Avaliação de software de reconstrução ótica em tomografia difusa para geometria de transiluminação

Abstract

The main goal of this project was to evaluate an optical reconstruction software in diffuse tomography, TOAST (Time-Resolved Optical Absorption and Scatter Tomography), when applied to a transillumination geometry. With that in mind, we studied and adapted a demo from the TOAST++ package available online, based on a cylindrical geometry whose sample consists of a set of spheres with distinct optical properties. We adapted the problem for a laminar geometry with just one centered sphere. TOAST simulations implies representing the sample by a nodes mesh which contains the optical properties of the medium (absorption coefficient, diffusion coefficient and refraction index) and a mesh of tetragonal elements created from those nodal points, through a mesh generator software, TetGen. The performance evaluation was done through four sets of simulations: one preliminary set whose goal was to study the impact of the sphere dimension, the mesh density and the detectors width on the reconstruction; a second set to study the dependence of the results on the initial values of the optical properties assigned for the reconstruction process; a third set which consisted on the analysis of the information loss related to the adoption of a laminar geometry, comparing it with the result of a cylindrical geometry simulation; and a final set of tests conceived with the intent of evaluating the reconstruction linearity related to the optical properties of the object. The results show that the bigger the higher densities of the sample mesh and larger dimension for the spherical object yield higher reconstruction quality. The obtained distributions of optical properties are extremely dependent on the optical properties defined for the reconstruction process and the transillumination geometry has less capability to reconstruct the shape of the object when compared to the cylindrical geometry. In conclusion, the software tend has difficulties in reconstructing small objects, to ensure a better reconstruction the object has to be represented by a significant number of nodes and trnasillumination geometry has lower reconstruction fideity due to the limitation on the projections to the illumination and detection planes.

Este projeto tem como principal objetivo avaliar um \textit{software} de reconstrução de imagem ótica em tomografia difusa, o TOAST (Time-Resolved Optical Absorption and Scatter Tomography), quando aplicado a uma geometria de transiluminação. Para tal, estudou-se e adaptou-se um exemplo do pacote TOAST++ disponível \textit{online}, baseado numa geometria cilíndrica cuja amostra consiste num conjunto de esferas com distintas propriedades óticas. Desta forma, procurou-se fazer a adaptação do problema para uma geometria laminar com apenas uma esfera no meio. A realização de simulações através do TOAST implica representar a amostra através de uma malha de nós que contêm as propriedades óticas do meio (coeficiente de absorção, coeficiente de difusão e índice de refração) e uma rede de elementos tetragonais gerados a partir desses pontos, através de um \textit{software} gerador de malhas, o TetGen. A avaliação do desempenho foi realizada através de quatro conjuntos de simulações: um conjunto preliminar cujo objetivo é estudar o impacto que a dimensão da esfera, a densidade da malha e a largura dos detetores têm na reconstrução; um segundo conjunto a partir do qual se analisou a dependência dos resultados em função dos valores dos parâmetros óticos inicialmente atribuídos no processo de reconstrução; um terceiro conjunto que consistiu na análise da perda de informação relativa à adoção de uma geometria laminar, comparando-a com o resultado de uma simulação em geometria cilíndrica; e, por fim, um último conjunto de testes concebido com o intuito de avaliar a linearidade da reconstrução em função das propriedades óticas do objeto. Os resultados obtidos indicam que quanto mais densa é a malha representativa da amostra e maior for a dimensão do objeto maior é a qualidade da reconstrução. Para além disto, as distribuições dos coeficientes obtidas são extremamente dependentes das propriedades óticas definidas para o início do processo de reconstrução e a geometria em transiluminação demonstrou menor capacidade de reconstrução da forma do objeto relativamente à cilíndrica. Conclui-se que o software tende a ter dificuldade em reconstruir objetos pequenos, que para se garantir um resultado mais fidedigno o objeto tem de ser representado por um significativo número de nós e que a geometria em transiluminação tem menor fidelidade de reconstrução devido à limitação das projeções aos planos de iluminação e de deteção.