Медициналық оптикалық бейнелеу: әдістер мен қолданылуы
Medical optical imaging
Медициналық оптикалық бейнелеу – денсаулық сақтауда жарық қолданылатын зерттеу әдісі. Микроскопия, эндоскопия, томография сияқты түрлері бар. Жарқылды толқындармен ұқсас.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Кіріспе
Медициналық оптикалық бейнелеу – медициналық қолдану үшін жарықты зерттеуші бейнелеу әдісі ретінде пайдалану, оны американдық физикалық химик Бриттон Ченс алғаш рет енгізді. Мысалдарына оптикалық микроскопия, спектроскопия, эндоскопия, сканерлеуші лазерлік офтальмоскопия, лазерлік Допплер бейнелеу және оптикалық когерентті томография жатады. Жарық электромагниттік толқын болғандықтан, рентген сәулелері, микротолқындар және радио толқындарда да ұқсас құбылыстар орын алады. Оптикалық бейнелеу жүйелерін диффузиялық және баллистикалық бейнелеу жүйелеріне бөлуге болады. Боннер және авторлар биологиялық ортада фотонның таралу моделін жасады немесе флуоресценцияға негізделген әдістерді ұсынды. Егер суреттелген материалдың 3D көлемдік модельдерін жасау үшін DOI пайдаланылса, ол диффузиялық оптикалық томография деп аталады, ал 2D бейнелеу әдістері диффузиялық оптикалық топография деп жіктеледі. Бұл әдіс нейроғылым, спорттық медицина, жараларды бақылау және қатерлі ісіктерді анықтау салаларында қолданылады. Әдетте, DOI әдістері оттекті және дезоксигенделген гемоглобиннің концентрациясының өзгеруін қадағалайды және цитохромдардың тотығу-тотықсыздану күйін өлшеуге мүмкіндік береді. Қолданылуына байланысты бұл әдіс диффузиялық оптикалық томография (DOT), жақын инфрақызыл оптикалық томография (NIROT) немесе флуоресценттік диффузиялық оптикалық томография (FDOT) деп те аталуы мүмкін. Нейроғылымда NIR толқын ұзындықтарын пайдалана отырып жүргізілетін функционалдық өлшемдер DOI әдістері функционалдық жақын инфрақызыл спектроскопия (fNIRS) ретінде жіктелуі мүмкін.
Medical optical imaging is the use of light as an investigational imaging technique for medical applications, pioneered by American Physical Chemist Britton Chance. Examples include optical microscopy, spectroscopy, endoscopy, scanning laser ophthalmoscopy, laser Doppler imaging, and optical coherence tomography. Because light is an electromagnetic wave, similar phenomena occur in X rays, microwaves, and radio waves. Optical imaging systems may be divided into diffusive and ballistic imaging systems. A model for photon migration in turbid biological media has been developed by Bonner et al. or fluorescence based methods. When used to create 3D volumetric models of the imaged material DOI is referred to as diffuse optical tomography, whereas 2D imaging methods are classified as diffuse optical topography. The technique has many applications to neuroscience, sports medicine, wound monitoring, and cancer detection. Typically DOI techniques monitor changes in concentrations of oxygenated and deoxygenated hemoglobin and may additionally measure redox states of cytochromes. The technique may also be referred to as diffuse optical tomography (DOT), near infrared optical tomography (NIROT) or fluorescence diffuse optical tomography (FDOT), depending on the usage. In neuroscience, functional measurements made using NIR wavelengths, DOI techniques may classify as functional near infrared spectroscopy (fNIRS).
Баллистикалық оптикалық бейнелеу
Баллистикалық фотондар – шашыраңқы (тұманды) орта арқылы түзу сызықта қозғалатын жарық фотондары. Оларды баллистикалық жарық деп те атайды. Егер лазерлік импульстар тұман немесе дене тіндері сияқты шашыраңқы орта арқылы жіберілсе, фотондардың көпшілігі кездейсоқ түрде шашырайды немесе жұтылады. Дегенмен, қысқа қашықтықта кейбір фотондар шашыраңқы ортадан түзу сызықтармен өтеді. Бұл когерентті фотондар баллистикалық фотондар деп аталады. Аз ғана шашыраған, біраз когеренттілігін сақтайтын фотондарды «жылан фотондар» дейді. Егер тиімді анықталса, баллистикалық фотондардың көптеген қолданыс салалары бар, әсіресе когерентті жоғары ажыратымды медициналық бейнелеу жүйелерінде. Баллистикалық сканерлер (ультражылдам уақыт қақпаларын пайдалана отырып) және оптикалық когеренттік томография (ОКТ) (интерферометрия принципін қолдана отырып) – дифракциялық шектеулерге ие кескіндерді жасау үшін баллистикалық фотондарды анықтауға сүйенетін екі танымал бейнелеу жүйесі. Басқа бейнелеу әдістерімен (мысалы, ультрадыбыс және магниттік-резонанстық бейнелеу) салыстырғанда баллистикалық бейнелеудің артықшылығы – 1-ден 10 микрометрге дейінгі жоғары ажыратымдылыққа қол жеткізе алады, бірақ бейнелеу тереңдігі шектеулі. Сонымен қатар, сигналдың «күшін» (яғни сигнал мен шу арақатынасын) арттыру үшін көбінесе шашыраңқы «жартылай баллистикалық» фотондар да өлшенеді. Баллистикалық фотондардың шашыраңқы ортадағы экспоненциалдық түрде азаюына байланысты, жоғары сапалы кескіндерді қалпына келтіру үшін бастапқы баллистикалық кескіндерге бейне өңдеу әдістері жиі қолданылады. Баллистикалық бейнелеу әдістерінің мақсаты – баллистикалық емес фотондарды жобау және пайдалы ақпаратты тасымалдайтын баллистикалық фотондарды сақтау. Бұл міндетті орындау үшін баллистикалық фотондардың баллистикалық емес фотондардан айырмашылықтары қолданылады, мысалы, когерентті қақпалы бейнелеу арқылы ұшу уақыты, коллимация, толқын фронтының таралуы және поляризация.
Ballistic photons are the light photons that travel through a scattering (turbid) medium in a straight line. Also known as ballistic light. If laser pulses are sent through a turbid medium such as fog or body tissue, most of the photons are either randomly scattered or absorbed. However, across short distances, a few photons pass through the scattering medium in straight lines. These coherent photons are referred to as ballistic photons. Photons that are slightly scattered, retaining some degree of coherence, are referred to as snake photons. If efficiently detected, there are many applications for ballistic photons especially in coherent high resolution medical imaging systems. Ballistic scanners (using ultrafast time gates) and optical coherence tomography (OCT) (using the interferometry principle) are just two of the popular imaging systems that rely on ballistic photon detection to create diffraction limited images. Advantages over other existing imaging modalities (e. g., ultrasound and magnetic resonance imaging) is that ballistic imaging can achieve a higher resolution in the order of 1 to 10 micro meters, however it has limited imaging depth. Furthermore, more scattered 'quasi ballistic' photons are often measured as well to increase the signal 'strength' (i. e., signal to noise ratio). Due to the exponential reduction (with respect to distance) of ballistic photons in a scattering medium, often image processing techniques are applied to the raw captured ballistic images, to reconstruct high quality ones. Ballistic imaging modalities aim to reject non ballistic photons and retain ballistic photons that carry useful information. To perform this task, specific characteristics of ballistic photons vs. non ballistic photons are used, such as time of flight through coherence gated imaging, collimation, wavefront propagation, and polarization.