RU90906U1

RU90906U1 - DEVICE FOR TOMOGRAPHIC RECONSTRUCTION OF THE INTERNAL STRUCTURE OF REFRACTIVE AND DIFFUSING OBJECTS

Info

Publication number: RU90906U1
Application number: RU2008118246/22U
Authority: RU
Inventors: Арсений Анатольевич Данилов; Юрий Петрович Маслобоев; Виталий Маркович Подгаецкий; Дмитрий Александрович Потапов; Иван Дмитриевич Пьянов; Сергей Васильевич Селищев; Сергей Андреевич Терещенко
Priority date: 2008-05-12
Filing date: 2008-05-12
Publication date: 2010-01-20

Abstract

1. Устройство для томографической реконструкции внутренней структуры преломляющих и рассеивающих объектов, состоящее из источника направленного оптического излучения, объекта исследования, системы линейного перемещения и кругового вращения объекта, приемника излучения и системы обработки данных, отличающееся тем, что устройство снабжено фоконом, расположенным между точкой выхода излучения из среды и приемником излучения. ! 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве фокона используют конус с внутренней поверхностью, отражающей излучение. ! 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве фокона используют конусообразный элемент волоконной оптики, изготовленный из спеченных вместе конических стеклянных нитей. ! 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве источника направленного оптического излучения используют источник импульсного излучения, а в качестве приемника излучения используют приемник импульсного излучения. ! 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве источника направленного оптического излучения используют источник непрерывного излучения, а в качестве приемника излучения используют приемник непрерывного излучения. ! 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве источника направленного оптического излучения используют источник модулированного излучения, а в качестве приемника излучения используют приемник модулированного излучения. ! 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве источника направленного оптического излучения используют лампу. ! 8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве источника направленного оптического излучения 1. A device for tomographic reconstruction of the internal structure of refracting and scattering objects, consisting of a source of directional optical radiation, an object of study, a linear motion system and circular rotation of the object, a radiation receiver and a data processing system, characterized in that the device is provided with a focus located between the exit point radiation from the medium and the radiation receiver. ! 2. The device according to claim 1, characterized in that a cone with an internal surface reflecting radiation is used as a focon. ! 3. The device according to claim 1, characterized in that the cone-shaped element of fiber optics made of sintered conical glass strands together is used as a focus. ! 4. The device according to claim 1, characterized in that a pulsed radiation source is used as a directional optical radiation source, and a pulsed radiation receiver is used as a radiation receiver. ! 5. The device according to claim 1, characterized in that a continuous radiation source is used as a directional optical radiation source, and a continuous radiation receiver is used as a radiation receiver. ! 6. The device according to claim 1, characterized in that a modulated radiation source is used as a directional optical radiation source, and a modulated radiation receiver is used as a radiation receiver. ! 7. The device according to claim 1, characterized in that a lamp is used as a source of directional optical radiation. ! 8. The device according to claim 1, characterized in that as a source of directional optical radiation

Description

Изобретение относится к области исследования внутренних структур рассеивающих объектов, например, биологических, методами трансмиссионной оптической томографии. Изобретение может найти применение в процедурах исследования внутренних структур рассеивающих свет образцов как в медицине, так и в промышленности. Область использования изобретения включает в себя нефтяную и газовую промышленность, производство материалов, включая биоматериалы, пищевую промышленность, включая пивоварение, птицеводство, изготовление лекарств и медикаментов, медицинскую диагностику и др.The invention relates to the field of research of internal structures of scattering objects, for example, biological, using transmission optical tomography methods. The invention can find application in the procedures for studying the internal structures of light-scattering samples in medicine and in industry. The scope of the invention includes the oil and gas industry, the production of materials, including biomaterials, the food industry, including brewing, poultry farming, the manufacture of medicines and medicines, medical diagnostics, etc.

Излучение, прошедшее через рассеивающий объект, несет в себе информацию об оптических свойствах объекта [1]. Однако, в условиях сильного рассеяния света при прохождении излучения через объект исследования процесс томографической реконструкции значительно усложняется. Крайне негативное влияние на реконструкцию оказывает преломление света на границе раздела двух сред (на входе в объект и на выходе из объекта исследования). В результате преломления, луч на выходе из объекта исследования смещается от первоначального направления, т.е. свет движется не прямолинейно.Radiation transmitted through a scattering object carries information about the optical properties of the object [1]. However, under conditions of strong light scattering when radiation passes through the object of study, the process of tomographic reconstruction is much more complicated. The refraction of light at the interface between two media (at the entrance to the object and at the exit from the object of study) has a very negative effect on the reconstruction. As a result of refraction, the beam at the exit from the object of study is shifted from the original direction, i.e. the light does not move linearly.

Известен способ получения томографических изображений внутренней структуры рассеивающих объектов с помощью оптической системы [2], который включает в себя следующие этапы: облучение объекта источником направленного излучения, фокусировка оптической системы на точке в объекте; фиксирование света, прошедшего через фильтр, на точке в плоскости изображения; фокусировка оптической системы на следующей точке, фиксирование следующей точки в плоскости изображения, и т.д. Таким образом, получают сфокусированное (томографическое) изображение внутренней структуры рассеивающего объекта.A known method of obtaining tomographic images of the internal structure of scattering objects using an optical system [2], which includes the following steps: irradiating an object with a directed radiation source, focusing the optical system on a point in the object; fixing the light passing through the filter at a point in the image plane; focusing the optical system on the next point, fixing the next point in the image plane, etc. Thus, a focused (tomographic) image of the internal structure of the scattering object is obtained.

Недостатком способа является то, что в нем не учитывается преломление, что ухудшает качество получаемых томографических изображений.The disadvantage of this method is that it does not take into account refraction, which affects the quality of the resulting tomographic images.

Известен способ компенсации преломления излучения [3], основанный на использовании компенсирующих цилиндрических линз, повторяющих форму объекта и установленных впереди и позади объекта.A known method of compensating for the refraction of radiation [3], based on the use of compensating cylindrical lenses that repeat the shape of the object and installed in front and behind the object.

Однако, такой способ неприменим к томографической реконструкции оптических характеристик рассеивающих образцов.However, this method is not applicable to tomographic reconstruction of the optical characteristics of scattering samples.

Известен способ [4], который может быть использован в томографической системе. Предлагается вводить в систему «источник - объект исследования -приемник» устройство для преломления света, установленное на специальном держателе и имеющее призменные блоки, которые состоят либо из одной призмы, либо из большого количества малых призм. При этом излучение, которое отклоняется от своего первоначального направления и не попадает в приемник излучения, направляют на чувствительную область приемника за счет преломления света.The known method [4], which can be used in a tomographic system. It is proposed to introduce into the system “source - object of study-receiver” a device for refracting light mounted on a special holder and having prism blocks that consist of either one prism or a large number of small prisms. In this case, radiation that deviates from its original direction and does not fall into the radiation receiver is directed to the sensitive region of the receiver due to light refraction.

Недостатком способа является сложность его технической реализации.The disadvantage of this method is the complexity of its technical implementation.

В качестве прототипа для способа берется известный способ томографической реконструкции [1]. В прототипе используют круговую геометрию измерений с параллельными проекциями для томографического восстановления двумерного распределения коэффициента ослабления излучения µ(х,у). Суть способа заключается в следующем: источник излучения, формирующий тонкий пучок, смещается дискретно вдоль объекта. Синхронно с источником с другой стороны объекта движется приемник излучения. Набор отсчетов, полученный таким образом, определяет одномерную функцию, называемую проекцией. Затем система «источник-приемник» поворачивается относительно объекта на некоторый угол, и снимается новый набор отсчетов, определяющий следующую проекцию. Такие измерения повторяются, пока система «источник-приемник» не повернется на угол 2π. По полученному набору одномерных проекций восстанавливается двумерное распределение µ(х,у).As a prototype for the method, the known method of tomographic reconstruction is taken [1]. The prototype uses a circular geometry of measurements with parallel projections for tomographic reconstruction of the two-dimensional distribution of the coefficient of attenuation of radiation µ (x, y). The essence of the method is as follows: the radiation source forming a thin beam is displaced discretely along the object. Synchronously with the source, the radiation receiver moves on the other side of the object. The set of samples obtained in this way defines a one-dimensional function called projection. Then the source-receiver system is rotated relative to the object by a certain angle, and a new set of samples is taken, which determines the next projection. Such measurements are repeated until the source-receiver system rotates through an angle of 2π. From the obtained set of one-dimensional projections, the two-dimensional distribution μ (x, y) is reconstructed.

Однако, такой способ не учитывает излучение, если оно не попадает в приемник за счет преломления на границе объекта и рассеяния внутри объекта. Это обстоятельство ухудшает качество томографической реконструкции.However, this method does not take into account radiation if it does not reach the receiver due to refraction at the boundary of the object and scattering inside the object. This circumstance worsens the quality of tomographic reconstruction.

Известно устройство, использующее преломление света для направления излучения на чувствительную область приемника, которое может применяться в томографии [4]. В устройстве используются призменные блоки, смонтированные в непосредственной близости от чувствительной области приемника, что позволяет направить на приемник свет, который незначительно отклоняется от своего первоначального направления и не попадает в поле зрения приемника излучения. Каждый призменный блок состоит либо из одной призмы, либо из большого количества малых призм. Чтобы сфокусировать излучение на область призменного блока и приемника, над ними помещают линзу Френеля. Всю предлагаемую конструкцию устанавливают на специальном держателе.A device is known that uses light refraction to direct radiation to a sensitive area of the receiver, which can be used in tomography [4]. The device uses prism blocks mounted in the immediate vicinity of the sensitive area of the receiver, which allows directing light to the receiver that deviates slightly from its original direction and does not fall into the field of view of the radiation receiver. Each prism block consists of either a single prism or a large number of small prisms. To focus the radiation on the area of the prism unit and receiver, a Fresnel lens is placed above them. The entire proposed design is mounted on a special holder.

Недостатком устройства является его техническая сложность.The disadvantage of this device is its technical complexity.

Известны устройства для определения оптических характеристик рассеивающих образцов [5, 6]. При этом используется источник направленного оптического излучения. Проходя через образец, излучение взаимодействует с веществом объекта. При этом существует два основных вида взаимодействия: поглощение и рассеяние света. Прошедшее через объект излучение регистрируется приемником, после чего происходит обработка полученных данных.Known devices for determining the optical characteristics of scattering samples [5, 6]. In this case, a directional optical radiation source is used. Passing through the sample, the radiation interacts with the substance of the object. There are two main types of interaction: absorption and scattering of light. The radiation transmitted through the object is recorded by the receiver, after which the received data is processed.

Основным недостатком этих устройств является то, что в них не учитывается излучение, которое не попадает в приемник из-за преломления. Это снижает эффективность регистрации прошедшего излучения и, как следствие, ухудшает качество реконструкции.The main disadvantage of these devices is that they do not take into account radiation that does not enter the receiver due to refraction. This reduces the efficiency of registration of transmitted radiation and, as a result, affects the quality of reconstruction.

Известно устройство [7] для регистрации оптического излучения, которое может использоваться в томографии, содержащее фотоприемник с разнесенными фоточувствительными площадками; перед фотоприемником установлен призменный блок, составленный из двух трехгранных равнобедренных призм, обращенных одна к другой большими гранями, при этом регистрируемый поток излучения падает перпендикулярно ребру двугранного угла, опирающегося на большую грань первой по ходу излучения призмы.A device [7] for recording optical radiation, which can be used in tomography, comprising a photodetector with spaced photosensitive sites; a prism block is installed in front of the photodetector, made up of two trihedral isosceles prisms facing one another with large faces, while the detected radiation flux drops perpendicular to the edge of the dihedral angle, leaning on the large face of the first prism along the radiation path.

Недостатком устройства является то, что в нем не учитывается искривление траекторий фотонов вследствие рассеяния.The disadvantage of this device is that it does not take into account the curvature of the trajectories of photons due to scattering.

Известно устройство [8] для выполнения инфракрасной трансмиссионной спектроскопии, включающее в себя источник излучения, систему для облучения объекта исследования и систему для сбора излучения. Два концентратора, соединенные друг с другом узкими концами, и отражатель предназначены для равномерного освещения исследуемого объекта. В состав приемного канала устройства может вводиться концентратор в форме усеченного конуса, который устанавливают перед приемником.A device [8] is known for performing infrared transmission spectroscopy, which includes a radiation source, a system for irradiating an object of research, and a system for collecting radiation. Two hubs connected to each other by narrow ends, and a reflector are designed for uniform illumination of the studied object. A hub in the form of a truncated cone, which is installed in front of the receiver, can be introduced into the receiving channel of the device.

Недостатком устройства является то, что оно неэффективно для рассеивающих и преломляющих объектов.The disadvantage of this device is that it is ineffective for scattering and refracting objects.

Известна оптическая система для томографической визуализации объектов в рассеивающих средах [2], состоящая из источника оптического излучения, объекта исследования - рассеивающей среды, системы линз и фильтра для обеспечения пространственной фильтрации. Движение оптической системы и ее перефокусировка позволяют осуществить сканирование рассеивающего объекта. Система линз, которая установлена за объектом исследования, состоит из линзы объектива, изображающей линзы, размещенной на оптической оси линзы объектива, а также фильтра пространственной фильтрации, размещающегося между этими линзами.A known optical system for tomographic imaging of objects in scattering media [2], consisting of a source of optical radiation, the object of study is a scattering medium, a lens system and a filter to provide spatial filtering. The movement of the optical system and its refocusing allow you to scan a scattering object. The lens system, which is installed behind the object of study, consists of an objective lens depicting a lens located on the optical axis of the objective lens, as well as a spatial filter, located between these lenses.

Недостатком устройства является использование системы линз и фильтра, что увеличивает линейный размер системы и технически усложняет устройство.The disadvantage of this device is the use of a lens and filter system, which increases the linear size of the system and technically complicates the device.

Наиболее близкой по технической сути является высокоэффективная оптическая собирающая система для детектирования излучения по патенту [9].The closest in technical essence is a highly efficient optical collecting system for radiation detection according to the patent [9].

Прототип состоит из двух соединенных вместе концентраторов с двумя открытыми концами, соответствующими точке входа излучения в концентратор и точке выхода. Концентраторы яйцевидной формы обладают внутренними зеркальными стенками. За счет отражения от внутренней зеркальной поверхности луч попадает в приемник излучения.The prototype consists of two concentrators connected together with two open ends corresponding to the point of radiation entry into the concentrator and the exit point. Concentrators of an ovoid form possess internal mirror walls. Due to reflection from the internal mirror surface, the beam enters the radiation receiver.

Недостатком прототипа является то, что он не обеспечивает сбор преломленных лучей, прошедших через объект исследования, т.к. преломленный луч не сможет попасть внутрь концентратора в силу своего отклонения относительно первоначального направления распространения и малого диаметра входного отверстия концентратора. Составная структура из двух частей разной геометрической конфигурации приводит к усложнению общей конструкции прототипа, к повышению требований к обработке мест соединений двух концентраторов и к возможным искажениям и потерям из-за наличия шва на месте их соединения.The disadvantage of the prototype is that it does not provide the collection of refracted rays that have passed through the object of study, because the refracted beam cannot get inside the concentrator due to its deviation with respect to the initial propagation direction and the small diameter of the concentrator inlet. The composite structure of two parts of different geometric configurations leads to a complication of the general design of the prototype, to increased requirements for processing the joints of two concentrators and to possible distortions and losses due to the presence of a seam at the junction.

Задача изобретения заключается в улучшении качества томографической реконструкции внутренней структуры преломляющей рассеивающей среды за счет учета эффектов преломления и рассеяния излучения в объекте.The objective of the invention is to improve the quality of tomographic reconstruction of the internal structure of a refracting scattering medium by taking into account the effects of refraction and scattering of radiation in the object.

Для того, чтобы улучшить качество томографической реконструкции и зарегистрировать оптическое излучение, прошедшее через преломляющую рассеивающую среду, в общую схему измерений между точкой выхода луча из объекта исследования и системой регистрации излучения (приемником излучения) помещают фокон (фокусирующий конус), который представляет собой конусообразный оптический элемент с различными радиусами входного и выходного отверстия.In order to improve the quality of the tomographic reconstruction and register the optical radiation transmitted through the refracting scattering medium, a focon (focusing cone), which is a cone-shaped optical, is placed in the general measurement circuit between the beam exit point from the object of study and the radiation registration system (radiation receiver) element with different radii of the inlet and outlet.

Применение в системе регистрации излучения, прошедшего через объект исследования, вспомогательного оптического устройства - фокона - позволяет повысить интенсивность регистрируемого приемником излучения за счет компенсации потерь излучения, неизбежных в результате преломления луча на границе раздела двух сред с различными показателями преломления, а также зарегистрировать даже те фотоны, которые рассеялись в сторону от оси.The use of an auxiliary optical device — a focon — in the radiation registration system that has passed through the object of study makes it possible to increase the intensity of radiation detected by the receiver by compensating for radiation losses that are inevitable as a result of refraction of a beam at the interface between two media with different refractive indices, and even detecting those photons that are scattered away from the axis.

Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства, состоящего из источника оптического излучения, объекта исследования, системы линейного перемещения и кругового вращения объекта, фокона, приемника излучения и системы обработки данных. При этом приемник излучения и фокон должны быть расположены в месте, соответствующем выходу излучения после преломления на границах объекта. Фокон либо крепится непосредственно на приемник излучения, либо к держателю, расположенному перед приемником излучения. При этом внутренняя поверхность фокона может быть выполнена либо из материала, отражающего излучение, либо на внутреннюю поверхность напыляется слой, отражающий излучение, либо фокон выполняется из спеченных вместе конических стеклянных нитей (оптического волокна). Фокон должен иметь выходное отверстие, соизмеримое с размером чувствительной области приемника излучения, а входное отверстие должно быть иметь такой диаметр, чтобы преломленный луч попадал внутрь фокона даже при условии максимального смещения от своего первоначального направления.The proposed method is implemented using a device consisting of an optical radiation source, an object of research, a linear motion system and circular rotation of the object, a focus, a radiation receiver and a data processing system. In this case, the radiation receiver and focon should be located in a place corresponding to the radiation output after refraction at the boundaries of the object. The focon is either attached directly to the radiation receiver, or to a holder located in front of the radiation receiver. In this case, the inner surface of the focon can be made either of a material reflecting radiation, or a layer reflecting radiation is sprayed onto the inner surface, or the focon is made of conical glass fibers sintered together (optical fiber). The focon should have an outlet comparable with the size of the sensitive area of the radiation receiver, and the inlet should be of such a diameter that the refracted beam enters the focon, even if it is displaced from its original direction.

Графические изображенияGraphic Images

На фиг.1 показан общий вид классической схемы измерения: источник (И) испускает направленное на объект исследования (О) оптическое излучение, которое регистрируются приемником (П). Объект установлен на системе линейного перемещения и кругового вращения (СП). Обработка данных осуществляется с помощью системы обработки данных (СОД).Figure 1 shows a general view of the classical measurement scheme: the source (I) emits optical radiation directed at the object of study (O), which is recorded by the receiver (P). The object is installed on a linear displacement and circular rotation (SP) system. Data processing is carried out using a data processing system (SOD).

На фиг.2 показан фокон: d₁ - диаметр входного отверстия фокона, d₂ - диаметр выходного отверстия фокона, h - длина фокона, α - угол уклона фокона.Figure 2 shows the focon: d ₁ is the diameter of the inlet of the focon, d ₂ is the diameter of the outlet of the focon, h is the length of the focon, α is the angle of inclination of the focon.

На фиг.3 показана общая схема измерения: источник (И) испускает направленное на объект исследования (О) оптическое излучение. Объект установлен на системе линейного перемещения и кругового вращения (СП). Прошедшее через объект излучение попадает в фокон (Ф) и регистрируются приемником (П). Обработка данных осуществляется с помощью системы обработки данных (СОД).Figure 3 shows the general measurement scheme: the source (I) emits optical radiation directed at the object of study (O). The object is installed on a linear displacement and circular rotation (SP) system. The radiation transmitted through the object enters the focon (F) and is recorded by the receiver (P). Data processing is carried out using a data processing system (SOD).

На фиг.4 показан ход лучей в фоконе. За счет отражения от внутренней отражающей поверхности фокона (Ф), луч света попадает в приемник излучения (П).Figure 4 shows the path of the rays in focus. Due to reflection from the internal reflective surface of the focon (Ф), a ray of light enters the radiation receiver (P).

На фиг.5 показаны эффекты отражения и преломления света на границе раздела двух сред. Здесь линия АВ - плоская граница раздела сред. Лучи 1, 1' и 2 характеризуют направления распространения падающей, отраженной и преломленной плоских волн, φ - угол падения, φ' - угол отражения и ψ - угол преломления.Figure 5 shows the effects of reflection and refraction of light at the interface between two media. Here, the line AB is a flat media interface. Rays 1, 1 'and 2 characterize the propagation directions of the incident, reflected and refracted plane waves, φ is the angle of incidence, φ' is the angle of reflection and ψ is the angle of refraction.

На фиг.6 показан луч непрерывного источника света с интенсивностью I₀, падающий на цилиндрический объект, являющийся чисто поглощающим и преломляющим.Figure 6 shows a beam of a continuous light source with intensity I ₀ incident on a cylindrical object, which is purely absorbing and refracting.

На фиг.7 показана круговая геометрия измерений с параллельными проекциями, применяемая в томографии для восстановления двумерного распределения коэффициента ослабления излучения µ(х,у). Процесс измерений выглядит следующим образом: источник излучения (И), формирующий тонкий пучок, проходит дискретно вдоль объекта (О). Синхронно с источником с другой стороны объекта движется приемник излучения (П). Набор отсчетов, полученный таким образом, определяет одномерную функцию, называемую проекцией. Затем система «источник-приемник» поворачивается относительно объекта на некоторый угол, и снимается новый набор отсчетов, определяющий следующую проекцию. Такие измерения повторяются, пока система «источник-приемник» не повернется на угол 2π.Fig. 7 shows the circular geometry of measurements with parallel projections used in tomography to reconstruct the two-dimensional distribution of the radiation attenuation coefficient μ (x, y). The measurement process is as follows: the radiation source (I), forming a thin beam, passes discretely along the object (O). Synchronously with the source, the radiation receiver (P) moves on the other side of the object. The set of samples obtained in this way defines a one-dimensional function called projection. Then the source-receiver system is rotated relative to the object by a certain angle, and a new set of samples is taken, which determines the next projection. Such measurements are repeated until the source-receiver system rotates through an angle of 2π.

На фиг.8 показан луч импульсного источника света с интенсивностью I₀(t),On Fig shows the beam of a pulsed light source with intensity I ₀ (t),

испущенный источником (И), падающий на однородный слой преломляющего рассеивающего вещества (О), где t - время. На выходе из системы можно выделить так называемые баллистические фотоны, которые не испытали ни поглощения, ни рассеяния, и рассеянные фотоны, которые рассеялись под разными углами. Прошедшее через объект излучение регистрируется приемником (П).emitted by a source (I) incident on a uniform layer of refractive scattering substance (O), where t is time. At the exit from the system, one can distinguish the so-called ballistic photons, which have not experienced either absorption or scattering, and scattered photons, which are scattered at different angles. The radiation transmitted through the object is recorded by the receiver (P).

На фиг.9 показано смещение преломленного луча от своего первоначального направления на расстоянии L от центра цилиндрического фантома до приемника (Д). Здесь И - источник направленного оптического излучения.Figure 9 shows the offset of the refracted beam from its original direction at a distance L from the center of the cylindrical phantom to the receiver (D). Here, And is the source of directional optical radiation.

На фиг.10 показан луч импульсного источника света с интенсивностью I₀ (t), испущенный источником (И), падающий на однородный слой преломляющего рассеивающего вещества (О), где t - время. На выходе из системы можно выделить так называемые баллистические фотоны, которые не испытали ни поглощения, ни рассеяния, и рассеянные фотоны, которые рассеялись под разными углами. Прошедшее через объект излучение регистрируется приемником (П). Помещенный между точкой выхода излучения из объекта и приемником излучения фокон (Ф) позволяет зарегистрировать рассеянное и преломленное излучение.Figure 10 shows the beam of a pulsed light source with intensity I ₀ (t), emitted by the source (I), incident on a uniform layer of refractive scattering substance (O), where t is the time. At the exit from the system, one can distinguish the so-called ballistic photons, which have not experienced either absorption or scattering, and scattered photons, which are scattered at different angles. The radiation transmitted through the object is recorded by the receiver (P). Placed between the point of exit of radiation from the object and the radiation receiver focon (f) allows you to register the scattered and refracted radiation.

Обычно томографическая реконструкция внутренней структуры реализуется с помощью устройства, состоящего из источника оптического излучения, объекта исследования, системы линейного перемещения и кругового вращения объекта, фокона, приемника излучения и системы обработки данных (фиг.1). При этом фотоны, идущие мимо приемника излучения, не попадают в приемник излучения. Фокон (фиг.2) может направлять такие фотоны в приемник излучения. Тогда общая система должна включать в себя фокон (фиг.3). Фокон должен иметь выходное отверстие, соизмеримое с размером чувствительной области приемника излучения, а входное отверстие должно быть иметь такой диаметр, чтобы преломленный луч попадал внутрь фокона даже при условии максимального смещения от своего первоначального направления (фиг.4).Typically, tomographic reconstruction of the internal structure is carried out using a device consisting of an optical radiation source, an object of research, a linear motion system and circular rotation of the object, a focon, a radiation receiver and a data processing system (Fig. 1). In this case, photons passing by the radiation receiver do not fall into the radiation receiver. The focon (figure 2) can direct such photons to the radiation receiver. Then the overall system should include a focon (figure 3). The focon should have an outlet comparable with the size of the sensitive area of the radiation receiver, and the inlet should be of such a diameter that the refracted beam would fall inside the focon, even under the condition of maximum displacement from its original direction (Fig. 4).

В однородной среде свет распространяется прямолинейно с постоянной скоростью. Если же среда неоднородна, то в разных областях скорость его распространения различна:In a homogeneous medium, light propagates rectilinearly at a constant speed. If the medium is heterogeneous, then in different areas its propagation speed is different:

где с, v - скорости света в вакууме и в среде, n - показатель преломления среды.where c, v are the speeds of light in vacuum and in the medium, n is the refractive index of the medium.

Кроме того, на границе раздела двух сред с разными показателями преломления n₁ и n₂ существуют эффекты преломления и отражения светового луча [10, 11] (фиг.5). Относительным показателем преломления двух сред (второй среды по отношению к первой) называется величина n₂₁, равная отношению показателей преломления этих сред: n₂₁=n₂/n₁.In addition, at the interface between two media with different refractive indices n ₁ and n _2, there are refraction and reflection effects of the light beam [10, 11] (Fig. 5). The relative refractive index of two media (the second medium relative to the first) is the quantity n ₂₁ equal to the ratio of the refractive indices of these media: n ₂₁ = n ₂ / n ₁ .

При падении на гладкую плоскую поверхность раздела сред плоской монохроматической волны (независимо от характера ее поляризации) справедливы следующие законы [10-11]:When a plane monochromatic wave is incident on a smooth plane interface between media (regardless of the nature of its polarization), the following laws are valid [10-11]:

- закон отражения (отраженный луч лежит в плоскости падения, причем угол падения φ равен углу отражения φ')- the law of reflection (the reflected ray lies in the plane of incidence, and the angle of incidence φ is equal to the angle of reflection φ ')

- закон преломления: преломленный луч лежит в плоскости падения, а угол преломления ψ связан с углом падения φ соотношением- the law of refraction: the refracted ray lies in the plane of incidence, and the angle of refraction ψ is related to the angle of incidence φ by the ratio

Эффекты преломления будут тем больше, чем больше отличается от единицы относительный показатель преломления n₂₁ (т.е. чем больше различаются показатели преломления объекта и окружающей среды).The refraction effects will be the greater, the more the relative refractive index n ₂₁ differs from unity (i.e., the more the refractive indices of the object and the environment differ).

Во многих методиках определения свойств объектов по результатам прохождения через них света используется закон Бугера-Ламберта-Бэра для непрерывного излучения [1]Many methods for determining the properties of objects from the results of light passing through them use the Bouguer-Lambert-Baire law for continuous radiation [1]

где i₀ - интенсивность света, падающего на объект, a l(d) - интенсивность света, прошедшего через объект толщиной d. При этом предполагается, что объект представляет собой чисто поглощающую среду, в которой возможно только поглощение оптического излучения, характеризующееся коэффициентом поглощения µ_a. Если объект является еще и преломляющим, то к поглощению добавляется преломление (фиг.6). В диапазоне рентгеновского излучения обобщение закона Бугера-Ламберта-Бэра для неоднородных сред - экспоненциальный закон ослабления излучения - выполняется с высокой степенью точности. Он служит физической основой интегрального преобразования Радона, которое было впервые применено именно для рентгеновской томографии (фиг.7).where i ₀ is the intensity of light incident on an object, al (d) is the intensity of light transmitted through an object of thickness d. It is assumed that the object is a purely absorbing medium in which only the absorption of optical radiation is possible, characterized by an absorption coefficient µ _a . If the object is also refractive, then refraction is added to the absorption (Fig.6). In the X-ray range, a generalization of the Bouguer-Lambert-Baer law for inhomogeneous media — the exponential law of attenuation of radiation — is performed with a high degree of accuracy. It serves as the physical basis of the integral Radon transform, which was first applied specifically for x-ray tomography (Fig.7).

Однако, на практике в качестве объектов исследования используют среды, в которых кроме поглощения присутствует значительно более сложный процесс рассеяния излучения. Например, в медицине такой средой является кровь, ликвор и другие жидкости организма человека, в промышленности - это нефть и нефтепродукты, задымленный воздух и аэрозоли, и т.д. При этом объект исследования (жидкость, эмульсию и т.д.) целесообразно помещать в кювету для проведения исследования. В этом случае к рассеянию прибавляется эффект преломления на границе раздела двух сред. Нужно стараться применять материалы с минимальным относительным показателем преломления двух сред (второй среды - объекта исследования - по отношению к первой - материалу кюветы) n₂₁=n₂/n₁, что позволит уменьшить искажения, возникающие вследствие преломления света на границе раздела двух сред.However, in practice, media are used as objects of study in which, in addition to absorption, there is a much more complex process of radiation scattering. For example, in medicine, such an environment is blood, cerebrospinal fluid, and other fluids of the human body; in industry, it is oil and oil products, smoky air and aerosols, etc. In this case, the object of study (liquid, emulsion, etc.) should be placed in a cuvette for research. In this case, the refraction effect at the interface between two media is added to the scattering. It is necessary to try to use materials with a minimum relative refractive index of two media (the second medium — the object of study — relative to the first — the material of the cuvette) n ₂₁ = n ₂ / n ₁ , which will reduce the distortions arising from the refraction of light at the interface between two media.

Но, зачастую, даже таких мер бывает недостаточно, и влияние эффектов преломления и рассеяния негативно сказывается на результатах томографической реконструкции.But, often, even such measures are not enough, and the influence of the effects of refraction and scattering negatively affects the results of tomographic reconstruction.

В последнее время в медицинской диагностике различных тканей и органов, все большее развитие получает трансмиссионная оптическая томография. Ее перспективность обусловлена применением безопасного для пациентов и медицинского персонала неионизирующего оптического излучения, компактностью и малой стоимостью требуемой аппаратуры. Однако оптическое излучение подвергается существенно большему ослаблению в биологических тканях, представляющих собой сильнорассеивающую среду, что приводит к значительным трудностям, как при регистрации излучения, так и при математической обработке полученных данных.Recently, in the medical diagnosis of various tissues and organs, transmission optical tomography is becoming increasingly developed. Its promise is due to the use of non-ionizing optical radiation that is safe for patients and medical personnel, due to its compactness and low cost of the required equipment. However, optical radiation undergoes a significantly greater attenuation in biological tissues, which are a strongly scattering medium, which leads to significant difficulties both in the registration of radiation and in the mathematical processing of the obtained data.

Взаимодействие излучения с преломляющей рассеивающей средой носит более сложный характер по сравнению с преломляющей чисто поглощающей средой, а оптическое излучение подвергается существенно большему ослаблению, что приводит к значительным трудностям, как при регистрации, так и при обработке полученных данных.The interaction of radiation with a refracting scattering medium is more complex than that of a refractive purely absorbing medium, and optical radiation undergoes a much greater attenuation, which leads to significant difficulties both in recording and in processing the obtained data.

В преломляющей рассеивающей среде часть фотонов вследствие процессов многократного рассеяния меняет направление своего движения , что приводит к расплыванию луча и к невыполнению закона Бугера-Ламберта-Бэра (фиг.8).In a refracting scattering medium, some of the photons change their direction of motion due to multiple scattering processes , which leads to the spreading of the beam and to the failure of the Bouguer-Lambert-Baer law (Fig. 8).

Основным методом описания прохождения излучения через рассеивающую среду является нестационарное уравнение переноса излучения:The main method for describing the passage of radiation through a scattering medium is the non-stationary equation of radiation transfer:

где - плотность потока фотонов в точке , в момент времени t, движущихся в направлении ; - дифференциальный по углам коэффициент рассеяния излучения (индикатриса рассеяния); µ=µ_a+µ_s - коэффициент экстинкции; µ_a - коэффициент поглощения излучения; - коэффициент рассеяния излучения; - плотность источников фотонов в точке , в момент времени t, движущихся в направлении ; ν - модуль скорости распространения излучения в среде [1, 12, 13, 14]. Таким образом, основной характеристикой рассеивающей среды является, наряду с коэффициентом поглощения, индикатриса рассеяния, зависящая от угла рассеяния .Where - photon flux density at a point at time t moving in the direction ; - angular differential coefficient of radiation scattering (scattering indicatrix); µ = µ _a + µ _s is the extinction coefficient; µ _a is the absorption coefficient of radiation; - radiation scattering coefficient; is the density of photon sources at a point at time t moving in the direction ; ν is the modulus of the propagation velocity of radiation in the medium [1, 12, 13, 14]. Thus, the main characteristic of the scattering medium is, along with the absorption coefficient, the scattering indicatrix, depending on the scattering angle .

Уравнение (5) в общем случае не имеет аналитического решения. Однако, для баллистических фотонов справедливо выражение, аналогичное закону Бугера-Ламберта-Бэра с заменой коэффициента поглощения µ_a на коэффициент экстинкции µ=µ_a+µ_s [1], которое можно назвать модифицированным законом Бугера-Ламберта-Бэра.Equation (5) in the general case does not have an analytical solution. However, for ballistic photons, an expression analogous to the Bouguer – Lambert – Baer law with replacement of the absorption coefficient µ _a by the extinction coefficient µ = µ _a + µ _s [1], which can be called the modified Bouguer – Lambert – Baer law, is valid.

Для оценки степени влияния процесса рассеяния можно использовать выражение для относительной доли баллистических фотонов в общем излучении, прошедшем через рассеивающую среду [1]:To assess the degree of influence of the scattering process, one can use the expression for the relative fraction of ballistic photons in the total radiation transmitted through the scattering medium [1]:

где I_b - интенсивность баллистических фотонов, I_s - интенсивность рассеянных фотонов, µ - коэффициент экстинкции, µ_a - коэффициент поглощения, d - длина образца. Для неразбавленной крови [15] µ~50 мм^-1, µ_a~10 мм^-1. То есть, уже при длине образца d=0,04 мм количество рассеянных фотонов в общем излучении, прошедшем через рассеивающую среду, будет более половины.where I _b is the intensity of ballistic photons, I _s is the intensity of scattered photons, µ is the extinction coefficient, µ _a is the absorption coefficient, d is the length of the sample. For undiluted blood [15] µ ~ 50 mm ^-1 , µ _a ~ 10 mm ^-1 . That is, even with a sample length d = 0.04 mm, the number of scattered photons in the total radiation transmitted through the scattering medium will be more than half.

При прохождении лазерного луча через преломляющую рассеивающую среду первоначальное направление лазерного луча меняется, вследствие чего часть излучения уходит в сторону от приемника излучения, происходит значительное ослабление регистрируемого сигнала, и затрудняется детектирование прошедшего излучения из-за отклонения луча. В результате эффекты преломления и рассеяния оказывают негативное влияние на результаты томографической реконструкции внутренней структуры преломляющих и рассеивающих объектов. Например, при прохождении луча через цилиндрический объект исследования (фантом) (фиг.10) происходит смещение луча от его первоначального направления вследствие преломления и рассеяния излучения.When a laser beam passes through a refractive scattering medium, the initial direction of the laser beam changes, as a result of which part of the radiation goes away from the radiation receiver, a significant weakening of the recorded signal occurs, and it is difficult to detect transmitted radiation due to beam deflection. As a result, the effects of refraction and scattering negatively affect the results of tomographic reconstruction of the internal structure of refracting and scattering objects. For example, when a beam passes through a cylindrical object of research (phantom) (Fig. 10), the beam shifts from its original direction due to refraction and scattering of radiation.

Смещение преломленного луча от его первоначального направления на расстоянии L от центра цилиндрического фантома (фиг.9) определяется выражениемThe offset of the refracted beam from its original direction at a distance L from the center of the cylindrical phantom (Fig. 9) is determined by the expression

гдеWhere

а - расстояние от оси цилиндра до преломленного луча.but - the distance from the axis of the cylinder to the refracted beam.

Рассмотрим конкретный пример томографической реконструкции внутренней структуры преломляющего и рассеивающего объекта.Consider a specific example of a tomographic reconstruction of the internal structure of a refracting and scattering object.

В экспериментах по томографической реконструкции внутренней структуры объектов методом трансмиссионной оптической томографии использовался радиально-симметричный фантом преломляющей рассеивающей среды. Однако томографическая реконструкция такого объекта затруднена из-за эффектов преломления и рассеяния, которые приводят к заметным искажениям результатов реконструкции.In experiments on tomographic reconstruction of the internal structure of objects by transmission optical tomography, a radially symmetric phantom of a refracting scattering medium was used. However, tomographic reconstruction of such an object is difficult due to the effects of refraction and scattering, which lead to noticeable distortions of the reconstruction results.

Модельная рассеивающая среда - 0,5% эмульсия интралипидных частиц (рассеивателя) в льняном масле (n₂=1,485) - объемом 20 мл заполняла цилиндрическое углубление диаметром 28 мм в полиметилметакрилатном параллелепипеде (Д×Ш×В - 60×40×45 мм) с n₁=1,491. В таком случае относительный показатель преломления составляет n₂₁=0,996. Кювета со средой устанавливалась на систему линейного перемещения - моторизированную механическую линейку - и систему кругового вращения. В качестве источника излучения использовался непрерывный полупроводниковый лазер с длиной волны 650 нм и средней мощностью излучения 5 мВт, а в качестве приемника излучения использовался приемник на основе кремниевого фотодиода с размером чувствительной площадки 1,5×1,5 мм. Для экспериментов был изготовлен фокон, для которого d₁=60 мм, d₂=1,5 мм, длина h=5 6 мм, а угол уклона α (равен половине раствора конуса) составлял 27,5°. Применение фокона в системе регистрации излучения (фиг.10), прошедшего через преломляющую рассеивающую среду, позволило улучшить результаты томографической реконструкции, скомпенсировав эффекты преломления и рассеяния излучения.Model scattering medium - 0.5% emulsion of intralipid particles (scattering) in linseed oil (n ₂ = 1.485) - with a volume of 20 ml filled a cylindrical recess with a diameter of 28 mm in a polymethylmethacrylate parallelepiped (L × W × H - 60 × 40 × 45 mm) with n ₁ = 1.491. In this case, the relative refractive index is n ₂₁ = 0.996. The cell with the medium was installed on a linear displacement system - a motorized mechanical ruler - and a circular rotation system. A cw semiconductor laser with a wavelength of 650 nm and an average radiation power of 5 mW was used as a radiation source, and a detector based on a silicon photodiode with a sensitive area of 1.5 × 1.5 mm was used as a radiation receiver. For experiments, a focone was made for which d ₁ = 60 mm, d ₂ = 1.5 mm, length h = 5–6 mm, and the slope angle α (equal to half the cone solution) was 27.5 °. The use of a focon in the radiation registration system (Fig. 10), which passed through a refracting scattering medium, made it possible to improve the results of tomographic reconstruction by compensating for the effects of refraction and scattering of radiation.

Источники информацииInformation sources

1. Терещенко С.А. Методы вычислительной томографии. - М., Физматлит, 2004.1. Tereshchenko S.A. Computational tomography methods. - M., Fizmatlit, 2004.

2. H.Kusuzawa. Optical system for visualizing an object in a light scattering medium. US Patent 6,690,520, Feb. 10, 2004.2. H. Kusuzawa. Optical system for visualizing an object in a light scattering medium. US Patent 6,690,520, Feb. 10, 2004.

3. G.R.Allen, E.Moskowitz. Apparatus and method to compensate for refracting of radiation. US Patent 4,912,529, Mar. 27, 1990.3. G.R. Allen, E. Moskowitz. Apparatus and method to compensate for refracting of radiation. US Patent 4,912,529, Mar. 27, 1990.

4. C.C.Hu. Method and apparatus for refracting light to an optical detector. US Patent 5,124,546, Jun. 23, 1992.4.C.C. Hu. Method and apparatus for refracting light to an optical detector. US Patent 5,124,546, Jun. 23, 1992.

5. Y.Yamada, R.Araki, Y.Yamashita. Method and apparatus for determination of optical properties of light scattering materials. US Patent 5,867,807, Feb 2, 1999.5. Y. Yamada, R. Araki, Y. Yamashita. Method and apparatus for determination of optical properties of light scattering materials. US Patent 5,867,807, Feb 2, 1999.

6. S.Rastopov. Optical detection of particles in a liquid medium. US Patent 7,209,231, Apr. 24, 2007.6. S. Rastopov. Optical detection of particles in a liquid medium. US Patent 7,209,231, Apr. 24, 2007.

7. Патент Российской Федерации №92007839, МПК G01J/04 (Мыльников Г.Д. Устройство для регистрации оптического излучения).7. Patent of the Russian Federation No. 92007839, IPC G01J / 04 (GD Mylnikov, Device for recording optical radiation).

8. D.Wolfman, A.Bomstein. System having non-imaging concentrators for performing IR transmission spectroscopy. US Patent 5,254,858, Oct. 19, 1993.8. D. Wolfman, A. Bomstein. System having non-imaging concentrators for performing IR transmission spectroscopy. US Patent 5,254,858, Oct. 19, 1993.

9. J.W.Jablonski, K.F.Carr. Highly efficient collection optical systems for providing light detectors such as photodetectors and the like with hemispherical fields of view. US Patent 5,479,009, Dec. 26, 1995.9. J.W. Jablonski, K.F. Carr. Highly efficient collection optical systems for providing light detectors such as photodetectors and the like with hemispherical fields of view. US Patent 5,479,009, Dec. 26, 1995.

10. Ландсберг Г.С.Оптика. - М.: Наука, 1976.10. Landsberg G.S. Optics. - M.: Science, 1976.

11. Яворский Б.М., Детлаф Б.М. Справочник по физике. - М.: Наука, 1980.11. Yavorsky B.M., Detlaf B.M. Handbook of Physics. - M.: Science, 1980.

12. Кольчужкин A.M., Учайкин В.В. Введение в теорию прохождения частиц через вещество. - М., Атомиздат, 1978.12. Kolchuzhkin A.M., Uchaikin V.V. An introduction to the theory of the passage of particles through matter. - M., Atomizdat, 1978.

13. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. - М., Мир, 1981. - T.I.13. Ishimaru A. Propagation and scattering of waves in randomly inhomogeneous media. - M., Mir, 1981. - T.I.

14. Кейз К., Цвайфель П. Линейная теория переноса. - М., Мир, 1972.14. Case K., Zweifel P. Linear theory of transfer. - M., Mir, 1972.

15. Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. - Саратов, изд-во Саратовского университета, 1998.15. Tuchin V.V. Lasers and fiber optics in biomedical research. - Saratov, publishing house of the Saratov University, 1998.

Claims

1. A device for tomographic reconstruction of the internal structure of refracting and scattering objects, consisting of a source of directional optical radiation, an object of study, a linear motion system and circular rotation of the object, a radiation receiver and a data processing system, characterized in that the device is provided with a focus located between the exit point radiation from the medium and the radiation receiver.

2. The device according to claim 1, characterized in that a cone with an internal surface reflecting radiation is used as a focon.

3. The device according to claim 1, characterized in that the cone-shaped element of fiber optics made of sintered conical glass strands together is used as a focus.

4. The device according to claim 1, characterized in that a pulsed radiation source is used as a directional optical radiation source, and a pulsed radiation receiver is used as a radiation receiver.

5. The device according to claim 1, characterized in that a continuous radiation source is used as a directional optical radiation source, and a continuous radiation receiver is used as a radiation receiver.

6. The device according to claim 1, characterized in that a modulated radiation source is used as a directional optical radiation source, and a modulated radiation receiver is used as a radiation receiver.

7. The device according to claim 1, characterized in that a lamp is used as a source of directional optical radiation.

8. The device according to claim 1, characterized in that a laser is used as a source of directional optical radiation.

9. The device according to claim 1, characterized in that the focus is attached directly to the radiation receiver.

10. The device according to claim 1, characterized in that the trick is attached to a holder located in front of the radiation receiver.