Радиоволновая томография биологических объектов с использованием метода миграций
|
Аннотация
Перечень сокращений и условных обозначений 5
Введение 6
1 Обзор существующих методов и технологий радиоволновой
маммографии 12
1.1 Выводы по главе 16
2 Радиоволновая маммография как задача радиотомографии 18
2.1 Постановка задачи 18
2.1.2 Выбор формата изображения 20
2.2 Влияние расстояния между антеннами на качество
радиоизображения 21
2.3 Метод дифракционных гипербол 23
2.3.1 Оптимизация метода дифракционных гипербол 25
2.4 Восстановление угла и сдвигов между радиоизображениями 27
2.4.1 Постановка задачи 27
2.4.2 Восстановление угла поворота 28
2.4.3 Восстановление сдвигов 30
3 Численное моделирование прямой и обратной задачи маммографии 31
3.1 Постановка прямой задачи 31
3.2 Решение обратной задачи и методом миграций 33
3.3 Решение обратной задачи оптимизированным алгоритмом в методе
миграций 34
3.4 Восстановление углов и сдвигов 36
4 Разработка программы 42
4.1 Предобработка входных данных 42
4.2 Решение обратной задачи 42
4.2.1 Разработка блок-схемы для программной реализации метода
радиоволной маммографии 43
4.2.2 Оптимизированный метод дифракционных гипербол 44
4.3 Восстановление углов и сдвигов 45
5 Результаты обработки экспериментальных данных при зондировании фантома молочной железы 49
5.1 Постановка экспериментов 49
5.1.1 Описание фантомных объектов 49
5.1.2 Описание экспериментов 49
5.2.1 Сравнение полученных данных с математической
моделью 57
5.2.2 Выводы по разделу 58
Заключение 59
Список использованной литературы 60
Приложение А Отчет о патентных исследованиях 64
Перечень сокращений и условных обозначений 5
Введение 6
1 Обзор существующих методов и технологий радиоволновой
маммографии 12
1.1 Выводы по главе 16
2 Радиоволновая маммография как задача радиотомографии 18
2.1 Постановка задачи 18
2.1.2 Выбор формата изображения 20
2.2 Влияние расстояния между антеннами на качество
радиоизображения 21
2.3 Метод дифракционных гипербол 23
2.3.1 Оптимизация метода дифракционных гипербол 25
2.4 Восстановление угла и сдвигов между радиоизображениями 27
2.4.1 Постановка задачи 27
2.4.2 Восстановление угла поворота 28
2.4.3 Восстановление сдвигов 30
3 Численное моделирование прямой и обратной задачи маммографии 31
3.1 Постановка прямой задачи 31
3.2 Решение обратной задачи и методом миграций 33
3.3 Решение обратной задачи оптимизированным алгоритмом в методе
миграций 34
3.4 Восстановление углов и сдвигов 36
4 Разработка программы 42
4.1 Предобработка входных данных 42
4.2 Решение обратной задачи 42
4.2.1 Разработка блок-схемы для программной реализации метода
радиоволной маммографии 43
4.2.2 Оптимизированный метод дифракционных гипербол 44
4.3 Восстановление углов и сдвигов 45
5 Результаты обработки экспериментальных данных при зондировании фантома молочной железы 49
5.1 Постановка экспериментов 49
5.1.1 Описание фантомных объектов 49
5.1.2 Описание экспериментов 49
5.2.1 Сравнение полученных данных с математической
моделью 57
5.2.2 Выводы по разделу 58
Заключение 59
Список использованной литературы 60
Приложение А Отчет о патентных исследованиях 64
Актуальность темы исследования
Онкологические заболевания являются распространёнными заболеваниями в мире [1-4]. Ранняя диагностика позволяет обнаружить опухоль малого размера, когда вред от неё минимальный и лечение максимально эффективно [3-5]. Предлагается использовать радиоволны для нахождения опухоли. Клетки опухоли непрерывно растут и формируют вокруг себя сосудистую сетку. Исследования показали, что кровеносные сосуды, необходимые для питания опухоли, можно определить за счёт различной диэлектрической проницаемости клеток здоровой молочной железы и клеток опухоли. Множество кровеносных сосудов можно определить по скачкообразному изменению диэлектрической проницаемости в данной области. Данный факт можно использовать для ранней диагностики рака груди.
