимировании удалится часть расположенная ниже нулевого значения разности хода волн.

Заключительным этапом обработки является объединение амплитудных спектров,  вычисленных на коротких сегментах,  в матрицу. Данные этой матрицы основа для построения изображения.


Библиографический список
  1. Зимняков Д.А., Тучин В.В. Оптическая томография тканей // Квантовая электроника. –  2002. – № 10. –  С.849-867.
  2. Гундорова Р.А., Кваша О.И., Нурмамедов Р.А. Характеристика изменений органа зрения при ЧС // Сборник научных трудов. «Российский общенациональный форум» с международным участием. Москва, 2008, С.202-205.
  3. Fisher YL, Nogueira F, Salles D. Diagnostic ophthalmic ultrasonography. In: Tasman W, Jaeger EA, eds. // Duane’s Foundations of Clinical Ophthalmology . 15th ed. Philadelphia, Pa: Lippincott Williams & Wilkins; 2009:chap 108.
  4. Abahussin M, Hayes S, Knox Cartwright NE, Kamma-Lorger CS, Khan Y, Marshall J, Meek KM. 3D collagen orientation study of the human cornea using X-ray diffraction and femtosecond laser technology // Invest Ophthalmol Vis Sci. 2009 Vol. 50 (11) p.5159-64.
  5. Проскурин С.Г., Потлов А.Ю., Галеб К.И.С., Абдулкарим С.Н. Построение структурного изображения биообъекта с использованием растрового усреднения в оптической когерентной томографии // Известия ЮФУ. Технические науки, 2012.- №9.- C.129–134


Все статьи автора «Татьяна Точилина»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: