Оптимизация сбора и обработки сигналов в приборах оптической когерентной томографии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Ксенофонтов, Сергей Ювинальевич

• Ксенофонтов, Сергей Ювинальевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Ксенофонтов, Сергей Ювинальевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБЗОР И ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ (ПО ЛИТЕРАТУРЕ)

1.1 КОРРЕЛЯЦИОННАЯ ОПТИЧЕСКАЯ КОГЕРЕНТНАЯ ТОМОГРАФИЯ

1.2 СПЕКТРАЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ КОГЕРЕНТНАЯ ТОМОГРАФИЯ

1.3 ОПТИЧЕСКАЯ КОГЕРЕНТНАЯ ТОМОГРАФИЯ С ПЕРЕСТРАИВАЕМЫМ ИСТОЧНИКОМ

1.4 ОПТИЧЕСКАЯ КОГЕРЕНТНАЯ ТОМОГРАФИЯ ПОЛНОГО ПОЛЯ

1.5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ГЛАВА 2 МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ДЛЯ СКОРОСТНОЙ СИСТЕМЫ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ

2.1 ПРИНЦИП РАБОТЫ СКОРОСТНОЙ ОПТОВОЛОКОННОЙ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ

2.1.1 Принцип работы предыдущей версии оптоволоконной корреляционной ОКТ-системы (прототипа текущей версии)

2.1.2 Принцип работы оптической схемы текущей версии оптоволоконной корреляционной ОКТ-системы

2.1.3 Архитектура системы сбора данных и управления текущей версии оптоволоконной корреляционной ОКТ-системы

2.2 ИТЕРАЦИОННАЯ МЕТОДИКА СИНТЕЗА СИГНАЛА УПРАВЛЕНИЯ ОПТОВОЛОКОННЫМ ПЬЕЗОМОДУЛЯТОРОМ

2.3 ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ АЛГОРИТМ РАСЧЁТА ИЗОБРАЖЕНИЙ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ ДЛЯ СКОРОСТНОЙ ОПТОВОЛОКОННОЙ СИСТЕМЫ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ

2.3.1 Описание применяемого метода асинхронного сбора данных и параллельных вычислений

2.3.2 Описание последовательности действий с данными одного А-скана

2.3.3 Методика преодоления проблемы неравномерности загрузки процессорных потоков и экспериментальное подтверждение её эффективности

2.3.4 Методика визуализации для зондов с телецентрической линзовой системой и без неё

2.4 ПРИМЕНЕНИЕ СКОРОСТНОЙ СИСТЕМЫ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ

2.4.1 Практические результаты вышеописанных методик

2.4.2 Пример применения корреляционной ОКТ-системы в составе стандартного видеоэндоскопического оборудования

2.4.2 Пример применения корреляционной кросс-поляризационной ОКТ-системы

ГЛАВА 3 МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ

СИСТЕМЫ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ

3.1 ПРИНЦИП РАБОТЫ ОПТОВОЛОКОННОЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ

3.2 ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ АЛГОРИТМ РАСЧЁТА ИЗОБРАЖЕНИЙ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ ДЛЯ ОПТОВОЛОКОННОЙ СИСТЕМЫ СПЕКТРАЛЬНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ

3.3 ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ США ДЛЯ РАСЧЁТА ИЗОБРАЖЕНИЙ СКОРОСТНОЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

3.4 ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМЫ СПЕКТРАЛЬНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ

ГЛАВА 4 АЛГОРИТМЫ ТРЁХМЕРНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ПРИМЕНИМЫЕ ДЛЯ СОВМЕСТНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ С СИСТЕМАМИ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ

4.1 ОПТИМИЗАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ПРОЕКЦИИ МАКСИМАЛЬНОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ СКАЛЯРНЫХ ТРЕХМЕРНЫХ ДАННЫХ В СТАТИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ, В ИНТЕРАКТИВНОМ РЕЖИМЕ И В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ

4.2 МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ ТРЁХМЕРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОДНОКООРДИНАТНОГО СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДА И СПОСОБ ИХ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ПРОСМОТРА В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация сбора и обработки сигналов в приборах оптической когерентной томографии»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Методы оптической когерентной томографии (ОКТ) активно развиваются в течение последних двадцати пяти лет. ОКТ - это способ визуализации внутренней структуры исследуемого объекта методом интерферометрического приёма оптического сигнала, рассеянного структурами исследуемого образца в обратном направлении, относительно направления зондирующего излучения. На практике, чаще всего, ОКТ используется как метод биомедицинской визуализации, позволяющий получать изображения внутренней структуры приповерхностных тканей организма человека т \1\о с высоким пространственным разрешением [1,2,3]. В качестве зондирующего излучения в данном методе используется низкокогерентное излучение в ближнем инфракрасном диапазоне (800-1300 нм). Относительная ширина спектра зондирующего излучения составляет 0,05-0,1. Малая мощность зондирующего излучения обеспечивает неинвазивность данного метода.

Область данного исследования относится к разработке приборов, являющихся аппаратно-программными комплексами, использующими методы ОКТ. В частности, в данном исследовании подробно рассмотрены алгоритмы расчёта ОКТ-изображений с возможностью их визуализации и сохранения в реальном времени в виде непрерывных потоков. Кроме того, рассмотрена возможность трёхмерной визуализации внутренней структуры объекта, исследуемого при помощи методов ОКТ.

Несмотря на значительное время развития методов ОКТ, в настоящий момент их применение в клинической практике ограничено.

В настоящее время методы ОКТ относительно широко применяются только в офтальмологии для диагностики состояния сетчатки глаза и, реже, переднего отдела глаза [4,5]. Это обусловлено тем, что глаз является удобным объектом для оптических методов исследования, так как сам является "оптическим устройством". При этом слои сетчатки глаза обладают высокой контрастностью в применяемом диапазоне зондирующего излучения. Благодаря этому в данный момент на международном рынке имеется несколько десятков модификаций коммерческих офтальмологических ОКТ-приборов.

Ещё одной областью клинического применения ОКТ является исследования склеротических бляшек внутри крупных коронарных сосудов [6]. В данных приборах используются одноразовые зонды с боковым круговым обзором. Такой зонд вводится в крупный сосуд. При этом, для обеспечения работоспособности метода в зоне обследования кровь заменяется оптически прозрачной рентген-контрастной жидкостью. Это обусловлено тем, что кровь слабо прозрачна для используемого диапазона зондирующего излучения, и процедура происходит под контролем рентгеновской

визуализации. Так как данный метод является дорогим и рискованным, в данный момент на мировом рынке известно только о двух модификациях коммерческого ОКТ-прибора для этого назначения.

Рассматриваемые в данной работе модификации ОКТ-систем предназначены для исследования и визуализации внутренней структуры слизистых оболочек и серозных покровов внутренних органов человека in vivo в реальном времени. Кроме того, рассмотрена модификация ОКТ-системы, предназначенная для трёхмерной визуализации in vivo в реальном времени внутренней структуры наружных биотканей. Данные модификации ОКТ-систем были разработаны в Институте прикладной физики РАН (ИПФ РАН). Именно благодаря достижениям ИПФ РАН в области волоконно-оптической широкополосной интерферометрии и фемтосекундной оптики удалось применить достаточно уникальный подход в построении этих систем [7,8]. Рассматриваемые ОКТ-системы сделаны полностью на базе волоконно-оптических элементов, что обеспечило их компактность, надёжность и мобильность. Это, в свою очередь, обеспечило их применимость в клинической практике. Создание совместимого со стандартными эндоскопами сканирующего зонда, ставшее приоритетом нижегородских ученых [9,10], позволило впервые в мире использовать ОКТ в эндоскопическом варианте и получить прижизненные изображения слизистых оболочек внутренних органов и серозных покровов полостей человека [11]. Автору на сегодняшний момент не известны другие доступные аналоги эндоскопических ОКТ-систем, применимых в клинической практике. Отчасти это обусловлено отсутствием программного обеспечения в системах ОКТ, основанном на алгоритмах, обеспечивающих получение в реальном времени, информации о микромасштабной структуре объекта в условиях его физиологических движений.

Оптоволоконная архитектура рассматриваемых ОКТ-систем, а также жёсткие требования условий эксплуатации (надёжность, безопасность, малая мощность излучения, возможность стерилизации и взаимозаменяемость используемых зондов) обуславливает отличие их схемы и принципов работы от других ОКТ-систем.

Рассматриваемые ОКТ-системы отличаются от своих предшественников повышенной скоростью сканирования. Скорость работы первых модификаций эндоскопических ОКТ-систем составляла 100 A-сканов в секунду. Рассматриваемые ОКТ-системы обладают скоростью в тысячи и десятки тысяч A-сканов в секунду. Для обеспечения работоспособности таких систем потребовалась разработка быстродействующих методов обработки данных.

Повышенная скорость ОКТ-системы обеспечивает не только дополнительное удобство в работе, но и предоставляет возможность для получения дополнительной диагностической информации [12]. В данном варианте ОКТ-изображения следует сохранять не только в виде отдельных картинок, но и в виде фильмов, которые

впоследствии могут быть воспроизведены синхронно с фильмами, полученными посредством захвата видеопотока от стандартного видеоэндоскопического оборудования [1.2, 6.1]. А это требует выделения дополнительной вычислительной мощности, для реализации данных процессов.

Увеличение скорости ОКТ-систем позволяет реализовать не только визуализацию внутренней структуры ткани, но и визуализировать дополнительные физиологические и функциональные параметры. К таким параметрам, например, относятся двулучепреломление, кровоснабжение, эластографические характеристики. Все эти возможности были реализованы в модификациях ОКТ-систем, использующих алгоритмы обработки и управления, которые описаны в настоящей работе. Такие модификации ОКТ-систем относятся к так называемой функциональной ОКТ. Такие ОКТ-системы имеют большой потенциал как для проведения фундаментальных биологических и биомедицинских исследований, так и для клинической практики [13, 1.3, 1.4, 2.1, 2.2].

Наличие сложного алгоритма обработки большого потока данных требует применения специализированных методов параллельных вычислений. Кроме того, поставленная задача предполагает обеспечение работоспособности рассматриваемых ОКТ-систем, управляемых компьютерной программой, которая работает в условиях операционной системы общего назначения. Это предъявляет дополнительные требования к снижению вычислительной мощности применяемой компьютерной техники. Также этому способствует требование к снижению общей себестоимости системы и требование к повышению её мобильности.

Увеличение скорости рассматриваемых ОКТ-систем позволяет за приемлемое время получать трёхмерные ОКТ-изображения внутренней структуры исследуемой биоткани. Это стало возможным в результате применения специально разработанных двухкоординатных сканирующих систем. Это актуализировало задачу визуализации скалярных трехмерных данных в применении к визуализации трёхмерных ОКТ-изображений. Исходя из общей концепции построения рассматриваемых ОКТ-систем предлагается решить эту задачу также в условиях минимизированной вычислительной мощности используемой компьютерной техники.

Таким образом, требование к увеличению скорости ОКТ-систем и требование к минимизации вычислительной мощности используемой компьютерной техники делают настоящую диссертацию актуальной. Цель и задачи работы

Целью работы является оптимизация работы ОКТ-систем в части увеличения скорости процессов управления, обработки сигналов и оптимизация способов визуализации результатов в реальном времени.

Для достижения этих целей решались следующие задачи:

1. Разработка метода скоростного управления многослойным оптоволоконным пьезомодулятором для корреляционной волоконной ОКТ-системы.

2. Разработка методов параллельного асинхронного сбора и обработки данных для нескольких модификаций ОКТ-систем в условиях использования двухъядерного процессора с многопотоковой технологией.

3. Модификация и применение метода проекции максимальной интенсивности для визуализации скалярных трехмерных данных в статическом режиме, в интерактивном режиме и в реальном времени.

Объектом исследования являются приборы оптической когерентной томографии.

Предметом исследования являются методы и алгоритмическое обеспечение процессов

управления, сбора и обработки данных, и способы визуализации в реальном времени.

Новизна работы

1. Разработан итерационный метод подбора формы управляющего сигнала оптоволоконного пьезомодулятора, обеспечивающий необходимую стабильность скорости изменения оптического пути при её высоком значении.

2. Предложен метод параллельного асинхронного сбора и обработки данных для корреляционной ОКТ-системы и экспериментально подтверждена его эффективность.

3. Предложен метод параллельного асинхронного сбора и обработки данных и оптимизирован метод компенсации материальной дисперсии и неэквидистантности спектральной ОКТ-системы, а также экспериментально подтверждена их эффективность.

4. Разработана модификация метода проекции максимальной интенсивности и экспериментально подтверждена её вычислительная эффективность для задачи трёхмерной визуализации в реальном времени.

Достоверность результатов работы подтверждается многократной повторяемостью

результатов экспериментальной проверки и стабильной работоспособностью ОКТ-систем

построенных с использованием результатов настоящей диссертации.

Практическая ценность работы

1. Использование разработанных методов сбора и обработки данных позволило создать несколько модификаций корреляционных и спектральных ОКТ-систем управляемых через интерфейс USB.

2. Разработанный алгоритм визуализации трёхмерных скалярных массивов данных позволяет осуществить их отображение с произвольного ракурса наблюдения в интерактивном режиме, используя вычислительную мощность одного центрального процессора (CPU) настольного или мобильного типа.

3. Разработанные методики и алгоритмическое обеспечение сбора и обработки данных были использованы при проектировании корреляционных, кросс-поляризационных и

спектральных ОКТ-систем производимых в настоящее время в ООО «БиоМедТех» и в ИПФ РАН.

4. Программы, созданные на основе разработанных алгоритмов трёхмерной визуализации, могут быть использованы для предтавления результатов различных научных исследований.

Практическая ценность настоящей работы документально подтверждена пятью

актами внедрения, представленными в Приложении В к диссертации.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Метод синтеза сигнала управления оптоволоконным пьезомодулятором, основанный на итерационном подборе закона изменения управляющего тока, обеспечивающий стабильность доплеровского сдвига частоты опорной волны интерферометра корреляционной ОКТ-системы.

2. Методы построения электронных систем для корреляционной и спектральной ОКТ, основанные на использовании асинхронных управляющих сигналов и универсальной элементной базы, обеспечивающие скоростной непрерывный сбор данных и управление через интерфейс USB.

3. Асинхронный метод сбора и обработки данных для корреляционной и спектральной ОКТ, обеспечивающий работоспособность системы при использовании ограниченной вычислительной мощности за счёт равномерного распределения параллельных вычислительных потоков между используемыми логическими процессорами.

4. Вычислительный алгоритм, использующий для параллельных расчётов таблицы корректирующих коэффициентов, позволяющий компенсировать артефакты спектральной ОКТ-системы в процессе синтеза ОКТ-изображений в реальном времени.

5. Метод проекции максимальной интенсивности, модифицированный за счёт применения обратной проекции, отображения границ визуализации, учёта глубины визуализируемых точек и применения параллельных вычислений, позволяющий визуализировать трёхмерные скалярные данные с произвольного ракурса наблюдения в интерактивном режиме и в реальном времени.

Апробация работы

Материалы диссертации были доложены на следующих международных научных

конференциях:

- Saratov Fall Meeting 2014, Saratov, Russia, 22-26 September 2014

- Optical Coherence Imaging Techniques and Imaging in Scattering Media: Brett E. Bouma; Maciej Wojtkowski, Munich, Germany, 21-25 June 2015

- Conference on Biomedical-Optics, BiOS, San Jose, USA, 25-31 January 2003

- 13-th International Laser Physics Workshop (LPHYS'04), Trieste, Italy, 12-16 July 2004

- PIE/OSA European Conference on Biomedical Optics, Optical Coherence Tomography and Coherence Techniques V, Munich, Germany, 22-26 May 2011

- V International Symposium Topical Problems of Biophotonics (TPB-2015) - Nizhny Novgorod - Elabuga - Nizhny Novgorod, Russia, 20-24 July 2015

Основные публикации

Основные материалы диссертации опубликованы в 14-ти научных работах. Из них: 5 статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертаций [1.1-1.5], 2 публикации в материалах международных конференций [2.1-2.2], 5 публикаций в тезисах докладов международных конференций [3.1-3.5], 2 публикации в главах научных монографий [4.1-4.2]. Из них: 6 публикаций [1.1, 1.2, 1.4, 1.5, 2.1, 2.2] индексированы в системе Scopus, 5 публикаций [1.1, 1.2, 1.4, 2.1, 2.2] индексированы в системе Web of Science, 4 публикации [1.1, 1.2 1.4, 1.5] включены в ядро РИНЦ. Aлгоритмы, описанные в диссертации, защищены одним патентом на изобретение [5.1] и одним свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ [6.1]. Личный вклад автора

Все результаты настоящей диссертации получены автором лично или при его непосредственном участии. В частности, автор разработал всё программно-алгоритмическое обеспечение, описанное в настоящей работе. Кроме того, автор принимал участие в разработке электронных схем для систем сбора данных и управления ОКТ-приборов. Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и 3-х приложений. Общий объём диссертации составляет 151 страницу. Диссертация содержит 89 рисунков. Список литературы содержит 96 наименований. Краткое содержание диссертации

Первая глава является обзорной. В ней рассмотрены различные методы ОКТ, известные в настоящее время, их особенности и характеристики. Рассмотрены перспективы описанных методов и особенности их практического применения. Приведены сравнительные характеристики существующих методов ОКТ и приведено обоснование применения корреляционного и спектрального метода для эндоскопических ОКТ-систем, разрабатываемых в ИПФ РАН и рассматриваемых в диссертации в дальнейшем.

Вторая глава посвящена скоростной корреляционной ОКТ-системе. В разделе 2.1 описывается принцип работы этой системы и её эволюционные отличия от предшествующих модификаций. Раздел 2.2 описывает разработанный итерационный метод синтеза управляющего сигнала оптоволоконного пьезомодулятора скоростного корреляционного оптического когерентного томографа. Раздел 2.3 описывает

разработанный алгоритм расчёта ОКТ-изображений для скоростного корреляционного оптического когерентного томографа. В разделе 2.4 содержится обсуждение результатов работы разработанных алгоритмов и перспектив развития корреляционной ОКТ-системы.

Третья глава посвящена спектральной ОКТ-системе. В разделе 3.1 описывается принцип работы этой системы и её особенности. Раздел 3.2 описывает разработанный алгоритм синтеза ОКТ-изображений для спектрального оптического когерентного томографа, описанного выше. Раздел 3.3 посвящён описанию перспективной модификации скоростного спектрального оптического когерентного томографа и обсуждению применения графических процессоров для обеспечения её работоспособности. В разделе 3.4 содержится обсуждение результатов работы разработанных алгоритмов и перспектив развития данной ОКТ-системы.

Четвёртая глава посвящена алгоритмам трёхмерной визуализации, применимым для совместного использования с ОКТ-системами. Раздел 4.1 содержит описание принципов оптимизации и применения метода проекции максимальной интенсивности для визуализации скалярных трехмерных данных в статическом режиме, в интерактивном режиме и в реальном времени. Раздел 4.2 описывает методику получения трёхмерных изображений с использованием однокоординатного сканирующего зонда и способ их предварительного просмотра в реальном времени. Для ускорения этого процесса и снижения требуемой вычислительной мощности предлагается использовать только прямую ортогональную проекцию одного фиксированного ракурса наблюдения.

В Заключении сформулированы основные результаты данной работы.

В приложениях представлены подробные блок-схемы алгоритмов, описанных в основной части, и акты внедрения результатов диссертации.

ГЛАВА 1 ОБЗОР И ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ (ПО ЛИТЕРАТУРЕ)

1.1 КОРРЕЛЯЦИОННАЯ ОПТИЧЕСКАЯ КОГЕРЕНТНАЯ ТОМОГРАФИЯ

Впервые термин оптическая когерентная томография (ОКТ) появился в работе [1] в 1991 году. Метод ОКТ в то время стал принципиально новым методом визуализации внутренней структуры рассеивающих сред (биологических сред). Основной физический принцип работы сформулированного в 1990-х годах метода ОКТ сводится к измерению интенсивности и времени задержки излучения, рассеянного назад на оптических неоднородностях исследуемого объекта [2,3]. Позднее с развитием других методов ОКТ данный метод в англоязычной литературе стал называться time-domain optical coherence tomography (TD-OCT). Из-за сложности корректного дословного перевода на русский язык термина time-domain, в последнее время для обозначения данного метода ОКТ в русскоязычной литературе употребляется термин корреляционная.

Сканирующее зеркало (Z)

Источник излучения

"7

1

Выходной объектив и сканирующая система (X,Y)

Исследуемый объект

Фотоприёмник

Рис. 1.1 - Схема интерферометра Майкельсона, применяемая в корреляционных ОКТ-

системах

В основе всех ОКТ-методов лежит интерферометрический приём рассеянного назад зондирующего излучения. Наиболее часто в ОКТ-системах используется интерферометр Майкельсона [45] рис. 1.1. Данная схема работает следующим образом. Излучение поступает на делитель, который разделяет его на две равные части. Одна часть поступает в сканирующую и фокусирующую систему, которая обеспечивает поперечное сканирование по одной (X) или по двум ^Д) координатам. Эта система фокусирует зондирующее излучение на исследуемом объекте. Эта же система осуществляет приём излучения, рассеянного назад оптическими неоднородностями исследуемого объекта. Другая часть излучения от источника поступает в опорное плечо интерферометра и отражается сканирующим зеркалом. Излучение, рассеянное в исследуемом объекте,

смешивается с излучением, отражённым в опорном плече. Если разность хода между опорной и сигнальной волнами меньше длины когерентности, то эти волны имеют ненулевую корреляцию и способны к интерференции. Фотоны, которые получили дополнительную задержку в результате многократного рассеяния, не участвуют в интерференции, так как их задержка превысит длину когерентности. Поэтому, в результате изменения длины опорного плеча изменением положения сканирующего зеркала осуществляется сканирование исследуемого объекта в глубину (координата 2).

Другими словами, построение изображения в данном методе осуществляется за счёт измерения корреляции между опорным и отражённым излучением. Поэтому этот метод ОКТ называется корреляционным.

Рис. - 1.2 Результат интерференции (отклик от точечного рассеиваетеля)

Форма сигнала, регистрируемого фотоприёмником от точечного рассеивателя, в случае Гауссовой (идеальный случай) формы спектра зондирующего излучения показана на рис. 1.2. В этом случае величина продольного элемента разрешения определяется как:

где Я - центральная длина волны зондирующего излучения, ДЯ - ширина полосы зондирующего излучения по уровню 1/2.

Из уравнения (1.1) следует, что чем больше ширина полосы излучения у источника, тем выше разрешающая способность ОКТ-системы. Для корреляционной ОКТ в качестве источника излучения используются суперлюминесцентные диоды (СЛД) или фемтосекундные лазеры. СЛД дешевле и компактнее фетосекундных лазеров. При этом ширина спектра излучения СЛД сравнима с фемтосекундными лазерами. Впервые использовать СЛД в качестве источников зондирующего излучения для измерения

(1.1)

расстояний в биоткани с помощью интерференционного метода было предложено в работе [28]. Разрешение метода ОКТ при использовании СЛД позволяет достичь значений 3-30 мкм, что на один - два порядка лучше, чем в случае использования высокочастотного ультразвукового метода (самый высокоразрешающий метод биомедицинской визуализации до изобретения ОКТ). Благодаря столь уникальным характеристикам были продемонстрированы новые возможности ОКТ-систем в ранней диагностике различных заболеваний [8,11,27-33].

Изображение внутренней структуры исследуемого объекта в корреляционной ОКТ-системе получается следующим образом. Огибающая интерференционного сигнала оцифровывается синхронно с изменением длины опорного плеча интерферометра. В результате получается профиль рассеяния в глубину исследуемого образца. В ОКТ-системах он называется А-сканом. Сканирующая система обеспечивает перемещение зондирующего луча вдоль поверхности исследуемого образца. Совокупность А-сканов, регистрируемая синхронно с этим движением называется В-сканом. Скорость ОКТ-систем принято измерять в А-сканах в секунду.

Стоит отметить, что в русскоязычной научной среде часто дискутируется вопрос о корректности термина оптическая когерентная томография. При этом есть претензии ко всем трём словам этого термина. Прилагательное оптическая чаще всего ассоциируется с видимым излучением, тогда как в ОКТ, преимущественно, в качестве зондирующего, используется излучение ближнего инфракрасного диапазона (800-1300 нм). Применение прилагательного когерентная, имеет двоякий смысл. С одной стороны, в методике ОКТ используется низкокогерентное излучение, и с этой позиции террмин когерентная кажется некорректным. Но при этом, метод ОКТ основан на свойстве низкокогерентного излучения, оставаться практически полностью когерентным, при разности хода интерферирующих лучей, не превышающей длину когерентности. Эта длина мала, и не превышает единиц микрон, но это и позволяет выделять баллистические фотоны. Поэтому прилагательное «когерентная» вполне уместно для метода ОКТ, несмотря на то, что в нем используется исключительно «низко когерентное излучение», относительная ширина оптического спектра которого не превышает десятков процентов. Утверждается, что термин томография также не корректен, так как томографией принято называть послойное восстановление изображений методом решения обратной математической задачи. Однако начальный смысл термина томография - это «рисование среза». В 19-веке в Англии томографией называли то, что в России называли анатомическими срезами Пирогова. В результате, термин оптическая когерентная томография является общепризнанным во всём мире.

Разрешающая способность и скорость ОКТ-систем являются важнейшими сравнительными характеристиками.

Типичная скорость коммерческих модификаций корреляционных ОКТ-систем составляет от одной до нескольких сотен A-сканов в секунду. В научных публикациях встречались описания макетов корреляционных ОКТ-систем со скоростью более тысячи A-сканов в секунду (например, [34]). Но эти скорости достигались за счёт существенного ухудшения других важных параметров системы, таких как разрешающая способность, чувствительность, динамический диапазон. Основным ограничением в увеличении скорости корреляционных ОКТ-систем являются технические сложности, связанные с тем, что двумерное или трёхмерное ОКТ-изображение получается в этих системах за счёт механического перемещения (сканирования) тех или иных элементов конструкции. При значительном увеличении скорости движения и при цикличности движения возникают ограничения, связанные с возбуждением собственных механических резонансов элементов конструкции и другие механические и энергетические проблемы.

Главным достоинством корреляционных ОКТ-систем является их низкая себестоимость, связанная с простотой конструкции. Кроме того, простота конструкции позволяет сделать эти системы мобильными и компактными.

Если процедуры детектирования и логарифмирования выполняются аппаратно, то программная часть ОКТ-системы, отвечающая за визуализацию, становится тривиальной и не требует больших вычислительных мощностей и программных изощрений. Поэтому, вопросам программного обеспечения и специализированным алгоритмам для корреляционных ОКТ-систем, внимания в научных публикациях, практически, не уделялось. Подавляющее большинство лабораторных прототипов и многие коммерческие корреляционные ОКТ-системы были реализованы на базе систем сбора данных фирмы National Instrument Corp. при помощи стандартных элементов визуального программирования пакета LabVIEW.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ксенофонтов, Сергей Ювинальевич, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Публикации автора:

Статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК:

1.1 Геликонов, В.М. Система управления пьезоволоконным модулятором оптического пути / В.М. Геликонов, Г.В. Геликонов, С.Ю. Ксенофонтов, Д.А. Терпелов, П.А. Шилягин // Приборы и техника эксперимента. - 2010. - № 3. - С. 133-136.

1.2 Берзон, Л.Э. Применение метода оптической когерентной томографии в эндоскопии / Л.Э. Берзон, Л.Е. Богомолова, Л.Л. Варламова, В.М. Геликонов, Г.В. Геликонов, И.П. Гуров, В.А. Ершов, М.П. Королев, С.Ю. Ксенофонтов // Оптический журнал. - 2009. - Т. 76. - № 10. - С. 63-70.

1.3 Геликонов, В.М. Кросс-поляризационная оптическая когерентная томография для эндоскопических исследований / В.М. Геликонов, Г.В. Геликонов, В.Н. Ромашов, С.Ю. Ксенофонтов // Альманах клинической медицины. - 2008. - № 17-1. - С. 49-52.

1.4 Matveev, L.A. Hybrid M-mode-like OCT imaging of three-dimensional microvasculature in vivo using reference-free processing of complex valued B-scans / L.A. Matveev, V.Yu. Zaitsev, G.V. Gelikonov, A.L. Matveyev, A.A. Moiseev, S.Yu. Ksenofontov, V.M. Gelikonov, M.A. Sirotkina, N.D. Gladkova, V. Demidov, A. Vitkin // Optics Letters. - 2015. - V. 40(7). - P. 1472-1475.

1.5 Геликонов, В.М., Новые подходы к широкополосной волоконно-оптической интерферометрии для оптической когерентной томографии / В.М. Геликонов, Г.В. Геликонов, С.Ю. Ксенофонтов, Р.В. Куранов, А.Н. Морозов, А.В. Мяков, А.А. Туркин, И.В. Турчин, Д.В. Шабанов // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. - 2003. - Т. 46. - № 7. - С. 610-627.

Материалы научных конференций:

2.1 Matveev, L.A. Scan-pattern and signal processing for microvasculature visualization with complex SD-OCT: tissue-motion artifacts robustness and decorrelation time-blood vessel characteristics / L.A. Matveev, V.Y. Zaitsev, G.V. Gelikonov, A.L. Matveyev, A.A. Moiseev, S.Y. Ksenofontov, V.M. Gelikonov, V. Demidov, A. Vitkin // SPIE Proceedings. - 2014. - V. 9448. - p. 94481M.

2.2 Matveev, L.A. An approach to OCT-based microvascular imaging using referencefree processing of complex-valued B-scans / L.A. Matveev, G.V Gelikonov., A.L. Matveyev, A.A. Moiseev, S. Ksenofontov, V.M. Gelikonov, M.A. Sirotkina, N.L. Buyanova, N.D. Gladkova, V. Demidov, A. Vitkin, V.Yu. Zaitsev // SPIE Proceedings. - 2015 - V. 9541 - p. 954106.

Тезисы докладов научных конференций:

3.1 Gelikonov, G.V. Optical coherence microscope with ultra-broadband PM-fiber / G.V. Gelikonov, V.M. Gelikonov, R.R. Iksanov, S.Ju. Ksenofontov, A.N. Morosov, D.V. Shabanov // Abstracts Conference on Biomedical-Optics, BiOS, 25-31 January 2003, Technical digest series, 4956-07. Conference 4056: Conference domain optical methods and optical coherence tomography in biomedicine VII. - 2003. - p. 87.

3.2 Gelikonov, G., 4 mcm resolution imaging of biological tissues using PM fiber optical coherence microscope / G Gelikonov., V. Gelikonov, S. Ksenofontov, A. Morosov, D. Shabanov // In abstracts of 13-th International Laser Physics Workshop (LPHYS'04). Laser Physics (International Journal), the Abdus Salam ICTP, - Trieste, Italy, July 12-16 2004. - 2004. - P. 186.

3.3 Gelikonov, G.V. Cross-polarization common path endoscopic system with circular polarization of the probing wave / G.V. Gelikonov, S.Ju. Ksenofontov, A.A. Moiseev, Shabanov

D.V. , Shilyagin P.A., Terpelov D.A., Gelikonov V.M. // V International Symposium Topical Problems of Biophotonics (TPB-2015) Nizhny Novgorod - Elabuga - Nizhny Novgorod, Russia 20-24 July, 2015. - 2015 - p. 52-53.

3.4. Gelikonov, G.V. Cross-polarization common path endoscopic system with circular polarization of the probing wave / G.V. Gelikonov, S.Ju. Ksenofontov, A.A. Moiseev, D.V. Shabanov, P.A. Shilyagin, D.A. Terpelov, V.M. Gelikonov // V International Symposium Topical Problems of Biophotonics (TPB-2015) Nizhny Novgorod - Elabuga - Nizhny Novgorod, Russia 20-24 July, 2015. - 2015 - p. 52-53.

3.5 Gelikonov, V.M. Control of circular polarization of the probe wave in common path endoscopic ОСТ / V.M. Gelikonov, S.Ju. Ksenofontov, A.A. Moiseev, D.V. Shabanov, P.A. Shilyagin, D.A. Terpelov, V.A. Romashov, G.V. Gelikonov // V International Symposium Topical Problems of Biophotonics (TPB-2015) Nizhny Novgorod - Elabuga - Nizhny Novgorod, Russia 20-24 July, 2015. - 2015 - p. 54-55. Главы научных монографий:

4.1 Gelikonov, G.V. Compact Optical Coherence Microscope / G.V. Gelikonov, V.M. Gelikonov, S.U. Ksenofontov, A.N. Morosov, A.V. Myakov, Y.P. Potapov, V.V. Saposhnikova,

E.A. Sergeeva, D.V. Shabanov, N.M. Shakhova, E.V. Zagainova // Handbook of Coherent-Domain Optical Methods: Biomedical Diagnostics, Environmental and Material Science: Kluwer Academic Publishers. - 2004. - P. 345-363.

4.2 Gelikonov, G.V. Optical coherence microscopy / G.V. Gelikonov, V.M. Gelikonov, S.U. Ksenofontov, A.N Morosov., A.V. Myakov, Y.P. Potapov, V.V. Saposhnikova, E.A. Sergeeva, D.V. Shabanov, N.M. Shakhova, E.V. Zagainova // Handbook of Coherent-Domain Optical

Methods. Biomedical Diagnostics, Environmental Monitoring and Material Science/ Second edition /Springer Science+Business Media New York - Vol. 2.New York Heidelberg Dordrecht London: Springer. - 2013. - P. 1127-1156. Патенты:

5.1 Способ оптимизации метода проекции максимальной интенсивности для визуализации скалярных трехмерных данных в статическом режиме, в интерактивном режиме и в реальном времени / Ксенофонтов С. Ю., Василенкова Т. В. // Патент на изобретение РФ № 2533055, приоритет 27.09.2013 г.; зарегистрир. 16.09.2014 г. Зарегистрированные программы для ЭВМ:

6.1 Программа для просмотра базы данных ОКТ / Ксенофонтов С. Ю., Василенкова Т. В. // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013616289, заявл. 03.03.2013 г.; зарегистрир. 03.07.2013 г.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА:

1. Huang, D. Optical Coherence Tomography / D. Huang, E.A. Swanson, C.P. Lin, J.S. Schuman, W.G. Stinson, W. Chang, M.R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C.A. Puliafito, J.G. Fujimoto // Science - 1991. - V. 254. - P. 1178-1181.

2. Swanson, E.A. High-speed optical coherence domain reflectometry / E.A. Swanson, D. Huang, M.R. Hee, J.G. Fujimoto, C.P. Lin, C.A. Puliafito // Optics Letters. - 1992. - V. 17(2). -P. 151-153.

3. Fercher, A.F. Optical coherence tomography / A.F. Fercher // Journal of Biomedical Optics. -1996. - V. 1(2). - P. 157-173.

4. Huang, D. Imaging the Eye from Front to Back with RTVue Fourier-Domain Optical Coherence Tomography / D. Huang, J.S. Duker, J.G. Fujimoto, B. Lumbroso, J.S. Schuman, R.N. Weinreb // Slack Inc., Thorofare. - 2010. - P. 1-268.

5. Swanson, E.A. In vivo retinal imaging by optical coherence tomography / Swanson E.A., Izatt J.A., Hee M.R., Huang D., Lin C.P., Schuman J.S., Puliafito C.A., Fujimoto J.G. // Optics Letters. - 1993. - V. 18. - P. 1864-1866.

6. Bezerra, H.G. Intracoronary Optical Coherence Tomography: A Comprehensive Review / H.G. Bezerra, M.A. Costa, G. Guagliumi, A.M. Rollins, D.I. Simon // JACC: Cardiovascular Interventions 2 (11): (November 2009). - 2009. - P. 1035-1040.

7. Sergeev, A.M. In vivo optical coherence tomography of human skin microstructure / A.M. Sergeev, V.M. Gelikonov, G.V. Gelikonov, F.I. Feldchtein, K.I. Pravdenko, D.V. Shabanov, N.D. Gladkova, V.V. Pochinko, V.A. Zhegalov, G.I. Dmitriev, I.R. Vazina, G.A. Petrova, N.K. Nikulin // In: Coherence Domain Optical Methods in Biomedical Science and Clinical Applications III. Proc. of SPIE. - 1994. - p. 144-150.

8. Геликонов, В.М. Когерентная оптическая томография микронеоднородностей биотканей / В.М. Геликонов, Г.В. Геликонов, Н.Д. Гладкова, Р.В. Куранов, Н.К. Никулин, Г.А. Петрова, В.В. Починко, К.И. Правденко, А.М. Сергеев, Ф.И. Фельдштейн, Я.И. Ханин, Д.В. Шабанов // Письма в ЖЭТФ. - 1995. -Т. 61. - № 2. - С. 149-153.

9. Способ получения изображения объекта, устройство для его осуществления и устройство доставки низкокогерентного оптического излучения. / Геликонов Г.В., Геликонов В.М., Мяков А.В., Фельдштейн Ф. И. // Патент на изобретение РФ № 2242710 приоритет 07.06.2002 г.; зарегистрир. 20.02.2004 г.

10. Оптоволоконное сканирующее устройство. / Геликонов Г.В. // Патент на изобретение РФ № 2319184 приоритет 13.06.2006 г.; зарегистрир. 10.03.2008 г.

11. Sergeev, A.M In vivo endoscopic OCT imaging of precancer and cancer states of human mucosa / A.M. Sergeev, V.M. Gelikonov, G.V. Gelikonov, F.I. Feldchtein, R.V. Kuranov, N.D.

Gladkova, N.M. Shakhova, L.B. Snopova, A.V. Shakhov, I.A. Kuznetzova, A.N. Denisenko, V.V. Pochinko, Y.P. Chumakov, O.S. Streltzova // Optics Express. - 1997. - V. 1(13). - P. 432440.

12. Пантелеева, О.Г. Диагностические возможности оптической интроскопии в выявлении причин нарушения репродуктивного здоровья женщин / О.Г. Пантелеева, А.Н. Зиновьев, К.Э. Юнусова, М.Ю. Кириллин, Н.М. Шахова // Российский вестник акушера-гинеколога. - №5. - 2013., с. 53-57.

13. Kim, J. Functional optical coherence tomography: principles and progress / J. Kim, W. Brown, J.R. Maher, H. Levinson, A. Wax // Physics in medicine and biology. - 2015. - V. 60(10) - P. 211-247.

14. Fercher, A.F. Measurement of Intraocular Distances by Backscattering Spectral Interferometry / A.F. Fercher, C.K. Hitzenberger, G. Kamp, S.Y. Elzaiat // Optics Communications. - 1995. - V. 117(1-2). - P. 43-48.

15. Choma, M.A Sensitivity advantage of swept source and Fourier domain optical coherence tomography / M.A. Choma, M.V. Sarunic, C.H. Yang, J.A. Izatt // Optics Express. - 2003. - V. 11(18). - P. 2183-2189.

16. Leitgeb, R. Performance of fourier domain vs. time domain optical coherence tomography / R. Leitgeb, C.K. Hitzenberger, A.F. Fercher // Optics Express. - 2003. V. 11(8). - P. 889-894.

17. Choma, M.A. Swept source optical coherence tomography using an all-fiber 1300-nm ring laser source / M.A. Choma, K. Hsu, J.A. Izatt // Journal of Biomedical Optics. - 2005. - V. 10(4). - P. 44009.

18. Dunsby, C. Single-shot phase-stepped wide-field coherencegated imaging / C. Dunsby, Y. Gu, P. French // Optics Express. - 2003. - V. 11(2). - P. 105-119.

19. Roy, M. Geometric phase-shifting for low-coherence interference microscopy / M. Roy, P. Svahn, L. Cherel, C.Jr. Sheppard // Optics and Lasers in Engineering. - 2002. - V. 37(6). - P. 631-641.

20. Akiba, M. Full-field optical coherence tomography by two-dimensional heterodyne detection with a pair of CCD cameras / M. Akiba, K.P. Chan, N. Tanno // Optics Letters. - 2003. - V. 28(10). - P. 816-823.

21. Dubois, A. High-resolution full-field optical coherence tomography with a Linnik microscope / A. Dubois, L. Vabre, A.C. Boccara, E. Beaurepaire // Applied Optics. - 2002. - V. 41(4). - P. 805 - 812.

22. Геликонов, В.М. Электронные интерфейсные системы для задач спектральной оптической когерентной томографии / В.М. Геликонов, Г.В. Геликонов, Д.А. Терпелов, П.А. Шилягин // Приборы и техника эксперимента. - 2012. - Т. 55. - № 3. - С. 392-398.

23. Геликонов, В.М. Оптимизация метода спектральной оптической когерентной томографии на базе интерферометров Физо и Майкельсона / В.М. Геликонов, Г.В. Геликонов, П.А. Шилягин // Известия АН: Серия Физическая. - 2008. - Т. 72. - № 1. С. -104-109.

24. Геликонов, В.М. Линейный по оптической частоте спектрометр для реализации скоростного режима в спектральной оптической когерентной томографии / В.М. Геликонов, Г.В. Геликонов, П.А. Шилягин // Оптика и спектроскопия. - 2009. - Т. 106. -№ 3. - С. 518-524.

25. Gelikonov, G.V. Linear in-wavenumber optical spectrum registration in SD-OCT / G.V. Gelikonov, V.M. Gelikonov, P.A. Shilyagin // Proceedings of SPIE - Optical Coherence Tomography and Coherence Domain Optical Methods in Biomedicine XVI, edited by Joseph A. Izatt, James G. Fujimoto, Valery V. Tuchin. - 2012. - Vol. 8213. - p. 82133H.

26. Геликонов, В.М. Компенсация когерентных помех в спектральной оптической когерентной томографии с параллельной регистрацией спектра / В.М. Геликонов, Г.В. Геликонов, И.В. Касаткина, Д.А. Терпелов, П.А. Шилягин // Оптика и Спектроскопия. -2009. - Т. 106 - № 6. - P. 1006-1011.

27. Моисеев, А.А. Вычислительно эффективное преобразование Фурье по неэквидистантным отсчётам / А.А. Моисеев, Г.В. Геликонов, П.А. Шилягин, В.М. Геликонов // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. - 2012. - Т. 55. - № 1011. - С. 727-735.

28. Fercher, A.F. Eye-length measurement by interferometry with partially coherent light / A.F. Fercher, K. Mengedoht, W. Werner // Optics Letters. - 1988 - Vol. 13(3). - Р. 186-188.

29. Bouma, B.E. Handbook of Optical Coherence Tomography / B.E. Bouma, G.J. Tearney. -New York, Basel: Marcel Dekker Inc., 2002. - 741 p.

30. Гладкова, Н.Д. Руководство по оптической когерентной томографии / Н.Д. Гладкова, Н.М. Шахова, А.М. Сергеев - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 296 с.

31. Tearney, G.J. High-speed phase- and group-delay scanning with a grating based phase control delay line / G.J. Tearney, B.E. Bouma, J.G. Fujimoto // Optics Letters. - 1997. - V. 22(23). - P. 1811-1813.

32. Tearney, G.J. In vivo endoscopic optical biopsy with optical coherence tomography / G.J. Tearney, M.E. Brezinski, B.E. Bouma, S.A. Boppart, C. Pitris, J.F. Southern, J.G. Fujimoto // Science. - 1997. - V. 276. - P. 2037-2039.

33. Feldchtein, F.I. In vivo OCT imaging of hard and soft tissue of the oral cavity / F.I. Feldchtein, G.V. Gelikonov, V.M. Gelikonov, R.R. Iksanov, R.V. Kuranov, A.M. Sergeev, N.D.

Gladkova, M.N. Ourutina, J.A. Warren, D.H. Reitze // Optics Express. - 1998. -V. 3(6). - P. 239-250.

34. Rollins, A.M. In vivo video rate optical coherence tomography / A.M. Rollins, M.D. Kulkarni, S. Yazdanfar, R. Ung-Arunyawee, J.A. Izatt // Optics Express. - 1998. - V. 3(6). - P. 219-229.

35. Wolf, E. Three-dimensional structure determination of semi-transparent objects from holographic data / E. Wolf // Optics Communications. - 1969. - V. 1(4). - P. 153-156.

36. Fercher, A.F. Image formation by inversion of scat-tered field data: experiments and computational simulation / A.F. Fercher, H. Bartelt, H. Becker, E. Wiltschko // Applied Optics. -1979. - V. 18(14). - P. 2427.

37. Feldchtein, F. Cost-effective, all-fiber autocorrelator based 1300 nm OCT system / F. Feldchtein, J. Bush, G. Gelikonov, V. Gelikonov, S. Piyevsky // Proc. SPIE. - 2005. - V. 5690. -P. 349-354.

38. Vakhtin, A.B. Common-path interferometer for frequency-domain optical coherence tomography / A.B. Vakhtin, D.J. Kane, W.R. Wood, K.A. Peterson // Applied Optics. - 2003. -V. 42(34). - P. 6953-6958.

39. Bracewell, R.N. The Fourier transform and its applications / R.N. Bracewell - 3rd ed. - New York: McGraw-Hill, 1999. - 630 p.

40. Hartley, R. V. L. A more symmetrical Fourier analysis applied to transmission problems / R. V. L. Hartley // Proceedings IRE 30. - 1942. - P. 144-150.

41. Schreiner, S. A fast maximum-intensity projection algorithm for generating magnetic resonance angiograms / S. Schreiner, R.L. Galloway // Medical Imaging, IEEE Transactions on Mar 1993. - 1993. - V. 12(1). - p. 50-56.

42. Bresenham, J. E. Algorithm for computer control of a digital plotter / J. E. Bresenham // IBM Systems Journal. - V. 4(1). - p. 25-30.

43. Кротов, Е.В. Экспериментальные исследования возможностей многоканальной акустической термотомографии / Е.В. Кротов, С.Ю. Ксенофонтов, А.Д. Мансфельд, А.М. Рейман, А.Г. Санин, М.Б. Прудников // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. - 1999. - Т. 42. - № 5. - С. 479-484.

44. Бабиков, Д.Б. Визуализация дефектов, обнаруженных в сварных швах рельсов при ультразвуковом контроле / Д.Б. Бабиков, А.Г. Кириллов, С.Ю. Ксенофонтов, А.М. Рейман, М.Б. Прудников, А.В. Шишков // Дефектоскопия. - 1999. - № 6. - С. 93.

45. Michelson, A.A. The Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether / A.A. Michelson // American Journal of Science. - 1881. - V. 22. - P. 120-129.

46. Michelson, A. On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether / A. Michelson, E. Morley // American Journal of Science. - 1887. - V. 34. - № 203. - P. 333-345.

47. Adelson E. H. Checkershadow Illusion (2005) / Adelson E. H. // Retrieved 2007-04-21. -http://web.mit.edu/persci/people/adelson/checkershadow_illusion.html

48. Покровский, В.М. Физиология человека / Покровский В.М., Коротько Г.Ф. - М.: Медицина, 2003. - 656 с.

49. Fizeau, H. Sur les hypothèses relatives à l'éther lumineux / Fizeau H. // Comptes Rendus. -1851. - V.33. - P. 349-355.

50. Dowdy, S. Statistics for Research / S. Dowdy , S. Wearden, D. Chilko - 3rd Edition -New Jersey: Wiley, 2004. - 640 p.

51. Shen, P. J. Modern processor design: fundamentals of superscalar processors / P. J. Shen, M. Lipasti - Boston: McGraw-Hill Higher Education, 2005. - 455 р.

52. Stokes J. Introduction to Multithreading, Superthreading and Hyperthreading / J. Stokes // Retrieved 2015-09-30. - http://arstechnica.com/features/2002/10/hyperthreading/

53. Marr, D.T. Hyper-Threading technology architecture and microarchitecture / D.T. Marr, F. Binns, D.L. Hill, G. Hinton, D.A. Koufaty, J.A. Miller, M. Upton // Intel Technology Journal. -2002. - V. 6(1). - p. 4-15.

54. Manavski, S.A. CUDA compatible GPU cards as efficient hardware accelerators for Smith-Waterman sequence alignment / S.A. Manavski, G. Valle // BMC Bioinformatics. - 2008. -9(Suppl. 2):S10.

55. Сироткина, М.А. Применение мультимодальной оптической когерентной томографии в оценке эффективности терапии рака / М.А. Сироткина, Е.В. Губарькова, Е.Б. Киселева, Н.Л. Буянова, В.В. Елагин, В.Ю. Зайцев, Л.А. Матвеев, А.Л. Матвеев, М.Ю. Кириллин, Г.В. Геликонов, В.М. Геликонов, С.С. Кузнецов, Е.В. Загайнова, Н.Д. Гладкова // Вестник РГМУ. - 2016. - №4 - C. 21-28.

56. Gubarkova, E.V. Multi-modal optical imaging characterization of atherosclerotic plaques / E.V. Gubarkova, V.V. Dudenkova, F.I. Feldchtein, L.B. Timofeeva, E.B. Kiseleva, S.S. Kuznetsov, BE. Shakhov, A.A. Moiseev, V.M. Gelikonov, G.V. Gelikonov, A. Vitkin, N.D. Gladkova // J. Biophotonics. - V. 9(10). - p. 1009-1020.

57. Губарькова, Е.В. Количественная оценка поляризационных характеристик атеросклеротических бляшек коронарных артерий на разных стадиях развития / Е.В. Губарькова, Е.Б. Киселева, М.Ю. Кириллин, Л.Б. Тимофеева, С.С. Кузнецов, Ф.И. Фельдштейн, Н.Д. Гладкова // Современные технологии в медицине. - 2015. - Т. 7.- № 4. - С. 39-49.

58. Matveev, L.A. Vessel-contrast enhancement in label-free optical coherence angiography based on phase and amplitude speckle variability / Matveev L.A, Demidov V., Moiseev A.A., Gelikonov G.V., Matveyev A.L., Gelikonov V.M., Karabut M.M., Gubarkova E.V., Finagina E.S., Sirotkina M.A., Maslennikova A.V., Gladkova N.D., Vitkin A., Zaitsev V.Yu.// SPIE Proceedings. - 2015 - V.9541-5. - P. 99171S-9.

59. Zaitsev, V.Y. Deformation-induced speckle-pattern evolution and feasibility of correlational speckle tracking in optical coherence elastography / V.Y. Zaitsev, A.L Matveyev., L.A. Matveev, G.V. Gelikonov, V.M. Gelikonov, A. Vitkin // Journal of Biomedical Optics. - 2015. -V.20(7). - С. 075006.

60. Zaitsev, V.Y. Hybrid method of strain estimation in optical coherence elastography using combined sub-wavelength phase measurements and supra pixel displacement tracking / V.Y. Zaitsev, A. L. Matveyev, L.A. Matveev, , G.V. Gelikonov, E.V. Gubarkova, N.D. Gladkova, A. Vitkin // Journal of Biophotonics. - 2016. - V.9(5). - p. 499-509.

61. Сироткина, М.А. Разработка методики наблюдения экспериментальных опухолей с помощью многофункциональной оптической когерентной томографии: Выбор оптимальной модели опухоли / М.А. Сироткина, Н.Л. Буянова, Т.И. Калганова, М.М. Карабут, В.В. Елагин, С.С. Кузнецов, Л.Б. Снопова, Г.В. Геликонов, В.Ю. Зайцев, Л.А. Матвеев, Е.В. Загайнова, A. Vitkin, Н.Д. Гладкова // Современные технологии в медицине. - 2015. - Т. 7. - № 2. - С. 6-15.

62. Matveev, L.A. OCT-based approach to local relaxations discrimination from translational relaxation motions / L.A. Matveev, A.L. Matveyev, E.V.Gubarkova, G.V. Gelikonov, M.A. Sirotkina, E.B. Kiseleva, V.M. Gelikonov, N.D. Gladkova, A. Vitkin, V.Yu. Zaitsev // SPIE Proceedings. - 2016. - V. 9887-12. - P. 98870C.

63. Яшин, К.С. Мультимодальная оптическая когерентная томография как метод визуализации структуры ткани головного мозга при глиобластоме (экспериментальное исследование) / К.С. Яшин, М.М. Карабут, В.В. Федосеева, А.С. Халанский, Л.А. Матвеев, В.В. Елагин, С.С. Кузнецов, Е.Б. Киселева, Л.Я. Кравец, И.А. Медяник, Н.Д. Гладкова // Современные технологии в медицине. - 2016. - Т. 8. - № 1. - С. 73-81.

64. Zaitsev, V.Y. Deformation-induced speckle-pattern evolution and feasibility of correlational speckle tracking in optical coherence elastography / V.Y. Zaitsev, A.L. Matveyev, L.A. Matveev, G.V. Gelikonov, V.M. Gelikonov, A. Vitkin // Journal of Biomedical Optics. - 2015. -V. 20(7). - С. 075006.

65. Zaitsev, V.Y. Elastographic mapping in optical coherence tomography using an unconventional approach based on correlation stability / V.Y. Zaitsev, L.A. Matveev, A.L.

Matveyev, G.V. Gelikonov, V.M. Gelikonov // Journal of Biomedical Optics. - 2014. - V. 19(2). - P. 021107.

66. Zaitsev, V.Y. Optical coherence tomography for visualizing transient strains and measuring large deformations in laser-induced tissue reshaping / V.Y. Zaitsev, A.L. Matveyev, L.A. Matveev, G.V. Gelikonov, A.I. Omelchenko, D.V. Shabanov, O.I. Baum, V.M. Svistushkin // Laser Physics Letters. - 2016. - V. 13(11). - р. 115603.

67. Gubarkova, E.V Quantitative analysis of the polarization characteristics of atherosclerotic plaques / E.V. Gubarkova, M.Yu. Kirillin, V.V. Dudenkova, E.B. Kiseleva, A.A. Moiseev, G.V. Gelikonov, L.B. Timofeeva, I.I. Fiks, F.I. Feldchtein, N.D. Gladkova // Proc. SPIE. - 2016. - V. 9887 - p. 988736.

68. Gubarkova, E.V. Characterization of atherosclerotic plaques by cross-polarization optical coherence tomography / E.V. Gubarkova, V.V. Dudenkova, F.I. Feldchtein, L.B. Timofeeva, E.B. Kiseleva, S.S. Kuznetsov, A.A. Moiseev, G.V. Gelikonov, A.I. Vitkin, N.D. Gladkova // Proc. of SPIE. - 2016. - Vol. 9689. - p. 96893F.

69. Zaitsev, V.Y. Robust strain mapping in optical coherence elastography by combining local phase-resolved measurements and cumulative displacement tracking / V.Y.Zaitsev, A.L. Matveyev, L.A. Matveev, G.V. Gelikonov, E. Gubarkova, N.D. Gladkova, A. Vitkin // Proceedings of SPIE. - 2016. - V. 9710. - Р. 97100O-1 - 97100O-9.

70. Matveev, L.A. To the problem of stiffness-contrast quantification in the correlation-stability approach to OCT elastography / L.A. Matveev, V.Y. Zaitsev, A.L. Matveyev, G.V. Gelikonov, V.M. Gelikonov // Proceedings of SPIE. - 2014. - V. 9031. - P. 903102.

71. Matveev, L.A. Combining the correlation-stability approach to OCT elastography with the speckle-variance evaluation for quantifying the stiffness differences / L.A. Matveev, V.Y. Zaitsev, A.L. Matveyev, G.V. Gelikonov, V.M. Gelikonov // Proceedings of SPIE. - 2014. - V. 9129. - P. 91290I.

72. Zaitsev, V.Y. Towards free-hand implementation of OCT elastography: Displacement-based approaches versus correlation-stability ones / V.Y. Zaitsev, L.A. Matveev, A.L. Matveyev, G.V. Gelikonov, V.M. Gelikonov // Proceedings of SPIE. - 2014. - V. 9129. - P. 91290J.

73. Зайцев, В.Ю. Современные тенденции в многофункциональной оптической когерентной томографии. I. Поляризационно-чувствительная ОКТ и традиционные подходы к ОКТ-эластографии / В.Ю. Зайцев, В.М. Геликонов, Л.А. Матвеев, Г.В. Геликонов, А.Л. Матвеев, П.А. Шилягин, И.А. Виткин // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. - 2014. - Т. 57. - № 1. - C. 59-74.

74. Зайцев, В.Ю. Современные тенденции в многофункциональной оптической когерентной томографии. II. Метод корреляционной стабильности в ОКТ-эластографии и

методы визуализации кровотока / В.Ю. Зайцев, И.А. Виткин, Л.А. Матвеев, В.М. Геликонов, А.Л. Матвеев, Г.В. Геликонов // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. - 2014. - Т. 57. - № 3. - С. 231-250.

75. Zaitsev, V.Yu. A model for simulating speckle-pattern evolution based on close to reality procedures used in spectral-domain OCT / V.Yu. Zaitsev, L.A. Matveev, A.L. Matveyev, G.V. Gelikonov, V.M. Gelikonov // Laser Physics Letters. - 2014. - V 11(10) - P. 105601.

76. Matveev, L.A. Novel methods for elasticity characterization using optical coherence tomography: brief review and future prospects / L.A. Matveev, V.Y. Zaitsev, A.L. Matveev, G.V. Gelikonov, V.M. Gelikonov, A. Vitkin // Photonics and Lasers in Medicine. - 2014. - V. 3(4). - P. 295-309.

77. Khazanov, E. Cross-correlator for the diagnostics of 3D ellipsoidal shaped UV laser pulses for XFEL ultra low-emittance photoinjector / E. Khazanov, A. Andrianov, E. Gacheva, G. Gelikonov, V. Zelenogorsky, S.Mironov, A. Poteomkin, M. Martyanov, E. Syresin, M. Krasilnikov, F. Stephan // CLEO: Science and Innovations, CLEO_SI 2013. - 2013. - P. JTh2A.27.

78. Krasilnikov, M. Development of a photo cathode laser system for quasi ellipsoidal bunches at PITZ / M. Krasilnikov, M. Khojoyan, F. Stephan, A. Andrianov, E. Gacheva, E. Khazanov, S. Mironov, A. Poteomkin, V. Zelenogorsky, E. Syresin // FEL 2013: Proceedings of the 35th International Free-Electron Laser Conference. - 2013. - P. 303-308.

79. Poteomkin, A. Cross-correlator for the diagnostics of 3D ellipsoidal shaped UV laser pulses for the future XFEL low-emittance photo-injector / A. Poteomkin, A. Andrianov, E. Gacheva, V. Zelenogorsky, S. Mironov, E. Khazanov, M. Martyanov, E. Syresin, M. Krasilnikov, F. Stephan // Optics InfoBase Conference Papers Ser. "International Quantum Electronics Conference, IQEC 2013". - 2013. - P. 6800648.

80. Zelenogorskii V.V. Scanning cross-correlator for monitoring uniform 3D ellipsoidal laser beams / V.V. Zelenogorskii, A.V. Andrianov, E.I Gacheva., G.V. Gelikonov, M.A. Mart'yanov, S.Yu. Mironov, A.K. Potemkin, M. Krasilnikov, F. Stephan, E.A. Khazanov, E.M. Syresin // Quantum Electronics. - 2014. - V. 44(1). - P. 76-82.

ПРИЛОЖЕНИЕ А Блок-схемы программно-алгоритмического обеспечения

С

Начало программы

I

)

Г

Определение текущего значения отклонения от идеальной формы йе

т

Цикл процедуры поиска оптимального управляющего сигнала (Рис. п.1.2)

С

Е

Конец программы

Инициализация устройства сбора данных и управления

4

Инициализация интерфейса эмулятора ПЗУ

1

Загрузка исходной формы управляющего сигнала

1

Загрузка идеальной формы движения модулятора

1

Загрузка параметров процедуры поиска оптимального управляющего сигнала

Исходная форма управляющего сигнала считывается из файла и сохраняется в массиве 0[].

Идеальная форма движения модулятора считывается из файла и сохраняется в массиве Бр[].

Эти параметры задаются пользователем и включают в себя искомое значение отклонения от идеальной формы й/, используемый диапазон движения модулятора 1[], шаг изменения амплитуды ёЛ и фазы ёБ управляющего сигнала, набор изменяемых гармоник управляющего сигнала 0[]. ЛБ:=0, ЛЬ:=0, БЬ:=0, ^:=0, йо := йе.

Сводится к запуску цикла процедуры поиска оптимального управляющего сигнала (Рис. п.1.2) с нулевыми параметрами ёЛ, ёБ и максимальным значением й/. йо := йе

1

Сохранение оптимальной формы управляющего сигнала

Текущая форма управляющего сигнала с Сс[] сохраняется в файле для последующей записи в ПЗУ.

Рис. п.1.1 - Блок-схема программы, предназначенной для автоматизированной настройки режима работы оптоволоконного пьезомодулятора

Рис. п.1.2 - Блок-схема цикла процедуры поиска оптимального управляющего сигнала оптоволоконного пьезомодулятора

Рис. п.2.1 - Блок-схема основного цикла программы управления корреляционной ОКТ-системы

С

Начало инициализации

)

3

Предварительное вычисление таблиц

С

Конец инициализации

)

Инициализация устройства сбора данных и управления

г

Создание 32-х приостановленных вычислительных потоков

1 г

Установка соответствия вычислительных потоков и виртуальных процессоров

1 г

Создание 32-х сообщений для синхронизации вычислений

1

Создание приостановленного вычислительного потока визуализации и сохранения B-скана

32 потока создаются в "приостановленном" (suspended) режиме. Дескрипторы потоков сохраняются в массиве hCalcThreadArr[], для дальнейшего использования. Все 32 потока исполняют одну функцию (Рис. п.2.5). Номер потока t передаётся в эту функцию как стартовый параметр.

Каждому из 32-x созданных потоков ставится в соответствие один из доступных виртуальных процессоров. При этом все доступные виртуальные процессоры должны быть задействованы и должны быть загружены равномерно.

Дескрипторы 32-x созданных сообщений сохраняются в массиве hEventArr[], для дальнейшего использования.

Поток создаётся в "приостановленном" (suspended) режиме. Дескриптор потока сохраняется в переменной hFrameThread (Рис. п.2.6).

Вычисляем значения синусов и косинусов, необходимые для процедуры программного детектирования, и значения таблиц синусов и таблиц стандартных перестановок, необходимых для соответствующих быстрых преобразований Фурье. Вычисленные данные сохраняются в соответствующих массивах для

дальнейшего использования.

Рис. п.2.2 - Блок-схема процедуры инициализации программы управления корреляционной ОКТ-системы

Начало процедуры старта сканирования

Набор сервисных процедур, устанавливающих параметры сканирования и визуализации

Создание вычислительного потока сбора данных (Рис. п.2.4)

1 Задер секун )жка 0,5 \ ды

Конец процедуры старта сканирования

Рис. п.2.3 - Блок-схема процедуры инициализации старта сканирования корреляционной ОКТ-системы

Рис. п.2.4 - Блок-схема вычислительного потока асинхронного сбора данных корреляционной ОКТ-системы

(Начало вычислительного потока ЬСа1сТкгеаёЛгг[1;]

Инициализировать внутренние указатели на исходные, промежуточные и конечные буферы чётного В-скана

Сбросить сообщение ЬБуеп1Лгт[Т]

1 от 1 "К до 15 шаг 1

Сбросить сообщение ЬБуеп1Лгг[Т+1]

Продолжить работу

потока ЬСа1сТЬгеаёЛгг[Т+1]

Приостановить работу потока ЬСа1сТЬгеаёЛгг[1]

Инициализировать внутренние указатели на исходные, промежуточные и конечные буферы нечётного В-скана

1 от 1;-Т

-до N-1 у—

\ шаг 16 /

\

Процедура расчёта

1-го Л-скана

Установить сообщение ЬБуеп1Лгт[1;]

Ожидание установки всех сообщений от ЬБуеп1Лгг[Т] до ЬБуеп1Лгг[Т+15]

Продолжить работу потока ИБгашеТИгсаё

Рис. п.2.5 - Блок-схема основных вычислительных потоков, применяемых для расчётов чётных и нечётных В-сканов, состоящих из N Л-сканов

Начало вычислительного потока ЬЕгашеТкгеаё

Визуализация текущего В-скана

1 г

Сохранение текущего В-скана во временном файле на диске.

Приостановить работу потока ЬЕгашеТЬгеаё

Рис. п.2.6 - Блок-схема асинхронного вычислительного потока визуализации и сохранения В-скана корреляционной ОКТ-системы

Рис. п.3.1 - Блок-схема основного цикла программы управления спектральной ОКТ-системы

С.

Начало инициализации

I

Создание 32-х сообщений для второго этапа синхронизации вычислений

Создание приостановленного вычислительного потока визуализации и сохранения B-скана

т

Предварительное вычисление таблиц

С

Конец инициализации

)

Инициализация устройства сбора данных и управления

*

Создание 32-х приостановленных вычислительных потоков

1

Установка соответствия вычислительных потоков и виртуальных процессоров

1

Создание 32-х сообщений для первого этапа синхронизации вычислений

32 потока создаются в "приостановленном" (suspended) режиме. Дескрипторы потоков сохраняются в массиве hCalcThreadArr[], для дальнейшего использования. Все 32 потока исполняют одну функцию (Рис. п.3.5). Номер потока t передаётся в эту функцию как стартовый параметр.

Каждому из 32-x созданных потоков ставится в соответствие один из доступных виртуальных процессоров. При этом все доступные виртуальные процессоры должны быть задействованы и должны быть загружены равномерно.

Дескрипторы 32-х созданных сообщений сохраняются в массиве ЬЕуеп1Лгг0[], для дальнейшего использования.

Дескрипторы 32-х созданных сообщений сохраняются в массиве ЬЕуеп1Лгт1[], для дальнейшего использования.

Поток создаётся в "приостановленном" (suspended) режиме. Дескриптор потока сохраняется в переменной hFrameThread (Рис. п.3.6).

Вычисляем значения таблиц синусов и таблиц стандартных перестановок, необходимых для соответствующих быстрых преобразований Фурье и быстрого преобразования Хартли. Вычисленные данные сохраняются в соответствующих массивах для дальнейшего использования.

Рис. п.3.2 - Блок-схема процедуры инициализации программы управления спектральной ОКТ-системы

Начало процедуры старта сканирования

Набор сервисных процедур, устанавливающих параметры сканирования и визуализации

Сбросить счётчик текущего В-скана БгашеСоиП := 0

Создание вычислительного

потока сбора данных

(Рис. п.3.4)

Задержка 0,5 секунды

Конец процедуры старта сканирования

Рис. п.3.3 - Блок-схема процедуры инициализации старта сканирования спектральной ОКТ-системы

Условием продолжения сбора данных является соответствующее состояние глобальной переменной

Копирование очередного полученного блока данных размером п в кольцевой буфер разменом N

Завершение сбора данных

1 г

Рис. п.3.4 - Блок-схема вычислительного потока асинхронного сбора данных спектральной ОКТ-системы

Начало вычислительного потока ЬСакТЪгеаМгг^]

Инициализировать внутренние указатели на исходные, промежуточные и конечные буферы чётного В-скана

Сбросить сообщение ЬЕуеп1Лгг0[Т]

I

Сбросить сообщение ЬЕуеп1Лгг1 [Т]

<1 от 1 ^^ до 15 >

шаг 1

Г

Сбросить сообщение ЬЕуеп1Лгг0 [Т+1]

Сбросить сообщение ЬЕуеп1Лгг1[Т+1]

т

Продолжить работу потока ИСа1сТЬгеааЛгг[Т+1]

Приостановить работу потока ЫСа1сТЬгеаМгг[1]

Инициализировать внутренние указатели на исходные, промежуточные и конечные буферы нечётного В-скана

1 от 11-Т до М-1 шаг 16

т

Процедура расчёта 1-й строки

Установить сообщение ЬЕуеп1Лгг0[1;]

Установить сообщение ЬЕуеп1Лгг1 [1]

Ожидание установки всех сообщений от ЬЕуеп1Лгг1 [Т] до ЬЕуеп1Лгг1 [Т+15]

Г к ^^ 1 == Т? ^ ^Гда

Продолжить работу потока hFrameThread

Рис. п.3.5 - Блок-схема основных вычислительных потоков, применяемых для расчётов чётных и нечётных ОКТ-изображений спектральной ОКТ-системы. М - число элементов линейки. N - число исходных А-сканов

Начало вычислительного потока ЬЕгашеТкгеаё

1 := БгашеСоиП

Визуализация 1-го В-скана

1 г

Сохранение 1-го В-скана во временном файле на диске.

Инкрементировать счётчик текущего В-скана БгашеСоиП := 1 + 1

Приостановить работу потока ЬЕгашеТЬгеаё

Рис. п.3.6 - Блок-схема асинхронного вычислительного потока визуализации и сохранения В-скана спектральной ОКТ-системы

с

Начало потока

>

Загрузка исходных данных B-скана память видеокарты.

1

Преобразование целочисленных вещественных данных в комплексные и транспонирование.

Блок прямых преобразований Фурье над "строками" B-скана.

Поток создаётся в "приостановленном" (suspended) режиме. Продолжение работы потока осуществляется по готовности очередного B-скана.

Используется процедура host-to-device.

Исходные данные формата short размером 1024 на1024 преобразуются в комплексные данные формата float и транспонируются.

Используется функция cufftExecC2C() из библиотеки NVIDIA CUDA FFT. Производится 1024 преобразования на 1024 точки каждое.

Зануление постоянной составляющей пространственных спектров "строк" и переформатирование данных.

Блок обратных преобразований Фурье и получение комплексных спектров интерференционного сигнала.

Т

Умножение элементов каждого Л-скана на соответствующе

элементы массива комплексных коэффициентов

Преобразование комплексных результатов в амплитудные данные в логарифмическом масштабе.

Г

Приостановить работу текущего потока

1

Блок преобразований Фурье по не эквидистантным отсчётам в виде умножения матриц.

А

Подготовка данных к следующему блоку преобразований. В результате получаем комплексный массив размером 512 на 1024.

Используется функция cufftExecC2C() из библиотеки NVIDIA CUDA FFT. Производится 1024 преобразования на 512 точек каждое.

Комплексный массив 8(Щ состоит из 1024 элементов. Он вычислен заранее и предназначен для нормализации спектра интерференционного сигнала и компенсации материальной дисперсии.

Результаты предыдущих вычислений представляются в виде комплексной матрицы и умножаются на комплексную матрицу Fnk. Эта матрица вычисляется заранее и является матрицей преобразования Фурье по не эквидистантным отсчётам. Для этого используем функцию cublasCgemm() из библиотеки NVIDIA CUDA CUBLAS_V2.

В результате получаем вещественный массив формата float размером 512 на 512.

1

Копирование результатов из памяти видеокарты

_____^

Используется процедура device-to-host.

Рис. п.4.1 - Блок-схема асинхронного вычислительного потока, состоящего из последовательности СЦОЛ-операций, которые предназначены для управления расчётом ОКТ-изображений сверхскоростной спектральной ОКТ-системы. Размер исходных данных 1024 на 1024 элемента

Рис п.5.1 - Блок-схема основного цикла программы трёхмерной визуализации

С

Начало инициализации

I

Создание K приостановленных вычислительных потоков

X

Установка взаимнооднозначного соответствия вычислительных потоков и виртуальных процессоров

Создание и установка

параметров окна визуализации, текущей палитры и промежуточного буфера изображения

с

Конец инициализации

Г)

1

Определение количества

доступных виртуальных

процессоров

Создание K сообщений для синхронизации вычислений

Загрузка визуализируемых данных.

Количество доступных виртуальных процессоров сохраняется в переменной K

K потоков создаются в "приостановленном" (suspended) режиме. Дескрипторы потоков сохраняются в массиве

hCalcThreadArr[], для дальнейшего использования. Все K потоков исполняют одну функцию (Рис. п.5.4). Номер потока t передаётся в эту функцию как стартовый параметр.

Дескрипторы всех созданных сообщений сохраняются в массиве ЬЕуеп1Лгт[], для дальнейшего использования.

Установка начальног значения о ракурса.

Рис. п.5.2 - Блок-схема процедуры инициализации программы трёхмерной визуализации в условиях применения для расчётов мощности центрального процессора

Рис. п.5.3 - Блок-схема процедуры старта расчёта и визуализации текущего ракурса в программе трёхмерной визуализации в условиях применения для расчётов мощности центрального процессора

Здесь производятся

вычисления всех

необходимых параметров и таблиц текущего ракурса. В том числе вычисляются координаты хуъ 8-ми вершин контура границ визуализируемого объёма. Затем по алгоритму Брезенхэма вычисляются координаты хуг точек 12-ти отрезков этого контура. Контур отображается в промежуточном буфере Img[x][y]. "Цвет" точек контура 1тах*^ъ). По координатам вершин

контура определяется Хтт и Хтах.

Здесь для каждого текущего значения х по соответствующим координатам точек контура определяются координаты границ

визуализируемого объёма Утт[х] и Утах[х]. Кроме того, для каждого значения х по алгоритму Брезенхэма определяются все дискретные координаты у и ъ границ визуализируемого объёма.

Здесь для каждого текущего значения х и у определяются координаты начала и конца соответствующего луча наблюдения. Так же определяется начальное значение линейного адреса о? массива визуализируемых данных, соответствующее точке начала луча наблюдения. Так же определяются величины приращения координат для единичного шага вдоль луча наблюдения.

Вычисление смещения линейного адреса о!? сводится к операциям приращения координат, к сдвиговым операциям и операциям побитового сложения.

Рис. п.5.4 - Блок-схема основных вычислительных потоков, применяемых для расчёта текущего ракурса в программе трёхмерной визуализации в условиях применения для расчётов мощности центрального процессора

Расчёт коэффициента корреляции r между текущим и "зафиксированным" ОКТ-изображением

Поток создаётся в

"приостановленном" (suspended) режиме. Продолжение работы потока осуществляется в момент визуализации очередного B-скана.

Сравнение корреляции r значением ri, пользователем.

коэффициента с пороговым установленным

нет

Рис. п.6.1 - Блок-схема асинхронного вычислительного потока, реализующего методику получения трёхмерных изображений с использованием однокоординатного сканирующего зонда и способ их предварительного просмотра в реальном времени

Рис. п.6.2 - Блок-схема процедуры трёхмерной визуализация процесса ручного сканирования

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Патенты и свидетельства

ШШВМЖШ #ВДИ1РА1ЩШШ

ПРИЛОЖЕНИЕ В Акты внедрения результатов диссертации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «НИЖЕГОРОДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ» МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (ФГБОУ ВО НижГМА Минздрава России) 603950, Нижний Новгород пл. Минина и Пожарского, 10/1 тел.: [phone] факс: (831). 439-09-43 e-mail: [e-mail]

06 ДЕК 2016 № ^

На№__

Акт внедрения результатов диссертации Ксенофонтова Сергея Ювинальевича «Оптимизация сбора и обработки сигналов в приборах оптической когерентной томографии», представленной на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ материалов и изделий»

Комиссия в составе: председатель - Загайнова Е.В., д.м.н. профессор, директор НИИ БМТ, члены комиссии - Гладкова Н.Д., д.м.н. профессор, зам. директора НИИ БМТ, Сироткина М.М., к.б.н. с.н.с. НИИ БМТ, Губарькова Е.В., к.б.н., м.н.с. НИИ БМТ, Киселева Е.Б. к.б.н. м.н.с. НИИ БМТ, рассмотрев диссертацию Ксенофонтова С. Ю. «Оптимизация сбора и обработки сигналов в приборах оптической когерентной томографии», представленную на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ материалов и изделий», отмечает, что её результаты были использованы в установке многофункциональной оптической когерентной томографии, которая применялась для исследования раннего ответа опухолей экспериментальных животных на фотодинамическую и лучевую терапию, а также реакции нормальных тканей на лучевое воздействие. Программы трёхмерной визуализации, использующие алгоритмы, изложенные в данной диссертации, применяются для наглядного представления результатов исследований в публикациях и отчётах. Данные работы проводились в рамках проекта по гранту Правительства РФ договор № 14.В25.31.0015 «Разработка новых технологий оптической когерентной томографии для задач индивидуальной терапии рака», грант РНФ №14-15-00538 «Разработка нового метода прижизненной диагностики патологии тканей на основе методов высокоразрешающей микроскопии».

Загайнова Е.В.

Гладкова Н.Д. Сироткина М.А. Губарькова Е.В. Киселева Е.В.

УТВЕРЖДАЮ Проректор по науке