Для обнаружения опухолей на ранней стадии предлагается использовать динамический систему контроля, при которой сканируются 2 радиоизображения в разные моменты времени . Изменения, полученные при анализе двух радиоизображений, путём вычитания одного радиоизображения из другого, можно определить положение опухолей малых размеров. Т. к. радиоизображения получены в разные моменты времени, то могут быть сдвиги и повороты между ними. Для использования этого метода необходимо радиоизображения предварительно обработать, скорректировав сдвиг и угол поворота между двумя радиоизображениями.
Степень разработанности темы
Современные методы обнаружения опухолей [6-9]: маммография с использованием рентгена, ультразвуковое исследование (УЗИ), магнитно-резонансная томография (МРТ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ).
Рентгеновское излучение и УЗИ реагируют на различную плотность вещества, то есть позволяют обнаружить опухоли за счёт скачка плотности. В случае, если размер опухоли слишком мал скачок плотности не виден, поэтому-рентгеновские методы для ранней диагностики неэффективны. К тому же частое использование рентгена ограничено из-за вреда для здоровья. При ультразвуковом зондировании (УЗИ) малая опухоль не будет заметна на фоне здоровых клеток.
МРТ и ПЭТ (на данный момент имеющая худшее разрешение, чем МРТ) позволяют обнаруживать опухоль малых размеров, размером от 1 мм. Однако такие исследования дороги и занимают много времени, по сравнению с методами УЗИ и рентгена, что ограничивает возможность их более широкого использования для ранней диагностики рака, несмотря на качественное обнаружение.
Таким образом, требуется быстрый, безопасный и массово доступный, по сравнению с существующими технологиями, метод ранней диагностики рака груди.
Перспективным методом в данном случае может быть - радиоволновой метод. Радиоволны хорошо проникают в человека и безвредны для его здоровья. 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: состоят из СШП антенной решётки, элементы которой расположены в виде полусферы. Сканирование происходит с помощью сферического сканера, что позволяет снять данные с разных ракурсов, недоступных при плоском и цилиндрическом сканировании, что также приводит к улучшению качества конечного изображения.
Трёхмерное радиоизображение опухоли при радиоволновом зондировании возможно построить с помощью метода Столта или метода дифракционных гипербол. Однако данный метод не применим в случае расположения излучателей и приёмников по полусфере, хотя такая геометрия является оптимальной при зондировании. В данной работе снятие и обработка данных реализовано методом дифракционных гипербол. Данный метод позволяет быстро получить данные при любом расположении антенн в случае, если известны координаты антенн. Обработка данных производится достаточно быстро по сравнению с МРТ и ПЭТ. Для построения радиоизображения требуется знать координаты приёмно-передающих антенн и время, за которое сигнал вернулся к антенне после излучения.
В данной работе предлагается рассмотреть радиоволновой метод обнаружения опухолей на основе антенной решетки. В данном методе используется векторный анализатор цепей (ВАЦ) для приема и передачи сигнала от антенны. ВАЦ работает только в частотной области и позволяет получить данные отражённого сигнала на каждой частоте, зафиксировав амплитуду и фазу. Для получения томограммы используется распределённая система, состоящая из большого количества приёмно-передающих антенн, позволяющих реализовать большое число ракурсов.
Для ускорения сканирования необходимо использовать антенную решётку. При разнесении антенн качество радиоизображения может измениться. Для улучшения качества радиоизображения предлагается использовать согласующий слой, что повышает контрастность неоднородностей и, как следствие, качество радиоизображения. В реальных условиях полученное качество радиоизображения может быть избыточным, при этом затрачено продолжительное время для решения обратной задачи. При массовой обработке данных это может быть критично. Необходимо рассмотреть варианты уменьшения времени расчёта радиоизображения с минимальным потерей качества полученного решения обратной задачи.
Данная магистерская работа направлена на поиск и реализацию метода ускорения решения обратной задачи с возможными потерями в качестве получаемого изображения для сферического сканера и реализацию метода восстановления угла и сдвига между радиоизображениями.
Цель работы — разработка расчётного блока для лабораторного макета радиоволнового томографа биологических объектов.
Для достижения указанной цели в работе ставятся следующие задачи:
1. Ускорение расчёта радиоизображения в методе дифракционных гипербол за счёт оптимизации расчётов.
2. Изучение влияния положения антенн на качество радиоизображения при бистатическом зондировании.
3. Восстановление угла поворота и сдвигов для трёхмерных радиоизображений.
Для этого необходимо провести исследование существующих методов радиоволновой маммографии, методы по поиску сдвигов и углов поворота между радиоизображениями, и их реализации и установок, аналитический обзор литературы, способов программной реализации алгоритма расчёта радиоизображения, протестировать отдельные элементы макета
радиотомографа и экспериментальное исследование возможностей разработанного радиотомографа при зондировании фантомов и биологических сред.
Объект исследования: дифракция радиоволн в неоднородных биологических тканях организмов млекопитающих.
Предмет исследования: совокупность моделей, терминов, законов, методов, принципов, общих научных понятий, моделирующих программ по дифракции радиоволн в неоднородных биологических тканях организмов млекопитающих.
Методы исследования: метод миграций, метод контроля угла поворота радиоизображения, проведение эксперимента и сравнение с численным моделированием, анализ публикаций по существующим установкам и методам расчёта радиоизображения.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Расчёт расстояний в методе дифракционных гипербол с линейным приближением уменьшает время расчёта радиоизображения вдовое, при потере качества не более 10%.
2. Оценка динамики развития опухоли возможна путём вычитания двух радиоизображений, полученных за разные промежутки времени, при этом необходимо учитывать поворот и сдвиги между сканированиями.
Основные пункты новизны диссертации
1. Впервые разработан быстрый и качественный метод нахождения опухолей с помощью радиоволн.
2. Разработан новый метод коррекции углов и сдвигов для трёхмерных радиоизображений.
Практическая значимость исследования
Расчёт расстояний в линейном приближении, согласно ПВЗ, уменьшает время расчёта радиоизображения вдвое при потере качества 15% по сравнению с существующими установками [3-4]. Данный результат может быть применим при создании радиотомографа, получающим радиоизображение в реальном времени.
Апробация результатов работы
Результаты работы докладывались автором и обсуждались на российских и международных конференциях. Публикации автора по теме магистерской диссертации:
• Васин В. В. Ускорение расчета радиоизображения на основе метода дифракционных гипербол / В. В. Васин, И. С. Федянин, А. И. Еремеев // Труды семнадцатой Всероссийской конференции студенческих научно¬исследовательских инкубаторов, г. Томск, 11-15 мая 2020 г. Томск, 2020. С. 25-28.
• Радиоволновая томография фантома молочной железы / Васин В.В., Шипилов С.Э., Еремеев А.И., Завьялова К.В. В сборнике: Актуальные проблемы радиофизики АПР-2021. Сборник трудов IX Международной научно-практической конференции. Томск, 2021. С. 61-62.
• Васин В. В. Ускорение расчета радиоизображения на основе метода дифракционных гипербол / В. В. Васин, И. С. Федянин, А. И. Еремеев // Труды семнадцатой Всероссийской конференции студенческих научно¬исследовательских инкубаторов, г. Томск, 11-15 мая 2022 г. (в редакции).
Получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ:
• № 2021610415. Расчёт трехмерной томограммы неоднородностей в биологических средах по данным электронного сканирования тактированной матрицы сверхширокополосных приемопередающих антенн : программа для ЭВМ / А. И. Еремеев (RU), И. С. Еремеев (RU), В. Васин (KZ) ; правообладатель А. И. Еремеев ; заявл. 05.10.2020 ; опубл. 14.01.2021. 80 Мб
Структура диссертации
В разделе 1 проведён обзор существующих установок. В разделе 2 описывается постановка задачи и метод расчёта радиоизображения методом дифракционных гипербол и оптимизированным методом, восстановление углов и сдвигов между трёхмерными радиоизображениями. В разделе 3 описывается математическое моделирование с использованием метода дифракционных гипербол и оптимизированного метода дифракционных гипербол. В разделе 4 описывается разработка программы. В разделе 5 описана постановка и проведение экспериментов. Сравнивается результат работы программы на математической модели и экспериментальных данных.
Личный вклад автора
Личный вклад автора заключается в разработке и реализации оптимизированного метода миграций, разработке алгоритма по поиску сдвигов и углов между трёхмерными радиоизображениями, численном исследовании влияния качества радиоизображения при увеличении расстояния между антеннами. Автор непосредственно участвовал в проведении измерений и обработке их результатов.
Онкологические заболевания являются распространёнными заболеваниями в мире [1-4]. Ранняя диагностика позволяет обнаружить опухоль малого размера, когда вред от неё минимальный и лечение максимально эффективно [3-5]. Предлагается использовать радиоволны для нахождения опухоли. Клетки опухоли непрерывно растут и формируют вокруг себя сосудистую сетку. Исследования показали, что кровеносные сосуды, необходимые для питания опухоли, можно определить за счёт различной диэлектрической проницаемости клеток здоровой молочной железы и клеток опухоли. Множество кровеносных сосудов можно определить по скачкообразному изменению диэлектрической проницаемости в данной области. Данный факт можно использовать для ранней диагностики рака груди.
Для обнаружения опухолей на ранней стадии предлагается использовать динамический систему контроля, при которой сканируются 2 радиоизображения в разные моменты времени . Изменения, полученные при анализе двух радиоизображений, путём вычитания одного радиоизображения из другого, можно определить положение опухолей малых размеров. Т. к. радиоизображения получены в разные моменты времени, то могут быть сдвиги и повороты между ними. Для использования этого метода необходимо радиоизображения предварительно обработать, скорректировав сдвиг и угол поворота между двумя радиоизображениями.
Степень разработанности темы
Современные методы обнаружения опухолей [6-9]: маммография с использованием рентгена, ультразвуковое исследование (УЗИ), магнитно-резонансная томография (МРТ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ).
Рентгеновское излучение и УЗИ реагируют на различную плотность вещества, то есть позволяют обнаружить опухоли за счёт скачка плотности. В случае, если размер опухоли слишком мал скачок плотности не виден, поэтому-рентгеновские методы для ранней диагностики неэффективны. К тому же частое использование рентгена ограничено из-за вреда для здоровья. При ультразвуковом зондировании (УЗИ) малая опухоль не будет заметна на фоне здоровых клеток.
МРТ и ПЭТ (на данный момент имеющая худшее разрешение, чем МРТ) позволяют обнаруживать опухоль малых размеров, размером от 1 мм. Однако такие исследования дороги и занимают много времени, по сравнению с методами УЗИ и рентгена, что ограничивает возможность их более широкого использования для ранней диагностики рака, несмотря на качественное обнаружение.
Таким образом, требуется быстрый, безопасный и массово доступный, по сравнению с существующими технологиями, метод ранней диагностики рака груди.
Перспективным методом в данном случае может быть - радиоволновой метод. Радиоволны хорошо проникают в человека и безвредны для его здоровья. 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: состоят из СШП антенной решётки, элементы которой расположены в виде полусферы. Сканирование происходит с помощью сферического сканера, что позволяет снять данные с разных ракурсов, недоступных при плоском и цилиндрическом сканировании, что также приводит к улучшению качества конечного изображения.
Трёхмерное радиоизображение опухоли при радиоволновом зондировании возможно построить с помощью метода Столта или метода дифракционных гипербол. Однако данный метод не применим в случае расположения излучателей и приёмников по полусфере, хотя такая геометрия является оптимальной при зондировании. В данной работе снятие и обработка данных реализовано методом дифракционных гипербол. Данный метод позволяет быстро получить данные при любом расположении антенн в случае, если известны координаты антенн. Обработка данных производится достаточно быстро по сравнению с МРТ и ПЭТ. Для построения радиоизображения требуется знать координаты приёмно-передающих антенн и время, за которое сигнал вернулся к антенне после излучения.
В данной работе предлагается рассмотреть радиоволновой метод обнаружения опухолей на основе антенной решетки. В данном методе используется векторный анализатор цепей (ВАЦ) для приема и передачи сигнала от антенны. ВАЦ работает только в частотной области и позволяет получить данные отражённого сигнала на каждой частоте, зафиксировав амплитуду и фазу. Для получения томограммы используется распределённая система, состоящая из большого количества приёмно-передающих антенн, позволяющих реализовать большое число ракурсов.
Для ускорения сканирования необходимо использовать антенную решётку. При разнесении антенн качество радиоизображения может измениться. Для улучшения качества радиоизображения предлагается использовать согласующий слой, что повышает контрастность неоднородностей и, как следствие, качество радиоизображения. В реальных условиях полученное качество радиоизображения может быть избыточным, при этом затрачено продолжительное время для решения обратной задачи. При массовой обработке данных это может быть критично. Необходимо рассмотреть варианты уменьшения времени расчёта радиоизображения с минимальным потерей качества полученного решения обратной задачи.
Данная магистерская работа направлена на поиск и реализацию метода ускорения решения обратной задачи с возможными потерями в качестве получаемого изображения для сферического сканера и реализацию метода восстановления угла и сдвига между радиоизображениями.
Цель работы — разработка расчётного блока для лабораторного макета радиоволнового томографа биологических объектов.
Для достижения указанной цели в работе ставятся следующие задачи:
1. Ускорение расчёта радиоизображения в методе дифракционных гипербол за счёт оптимизации расчётов.
2. Изучение влияния положения антенн на качество радиоизображения при бистатическом зондировании.
3. Восстановление угла поворота и сдвигов для трёхмерных радиоизображений.
Для этого необходимо провести исследование существующих методов радиоволновой маммографии, методы по поиску сдвигов и углов поворота между радиоизображениями, и их реализации и установок, аналитический обзор литературы, способов программной реализации алгоритма расчёта радиоизображения, протестировать отдельные элементы макета
радиотомографа и экспериментальное исследование возможностей разработанного радиотомографа при зондировании фантомов и биологических сред.
Объект исследования: дифракция радиоволн в неоднородных биологических тканях организмов млекопитающих.
Предмет исследования: совокупность моделей, терминов, законов, методов, принципов, общих научных понятий, моделирующих программ по дифракции радиоволн в неоднородных биологических тканях организмов млекопитающих.
Методы исследования: метод миграций, метод контроля угла поворота радиоизображения, проведение эксперимента и сравнение с численным моделированием, анализ публикаций по существующим установкам и методам расчёта радиоизображения.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Расчёт расстояний в методе дифракционных гипербол с линейным приближением уменьшает время расчёта радиоизображения вдовое, при потере качества не более 10%.
2. Оценка динамики развития опухоли возможна путём вычитания двух радиоизображений, полученных за разные промежутки времени, при этом необходимо учитывать поворот и сдвиги между сканированиями.
Основные пункты новизны диссертации
1. Впервые разработан быстрый и качественный метод нахождения опухолей с помощью радиоволн.
2. Разработан новый метод коррекции углов и сдвигов для трёхмерных радиоизображений.
Практическая значимость исследования
Расчёт расстояний в линейном приближении, согласно ПВЗ, уменьшает время расчёта радиоизображения вдвое при потере качества 15% по сравнению с существующими установками [3-4]. Данный результат может быть применим при создании радиотомографа, получающим радиоизображение в реальном времени.
Апробация результатов работы
Результаты работы докладывались автором и обсуждались на российских и международных конференциях. Публикации автора по теме магистерской диссертации:
• Васин В. В. Ускорение расчета радиоизображения на основе метода дифракционных гипербол / В. В. Васин, И. С. Федянин, А. И. Еремеев // Труды семнадцатой Всероссийской конференции студенческих научно¬исследовательских инкубаторов, г. Томск, 11-15 мая 2020 г. Томск, 2020. С. 25-28.
• Радиоволновая томография фантома молочной железы / Васин В.В., Шипилов С.Э., Еремеев А.И., Завьялова К.В. В сборнике: Актуальные проблемы радиофизики АПР-2021. Сборник трудов IX Международной научно-практической конференции. Томск, 2021. С. 61-62.
• Васин В. В. Ускорение расчета радиоизображения на основе метода дифракционных гипербол / В. В. Васин, И. С. Федянин, А. И. Еремеев // Труды семнадцатой Всероссийской конференции студенческих научно¬исследовательских инкубаторов, г. Томск, 11-15 мая 2022 г. (в редакции).
Получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ:
• № 2021610415. Расчёт трехмерной томограммы неоднородностей в биологических средах по данным электронного сканирования тактированной матрицы сверхширокополосных приемопередающих антенн : программа для ЭВМ / А. И. Еремеев (RU), И. С. Еремеев (RU), В. Васин (KZ) ; правообладатель А. И. Еремеев ; заявл. 05.10.2020 ; опубл. 14.01.2021. 80 Мб
Структура диссертации
В разделе 1 проведён обзор существующих установок. В разделе 2 описывается постановка задачи и метод расчёта радиоизображения методом дифракционных гипербол и оптимизированным методом, восстановление углов и сдвигов между трёхмерными радиоизображениями. В разделе 3 описывается математическое моделирование с использованием метода дифракционных гипербол и оптимизированного метода дифракционных гипербол. В разделе 4 описывается разработка программы. В разделе 5 описана постановка и проведение экспериментов. Сравнивается результат работы программы на математической модели и экспериментальных данных.
Личный вклад автора
Личный вклад автора заключается в разработке и реализации оптимизированного метода миграций, разработке алгоритма по поиску сдвигов и углов между трёхмерными радиоизображениями, численном исследовании влияния качества радиоизображения при увеличении расстояния между антеннами. Автор непосредственно участвовал в проведении измерений и обработке их результатов.
1. Исследовано влияние расположения антенн при бистатическом зондировании на качество радиоизображения. Увеличение расстояния между антеннами ухудшает качество радиоизображения.
2. Вывод файлов реализован в формат TIFF. Используется библиотека libTIFF.
3. Создана и проверена численная модель для оптимизированного метода, где смоделирована прямая и обратная задачи для томографии скрытых объектов в полусферической области.
4. Разработана программа на C++, позволяющая обрабатывать полученные данные и восстанавливать радиоизображения методом дифракционных гипербол и оптимизированным методом дифракционных гипербол. Достигнуто ускорение оптимизированным методом в 2 раза.
5. 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.
6. Проведена серия экспериментов с тестовыми объектами в виде 2 металлических шариков в свином жире. Полученные результаты подтверждают возможность использовать представленные методы восстановления углов и сдвигов для трёхмерных радиоизображений.
2. Вывод файлов реализован в формат TIFF. Используется библиотека libTIFF.
3. Создана и проверена численная модель для оптимизированного метода, где смоделирована прямая и обратная задачи для томографии скрытых объектов в полусферической области.
4. Разработана программа на C++, позволяющая обрабатывать полученные данные и восстанавливать радиоизображения методом дифракционных гипербол и оптимизированным методом дифракционных гипербол. Достигнуто ускорение оптимизированным методом в 2 раза.
5. 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.
6. Проведена серия экспериментов с тестовыми объектами в виде 2 металлических шариков в свином жире. Полученные результаты подтверждают возможность использовать представленные методы восстановления углов и сдвигов для трёхмерных радиоизображений.