86072 (597866)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Федеральное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Д.Н. Карпинский

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к разделу «Традиционные методы вычислительной томографии» спецкурса «Применение томографических методов в медицинской диагностике»

для студентов специальности «Прикладная математика»

Ростов-на-Дону

2007

Печатается по решению кафедры теории упругости факультета математики, механики и компьютерных наук ЮФУ, протокол N1 от 10 сентября 2007 года.

Методические указания разработаны доктором физико-математических наук, профессором кафедры теории упругости Д.Н.Карпинским.

1. ВВЕДЕНИЕ

Томография - одно из бурно развивающихся направлений в области получения и обработки информации. Томография позволяет заглянуть внутрь наблюдаемого объекта. Основная проблема томографии - как по получаемым в томографическом эксперименте проекционным данным (например, по рентгеновским снимкам) "увидеть" внутреннюю структуру анализируемого объекта. Область математики, в которой разрабатываются методы решения подобных задач, известна как "интегральная геометрия" [1].

Хронология развития вычислительной томографии:

1895 г. – открытие рентгеновских лучей;

1917 г. – преобразование Радона;

1920 г. – рентгенограмма в медицине;

1930 г. – линейная томография, вращательная томография;

1942 г. – РВТ в радиоастрономии;

1961 г. – сверточный алгоритм;

1964 г. – алгоритм РВТ А. Кормака;

1972 г. – серийный томограф Г. Хаунсфилда;

1977 г. – учебный курс по вычислительной томографии в университете штата Нью-Йорк;

1979 г. – Нобелевская премия А. Кормаку и Г. Хаунсфилду.

1.2 В настоящее время существуют следующие виды томографии:

1. рентгеновская томография;

2. радионуклеидная томография;

3. ЯМР – томография;

4. ультразвуковая томография;

5. оптическая томография;

6. протонно-ионная томография;

7. томография в радиодиапазоне;

8. ЭПР - томография.

Особенно важное значение методы томографии имеют для медицинской диагностики [2].

Все виды томографии по свойствам изучаемых объектов можно разделить на два больших класса: трансмиссионную вычислительную томографию (ТВТ) и эмиссионную вычислительную томографию (ЭВТ). В ТВТ внешнее излучение зондирует пассивный (неизлучающий) объект, частично поглощаясь им. В ЭВТ активный (излучающий) объект представляет собой пространственное распределение источников излучения, при этом выходящее вдоль какого-либо направления излучение является суперпозицией излучений всех источников, лежащих на линии проецирования.

Рассмотрим вначале физический закон распространения внешнего излучения в веществе. Пусть тонкий пучок, например - излучения, с интенсивностью падает на слой вещества с распределением линейного коэффициента поглощения (ослабления) вдоль распространения пучка. При этом феноменологически определяют через вероятность поглощения - кванта при прохождении элементарного пути соотношением .

Р исунок 1. К выводу уравнения переноса излучения (1.1).

Стационарное уравнение переноса излучения в чисто поглощающей неоднородной среде, описывающее процесс излучения в веществе, представляет собой баланс частиц или энергии и имеет вид

(1.1)

Решением уравнения (2.1) будет закон Бугера-Ламберта-Бэра для неоднородной поглощающей среды, который составляет основу расчетов ТВТ.

, (1.2)

где - интенсивность источника излучения.

Рассмотрим теперь закон распространения излучения при действии внутренних источников излучения (самоизлучающие объекты).

Рисунок 2. К выводу закона переноса излучения при действии внутреннего источника.

Пусть точечный источник излучает в телесный угол с интенсивностью в веществе с распределением линейного коэффициента ослабления вдоль прямой, соединяющей источник с небольшой площадкой , наклоненной под углом к этой прямой. Тогда для интенсивности , приходящейся на площадку , получаем [3]

. (1.3)

Выражение (1.3) учитывает четыре основных фактора: пространственное распределение источника излучения, геометрическое ослабление, ослабление излучения в веществе и наклон площадки детектора. Формула (1.3) лежит в основе ЭВТ.

2. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ РАДОНА

2.1 Рассмотрим задачу восстановления двумерного распределения коэффициента ослабления при просвечивании объекта излучением внешнего источника. Источник излучения проходит дискретно вдоль объекта. Синхронно с источником с другой стороны объекта движется детектор излучения. Набор отсчетов, полученный таким образом, определяет одномерную функцию, называемую проекцией. Затем система «Источник-детектор» поворачивается относительно объекта на некоторый угол , и снимает новый набор отсчетов, определяющий следующую проекцию. По полученному набору одномерных проекций необходимо восстановить двумерное распределение . Такую схему измерений называют круговой геометрией измерений, а проекции называют параллельными проекциями.

Рисунок 3. Схема кругового сканирования с параллельными проекциями.

Пусть на плоскости, где введена прямоугольная система координат задана функция . Проинтегрируем эту функцию по некоторой прямой, лежащей в данной плоскости. Очевидно, что результат интегрирования, который обозначим , зависит от того, по какой именно прямой проводится интегрирование.

Рисунок 4. К выводу формул преобразования Радона.

Известно, что всякая прямая может быть описана уравнением

, (2.1)

где - расстояние от начала координат до этой прямой; - угол, образованный с осью перпендикуляром, опущенным из начала координат на эту прямую.

Произвольная прямая однозначно задается двумя параметрами и . Поэтому и результат интегрирования функции по некоторой прямой будет зависеть от этих же параметров, т.е. . Предположим, что функция интегрируется по всевозможным прямым. Подобное интегрирование можно также рассматривать как некоторое преобразование, которое данной функции на плоскости ставит в соответствие функцию на множестве всех прямых, задаваемую интегралами от вдоль прямых. Это преобразование называют преобразованием Радона [4,5], а функцию часто называют образом функции в пространстве Радона или проекцией, которая в обозначениях (1.2) имеет вид

. (2.2)

Задача ставится следующим образом: функция неизвестна, но известна функция , являющаяся образом в пространстве Радона; требуется по функции определить . Другими словами решение поставленной задачи сводится к отысканию явной формулы обращения или к поиску преобразования, обратного преобразованию Радона. Впервые формула обращения была получена в статье Иоганна Радона, опубликованной в 1917 году в Трудах Саксонской академии наук. Однако эта работа была незаслуженно забыта и формула обращения была открыта заново в 1961 году.

Согласно определению радоновского образа и с учетом того, что интеграл от заданной функции вдоль прямой равен интегралу по всей плоскости произведения этой функции на - функцию, аргументом которой является левая часть уравнения (2.3), имеем [6,7]

. (2.3)

Интегрирование, осуществляемое по двум переменным, можно свести к интегрированию по одной переменной. Для этого введем еще одну прямоугольную систему координат , повернутую относительно на угол . Вспомним, что при переходе от одной из этих систем координат к другой координаты меняются следующим образом:

(2.4)

(2.5)

Сделаем в (2.3) замену переменных (2.4)

=

= (2.6)

Для функции , отличной от нуля в пределах некоторой ограниченной области, ее радоновский образ также определяется выражением (2.3), только интегрирование проводится не по всей плоскости, а задается границами данной области. Так, если отлична от нуля внутри круга радиуса , то вместо (2.6) имеем

. (2.7)

В общем случае функция, описывающая радоновский образ, обладает одним важным свойством

. (2.8)

Физический смысл этого свойства состоит в том, что любые пары и согласно (2.1) задают одну и ту же прямую.

Приведем примеры, которые иллюстрируют вычисление радоновских образов.

Пример 1.

Пусть . Подставим это выражение в (2.6) и получим (см. Приложение А)

=

= . (2.9)

Из (2.9) следует, что если функция отлична от нуля в точке , то функция, описывающая ее образ в пространстве Радона , отлична от нуля на линии

, (2.10)

где

.

Рисунок 5. - функция (а) и ее радоновский образ (б)

Пример 2.

Пусть . Подставляя это выражение в (2.6), получим

. (2.11)

Рисунок 6. Функция (а) и ее радоновский образ (б)

Область, где принимает максимальные значения, представляет собой линию, которая определяется выражением (2.10).

Пример 3.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов книги