ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Обзор существующих методов и установок 8
1.1 Выводы 11
2 Постановка задачи 13
3 Оптимизированный метод дифракционных гипербол 16
4. Численное моделирование 18
4.1 Постановка прямой задачи 18
4.2 Обратная задача и неоптимизированный метод 20
4.3 Обратная задача и скорость работы оптимизированного метода 22
4.4 Обратная задача и качество работы оптимизированного метода 23
5 Описание программы 25
5.1 Предобработка входных данных 25
5.2 Решение обратной задачи 25
5.2.1 Метод дифракционных гипербол 26
5.2.2 Оптимизированный метод дифракционных гипербол 27
6 Постановка и проведение эксперимента 29
6.1 Описание фантомных объектов 29
6.2 Описание эксперимента 29
7 Обработка результатов в программе и численной модели 35
7.1 Сравнение полученных данных с математической моделью 35
7.2 Выводы 35
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 37
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 38
ПРИЛОЖЕНИЕ А 42
Количество заболеваний в мире, связанных со злокачественными опухолями, растёт [1-4]. При раннем обнаружении злокачественную опухоли, её вред можно минимизировать, но при позднем — эффективность лечения низкая [3-5]. Поэтому ранняя диагностика позволяет минимизировать вред от злокачественной опухоли при своевременном лечении. Данная работа позволяет управлять сканером и обрабатывать данные, полученные от него.
Опухоль непрерывно растёт и требует питание. Для этого организм создаёт для них питание путём наращивания к опухоли набора кровеносных сосудов. Исследования показали, что диэлектрическая проницаемость клеток здоровой молочной железы и клеток опухоли отличается. Набор кровеносных сосудов можно обнаружить на фоне остальных тканей за счёт скачкообразного изменения диэлектрической проницаемости. Данный эффект предлагается использовать для ранней диагностики рака.
Современные методы нахождения опухоли [6-9] — маммография с использованием рентгена, ультразвуковое исследование (УЗИ), магнитнорезонансная томография (МРТ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ).
Рентгеновское излучение и УЗИ реагируют на различную плотность вещества, то есть позволяют найти клетки опухоли за счёт скачка плотности. Однако при малом размере опухоли скачок не виден, т. к. для рентгена опухоль будет прозрачной, а для УЗИ малая опухоль не будет заметна на фоне здоровых клеток. Также рентген нельзя часто использовать по причине вреда для здоровья.
МРТ, как самый качественный метод обследование организма, и ПЭТ (на данный момент имеющая худшее разрешение, чем МРТ, однако позволяющая качественно обследовать организм) позволяют полностью обследовать организм и найти опухоль на ранней стадии. Однако такие исследования дороги и занимают много времени, по сравнению с методами УЗИ и рентгена, что ограничивает возможность использования ПЭТ и МРТ 5
для диагностики опухоли в мобильных комплексах, несмотря на качественное обнаружение.
Таким образом, требуется быстрый, безопасный и массово доступный по сравнению с существующими технологиями, метод ранней диагностики рака.
Перспективным методом в данном случае может быть радиоволновой метод. Радиоволны хорошо проникают в человека и безвредны для него. Устройства генерации и приёма радиоволн позволяют создать менее дорогое и более быстрое устройство для обнаружения опухолей по сравнению с МРТ и ПЭТ.
Существующие на данный момент лабораторные устройства для обнаружения опухоли молочной железы в радиодиапазоне принципиально похожи и состоят из СШП антенной решётки, элементы которой расположены в виде полусферы. Сканирование происходит с помощью сферического сканера, что позволяет снять данные с ракурсов, недоступные при плоском и цилиндрическом сканировании, что также приводит к увеличению качества конечного изображения.
Снятие и обработка данных производится методом дифракционных гипербол. Данный метод позволяет быстро получить данные при любом расположении антенн, если известны координаты антенн. Обработка данных производится достаточно быстро по сравнению с МРТ и ПЭТ. Для построения радиоизображения требуется знать координаты приёмнопередающих антенн и время, за которое сигнал вернулся к антенне после излучения. Однако в данной работе сигнал от антенны отправлен и получен с помощью векторного рефлектометра (ВР), который работает только в частотной области и позволяет получить данные отражённого сигнала на каждой частоте, зафиксировав амплитуду и фазу. Для получения томограммы использована распределённая система, состоящая из большого количества приёмно-передающих антенн, позволяющих реализовать большое число ракурсов.
В реальных условиях полученное качество может быть избыточным, при этом затрачено длительное время для решения обратной задачи. При обработке большого объема данных это может быть критично. Необходимо рассмотреть варианты уменьшения времени работы с минимальной потерей качества полученного решения обратной задачи.
Работа направлена на поиск и реализацию метода ускорения решения обратной задачи, обеспечивающего незначительные потери качестве
получаемого изображения в режиме сферического сканирования.
Цель данной работы - оптимизация расчётного ядра для получения радиоизображения.
1. Создана и проверена численная модель для оптимизированного метода, где смоделирована прямая и обратная задачи для томографии скрытых объектов внутри биологических сред.
2. Разработана программа на C++, позволяющая обрабатывать полученные данные, для восстановления радиоизображения точным и быстрым методом, которое выводится в один файл.
3. Проведена серия экспериментов с тестовыми объектами в виде металлических шариков и пластиковых шариков с физраствором в свином жире. Полученные результаты подтверждают возможность использования ВР и режим сканирования в сферической области для восстановления скрытых объектов внутри биологических сред.
4. Установлено, что возможно ускорение решения обратной задачи до двух раз за счёт незначительного потери качества радиоизображения.
