Физические основы интроскопии

Интроскопия (лат. intro — внутри, др.-греч. σκοπέω — смотрю; дословный перевод внутривидение)

Цели освоения дисциплины (модуля)
Целью изучения дисциплины Б3.В.ДВ.6.1. «Физические основы интроскопии» является: приобретение теоретических знаний об основах интроскопии биообъектов как техники использования проникающих излучений для исследования внутренней структуры организма

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
1. Знать: основные законы теории реконструкций в интроскопии, пути решения задач в медицинской интроскопии, получение основных представлений теории интегральной геометрии. Основные физические законы, лежащие в основе интроскопии и схемы реализации регистрации структуры объектов.
2. Уметь: использовать преобразование Радона для трансмиссионной рентгеновской томографии, использовать интегральные преобразования такие как Фурье-, Лапласа-преобразования и др. для создания алгоритмов и схем реконструкции физических (и медицинских) параметров исследуемого объекта.
3. Владеть: методиками использования полученных теоретических знаний по интроскопии для решения конкретных (курсовых и дипломных работ) задач с последующим анализом и оценкой полученных результатов.

Обзор прогрессивных методов интроскопии; основы ультразвуковой интроскопии; уравнение Навье и его декомпозиция; распространение ультразвуковых волн в упругих телах; граничные условия; принципы геометрической акустики; объемные волны; отражение и преломление объемных волн; приложения к количественной ультразвуковой интроскопии; физические основы радиоволновой интроскопии; электромагнитные волны в направляющих системах с распределенными параметрами; взаимодействия электромагнитного поля с тестируемым объектом; электромагнитные средства измерения объема, массы, однородности среды и иных характеристик; обработка сигналов и изображений; физические основы методов токовихревой интроскопии; базовые уравнения электромагнитного поля в проводящей и слабопроводящей средах; теоретические основы моделирования токовихревых датчиков; обработка сигналов; модели взаимодействия электрического поля с композитными диэлектрическими средами; диэлектрическая спектрометрия; перспективы развития методик неинвазивного оценивания; тенденции фундаментальных исследований в области неразрушающего контроля, в том числе медицинского приборостроения, материаловедения и предотвращения загрязнения окружающей среды. Лабораторный практикум.

Основная литература
1. С.Е. Улин, В.Н. Михайлов, В.Г. Никитаев, А.Н.Алексеев, В.Г. Кириллов-Угрюмов, Ф.М. Сергеев «Физические методы медицинской интроскопии». М.: МИФИ, 2009, С-308. Рекомендовано УМО «Ядерная физика и технологии».
2. Б.А. Костылев, Б.Я. Наркевич «Медицинская физика». Учебное пособие. М.: «Медицина», 2008 г. С — 459.
Дополнительная литература
1. К. Уэстбрук, К. Кауж Рот, Д. Тэлбот «Магнитно-резонансная томография». Практическое руководство. М.: Изд-во Бином. Лаборатория знаний. 2012 г. С — 448.
2. Наркевич Б.Я., Костылев В.А. Физические основы ядерной медицины. Учебное пособие. АМФ-Пресс, Москва 2001г. С —60.

Основные методы
Выделяют три основных вида интроскопических методов:
проекционные — получение теневого изображения объекта;
2) томографические — получение томографического изображения объекта;
3) эхозондирование, в том числе доплеровское.

Проекционные методы
В проекционных методах проводят зондирование (облучение) объекта с некоторого ракурса и получают его теневое изображение (проекцию). Чаще всего в качестве зондирующего используют рентгеновское излучение (рентгенография).
Проекционные методы работают по принципу «один ракурс — один снимок». При этом никакие математические преобразования для получения изображения не проводятся, имеют место только методы пост-обработки (регулировка яркости-контраста, и т. д.).

Томографические методы
При увеличении количества ракурсов и, соответственно, количества снимков (многоракурсная съёмка), можно применить томографические алгоритмы реконтрукции и получить уже не теневые, а томографические изображения.
Для томографических методов иерархию можно представить как:
двумерная томография: много ракурсов в одной плоскости — набор одномерных проекций плюс математическая обработка — двумерная томограмма;
трёхмерная послойная томография: множество ракурсов во множестве параллельных плоскостей — набор одномерных проекций плюс математическая обработка — набор двумерных томограмм — трёхмерная томограмма;
трёхмерная произвольная томография: множество ракурсов во множестве произвольных (в том числе, пересекающихся) плоскостей — набор одномерных проекций плюс математическая обработка — трёхмерная томограмма (решение обратной томографической задачи с применением преобразований Радона (рентгеновская компьютерная томография, магнитно-резонансная томография) или экспоненциального преобразования Радона (радионуклидная томография).

Эхозондирование
В ряде случаев, некоторые методы эхозондирования (например, обычное ультразвуковое исследование), ошибочно относят к томографии, что терминологически не верно. Несмотря на то, что в ультразвуковом исследовании также получают изображение некоторого сечения (томоса) — метод его получения не является томографическим: отсутствует многоракурсная съёмка в пересекающихся направлениях и, самое главное, отсутствует решение обратной томографической задачи.
Для получения ультразвукового снимка нет никакой необходимости в особой математической предобработке. Ультразвуковой преобразователь (на самом деле это набор небольших отдельных ультразвуковых преобразователей) посылает ультразвуковую волну (ультразвуковой веерный пучок), которая частично отражается от границ неоднородностей и возвращается к ультразвуковому преобразователю, где и регистрируется. Принцип же получения снимка в упрощённой форме можно представить следующим образом: по одной оси откладываются номера отдельных преобразователей (направление), вторая ось — временная задержка отклика (расстояние), яркость — интенсивность отклика.

