Анотація до роботи:

Нетреба А.В. Статистичні ефекти та оптимальна обробка сигналів у магнітнорезонансній і проективній томографії. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика. Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2004.

Дисертація присвячена проблемам дослідження просторових розподілів характеристик об’єктів ядерними магнітнорезонансними та проективними томографічними методами за допомогою фазочастотного та амплітудного аналізу сигналів, розробці нових методів вимірювання фізичних характеристик тканин біологічних об’єктів, підвищенню інформативності томографічних досліджень. У роботі розроблені методи: реконструкції розподілу спінової густини за умов використання змінних по частоті радіочастотних імпульсів збудження, який дозволяє проводити вимірювання сигналу спаду вільної індукції при меншій кількості перемикань градієнтних систем томографа; одночасного відновлення густини та релаксаційних характеристик спінів за одну імпульсну послідовність на основі аналізу експоненційних параметрів у моделі сигналу; аналізу власних чисел та власних векторів матриці сигналів для реконструкції розподілу спінової густини та часу спін-спінової релаксації; визначення сукупного розподілу густини протонів, які входять до складу води та органічних молекул жирових тканин із наступною побудовою окремо кожного з них. Запропоновані прикладні методи обробки проекційних даних за допомогою фільтрації та статистичного аналізу, вибору параметрів дискретизації з метою оптимізації реконструкції томограм у проективній томографії.

У результаті виконання роботи по аналізу процесів розповсюдження електромагнітного випромінювання у середовищі, його взаємодії з речовиною, вимірюванні амплітудних та фазочастотних характеристик та розв’язання зворотніх задач знаходження просторових розподілів параметрів досліджуваних об’єктів, оптимізації методів реконструкції встановлено:

1. Застосування лінійного з часом закону зміни частоти імпульсів збудження в ЯМР томографії дозволяє отримувати сигнал спаду вільної індукції, який залежить від сукупної спінової густини для смуги у площині реконструкції. Використання для реконструкції томограм за таких умов методу згортки дозволяє зменшити кількість перемикань градієнтної системи магнітнорезонансного томографа при вимірюванні даних, необхідних для побудови томограм, а отже і скоротити загальний час дослідження.

2. Аналіз власних чисел та власних векторів матриці, елементи якої визначаються значеннями виміряного сигналу спаду вільної індукції, забезпечує відновлення просторових розподілів часів спін-спінової релаксації та спінової густини. Відмічена вища стійкість до шумів даного методу відновлення характеристик, порівняно з аналогами.

3. Метод аналізу експоненційних доданків у моделі сигналу спаду вільної індукції може бути застосований для знаходження просторових розподілів спінової густини, часів спін-спінової та спін-граткової релаксації. Показано, що всі розподіли відновлюються за одну імпульсну послідовність, що суттєво підвищує інформативність ЯМР томографічних досліджень.

4. Розв’язана задача реконструкції розподілів густини протонів, які входять до складу води та органічних молекул жирових тканин методом ЯМР - томографії із урахуванням величини екранування ядра водню оточенням від зовнішнього магнітного поля. На основі запропонованих імпульсних послідовностей розроблена методика розрізнення просторових розподілів намагніченості, сформованої прецесійними процесами протонів різного типу.

5. Виконані кількісні оцінки необхідних параметрів неоднорідності магнітних полів та імпульсів радіочастотного збудження свідчать про їх відповідність фактичним можливостям сучасних медичних томографічних систем, що дозволяє проводити практичне використання запропонованого методу у діагностиці.

6. Проведення дискретизації параметрів реконструкції томограм за методом згортки і зворотнього проеціювання у полярній системі координат забезпечує зменшення впливу похибки інтерполяції на якість томограм, порівняно з використанням прямокутної системи координат. Результати експериментальних дослідження підтверджують ефективність запропонованого методу дискретизації.

7. Вирівнювання передаточних функцій датчиків повинно проводитись за аналізом гістограм сукупності проекцій, що забезпечує якість відновлення кращу за випадок використання традиційного методу перенормування за тестовою послідовністю. При цьому є достатньою обробка на рівні 1/8-1/4 кількості проекцій, що дозволяє використовувати таку технологію навіть в потоковому режимі під час накопичення експериментальних проекційних даних.

8. Найбільш ефективною фільтрацією у випадку реальних томографічних даних є використання двохвимірного фільтра гаусового профілю. Двохвимірна фільтрація включає обробку даних, виміряних при декількох орієнтаціях приймально-детектуючої системи.

Основні результати дисертаційної роботи викладені у наступних публікаціях:

1. М.В. Кононов, А.В. Нетреба, М.К. Новоселець, О.О. Судаков Оптимізація процесу реконструкції зображень у проективній комп’ютерній томографії // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка, серія: Фізико-математичні науки. – 2000. - № 1. - С. 380-386.

2. М.В. Кононов, А.В. Нетреба, М.К. Новоселець, О.О. Судаков Вплив обробки проекційних даних на якість реконструкції томографічних зображень // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка, серія: Фізико-математичні науки. – 2000. - № 2. - С. 422-430.

3. М. К. Новоселець, А. В. Нетреба Використання змінних градієнтів магнітного поля та змінної частоти радіочастотних імпульсів в ЯМР томографії // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка, серія: Фізико-математичні науки. – 2001. - № 3. - С. 384-388.

4. М. К. Новоселець, А. В. Нетреба Реконструкція густини та релаксаційних характеристик ядерних спінів при наявності шумів у сигналі // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка, серія: Фізико-математичні науки. – 2002. - № 1. - С. 324-328.

5. Пат. 57282А Україна, МКИ A 61 B 8/13. Спосіб реєстрації даних та реконструкції зображень в ЯМР томографії: Пат. 57282А Україна, МКИ A 61 B 8/13 Новоселець Михайло Кирилович, Нетреба Андрій В’ячеславович; Товариство з обмеженою відповідальністю науково-впроваджувальне підприємство “Інтермаг”. - № 2002075551; Заявл. 05.07.2002; Опубл. 16.06.2003, Бюл. № 6. - 2003.

6. Netreba A.V., Novoselets M.K. Reconstruction using spatial coding in gradient field and frequency-modulated excitation // Proc. First International Young Scientists’ Conference on Applied Physics. - Kyiv (Ukraine), 2001. - P 150-151.

7. Netreba A.V., Novoselets M.K. Multiparametric reconstruction of spine characteristics in MR Tomography // Proc. Second International Young Scientists’ Conference on Applied Physics. - Kyiv (Ukraine), 2002. - P 73-74.

8. Netreba A.V., Kononov M.V. Spine and relaxation characteristics reconstruction using analysis of the signals matrix's eigenvectors // Proc. Third International Young Scientists’ Conference on Applied Physics. - Kyiv (Ukraine), 2003. - P 148-149.

9. A.V. Netreba, M.V. Kononov Visualization of the protons’ density spatial distributions with allowance of chemical shift in NMR Imaging // Proc. of the Fourth International Young Scientists’ Conference on Applied Physics. - Kyiv (Ukraine), 2004. - P 181-182.