Физические основы интроскопии
Введение
1. Электромагнитное излучение ..........................................
2. Радиоволны .......................................................................
3. Оптический диапазон
электромагнитного излучения .........................................
3.1. Инфракрасное излучение ....................................................
3.2. Ультрафиолетовое излучение ............................................
3.3. Видимое излучение ..............................................................
4. Лазерное излучение .........................................................
5. Рентгеновское излучение ...............................................
6. Гамма-излучение ..............................................................
7. Элементарные частицы ..................................................
8. Ультразвуковое излучение ............................................
К каждому излучению будут даваться общее определение; общие характеристики; область применения в медицине; устройства и оборудования, в которых применяется излучение.

Введение
Интроскопия — это визуальное наблюдение объектов, явлений и процессов в оптически непрозрачных телах и средах, а также в условиях неполной видимости. Визуальное наблюдение достигается путем преобразования невидимых излучений объекта в видимое изображение. В настоящее время для визуализации изображений используются почти все известные электромагнитные волны, начиная от радиоволн до гамма-излучения.

С помощью электромагнитного излучения можно получить изображение как внешних, так и внутренних структур исследуемого объекта. Например, рентгеновское излучение применяется для получения визуального изображения костных и других биологических тканей; импульсное радиоизлучение в ядерно-магнитной резонансной (ЯМР) томографии используется для получения изображения костного или головного мозга; оптическое излучение, используемое в оптических, электронных, сканирующих зондовых микроскопах позволяет получать изображение объектов с учетом всей цветовой гаммы, раскрывая информацию о форме биологических тканей, их температуре, составе крови, локализации воспаленных участков, исследовать отдельные молекулы, механизмы биохимических процессов на уровне генов, белковых молекул и т.д.

В настоящее время в медицинской интроскопии также активно используется ультразвуковое излучение (УЗИ). УЗИ позволяет получить изображение внутренних органов. Диагностические приборы на основе УЗИ в основном используются в акушерстве, кардиологии, урологии.

Радиоактивное излучение изотопов, распределенных и накопленных определенным образом во внутренних органах с патологией, позволяет получать изображение органов путем регистрации этого излучения.
В современной медицинской интроскопии также используются пучки нейтральных и заряженных частиц (нейтроны, протоны, электроны, ионы). Пучки частиц применяются для диагностики и профилактики различных заболеваний.
Развитие современных компьютерных технологий расширили возможности медицинской интроскопии. Использование компьютерных технологий позволяет получать трехмерные статические и динамические изображения исследуемых объектов, обрабатывать с большой скоростью полученные данные, используя постоянно развивающиеся математические методы.

Развитие медицинской интроскопии достигается благодаря объединению усилий, прилагаемых в различных областях науки: медицины, физики, математики, химии, электроники, компьютерных технологий и др.
В связи с интенсивным развитием медицинской интроскопии, увеличения объема медицинской технологии, развития научных исследований в медицинской физике возрастает проблема подготовки профессиональных кадров для создания, обслуживания и эксплуатации современного медицинского диагностического оборудования.

Основы волновой и кантовой теории электромагнитного излучения
Методы медицинской интроскопии основываются на современных представлениях о физической природе электромагнитного и других видов излучений. Волновая и квантовая теории с большой точностью применяются для описания процессов распространения различных видов излучений и их взаимодействия со средой. Физические и математические модели, лежащие в основе этих теорий, используются для понимания физических процессов и явлений, которые используются в современной интроскопии.

Волновая теория электромагнитного излучения
Теория электромагнитных волн рассматриваемых как переменное электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью (равной скорости света в вакууме), основывается на теории Максвелла, сформулированной им в 1865 г. Генерируемые и регистрируемые различными способами электромагнитные волны обладают широким диапазоном частот (или длин волн), а также свойствами. Электромагнитные волны делятся на несколько видов по условным границам: радиоволны, световые волны, рентгеновское и гамма-излучения.

Таблица 1. Основные виды электромагнитных волн

Для однородной изотропной среды вдали от зарядов и токов, создающих электромагнитное поле, из уравнений Максвелла следует, что векторы напряженностей переменного электромагнитного поля удовлетворяют волновому уравнению типа:
где
— оператор Лапласа
— фазовая скорость

Функция, удовлетворяющая волновым уравнениям, описывает волну. Таким образом, электромагнитные поля могут существовать в виде электромагнитных волн.
Фазовая скорость электромагнитных волн определяется выражением:
По теории Максвелла электромагнитные волны являются поперечными, т.е. векторы напряженностей электрического и магнитного полей волны взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной вектору распространения волны:

Рис. Векторы напряженностей электрического и магнитного полей образуют правовинтовую систему

Для описания процессов взаимодействия электромагнитных волн со средой используются следующие основные физические величины и закономерности:
1) Показатель преломления среды:
2) Длина волны в среде:
3) Коэффициенты отражения и пропускания среды:
4) Поглощение (абсорбция) электромагнитных волн описывается законом Бугера: