Дипломная работа: Анализ и моделирование методов когерентной оптики в медицине и биологии

Акустическая голография дает хорошие примеры обеих операций в неоптической области, получаемых, но аналогии с когерентной оптикой и использованием когерентного оптического восстановления. Мы подведем итоги некоторых результатов. Для читателей, интересующихся вопросом более детально, существует прекрасная монография [1.16]. Наша цель состоит в том, чтобы подчеркнуть скорее результаты, которые можно получить, а не методы их достижения. Акустические голограммы часто формируются и считываются одновременно. Двумя распространенными голографическими средами являются поверхности жидкости (рябь на поверхности) [1.17] и жидкие кристаллы [1.18]. Также можно использовать явление дифракции Брэгга [1.19]. Во всех этих случаях восстановление в когерентном свете обеспечивает получение изображения объекта в реальном времени в виде, как он «освещается» звуком. Для наблюдения с задержкой (а не в реальном времени) существует также большой выбор регистрирующих сред [1.16].

Изображения содержат информацию об объеме объекта, но эту информацию не так легко воспринять, как глубину сцены в «обычной оптической голографии». Причина этого ясна, и применение когерентной оптики к вопросам биомедицины является важной иллюстрацией более общей проблемы. В случае обычной оптической френелевской голограммы мы наблюдаем сцену сквозь голограмму, линейные размеры которой могут быть 10—20 см. Стандартная пленка записывает 2*10⁴ лин/см, или около 2*10⁵ —4*10⁵ интерференционных полос в голограмме в видимом свете.

Таким образом, вся голограмма может содержать около 10¹¹ разрешимых пространственных элементов или элементов изображения. На рис. 2.1. показано, как можно наблюдать объект через такую оптическую голограмму. Часть всей голограммы, образующая изображение, наблюдаемое глазом, очень мала, но число содержащихся элементов изображения может все еще равняться 10⁶ или больше в зависимости от того, где расположены глаза наблюдателя. Типичные акустические голограммы далеко не содержат 10¹¹ элементов изображения. В результате этого их нельзя использовать как оптические голограммы, которые были только что описаны. Вместо того чтобы наблюдать трехмерную сцену в большое окно, мы наблюдаем ее в замочную скважину! Без изменений перспективы, имеющих место при более широкой апертуре, мы теряем ощущение объема. Мы не можем видеть трехмерную картину в замочную скважину. Это положение иллюстрируется па рис. 2.2. Итак, мы должны использовать всю голограмму для создания изображения. Исчезает параллакс, но зато остается глубина фокусировки при формировании изображения. Поэтому можно осуществлять фокусировку на последовательные плоскости с обычной глубиной фокусировки, которая имеет место в случае получения обычного акустического изображения. Это значит, что голограмма с апертурой А, рассматривающая объект на расстоянии d при длине акустической волны л, имеет разрешение по глубине примерно . Часто различные «плоскости» фокусируются последовательно на видикон для удобства телевизионного считывания. Общей проблемой, показанной здесь, является относительная малочисленность данных, обычно встречающаяся в биомедицинских изображениях. Таким образом, если бы были доступны удобные и быстрые матрицы преобразователей в 10³ *10³ элементов, то они могли бы заменить непосредственно формируемые голограммы, а изображения могли бы формироваться не при помощи дифракции, а с помощью машинного преобразования Френеля. В акустической голографии когерентная оптика используется не вследствие своих сильных качеств (высокая скорость обработки данных), а просто потому, что она является (в настоящее время) более дешевой и удобной.

Рис. 2.1. Наблюдение изображения с обычной оптической голограммы

Рис. 2.2. Наблюдение изображения с голограммы небольшого размера, например, акустической.

Такое удачное стечение обстоятельств действительно имеет место в случае с когерентной оптикой, но оно не приводит к стабильному преимуществу. Цифровые матричные преобразователи и цифровые процессоры станут более дешевыми и более быстрыми. Для того чтобы сохранять свое место, средства когерентной оптики должны также совершенствоваться.

Получение акустической голограммы — сложная задача, выходящая за рамки данной главы (более детальное рассмотрение см. в [1.16]), но Мы можем наметить те моменты, которые характерны для выбранного метода при любых применениях. Первый момент состоит в решении, должна ли голограмма быть получена в реальном времени. Голографирование в реальном времени является действительной необходимостью для некоторых объектов (например, плавающая рыба, работающие мышцы). Важно помнить, что объект должен быть, не только фотографически неподвижен (движение меньше, чем разрешение), но также и голографическн неподвижен (движение меньше чем четверть длины волны). Таким образом, хотя использование акустических голограмм, снимаемых в стационарных условиях, широко предлагалось для промышленного контроля, биомеднцииская акустическая голография почти исключительно связана с методами, использующими реальное время. Второй момент заключается в методе освещения объекта.

Так как внешние поверхности объектов легко записываются с помощью оптической голографии, акустическую голографию редко применяют для регистрации звука, рассеянного поверхностью. Скорее, ее используют почти исключительно для (наблюдения) видения сквозь оптически непрозрачные объекты. Таким образом, объект должен просвечиваться, но только звуковыми волнами. Для того чтобы связать эффективно ультразвук с объектом, а затем с записывающей плоскостью, все устройство и объект обычно погружаются в жидкость (как правило, в воду).

Вследствие большой величины относительного отверстия нетрудно изготовить высококачественные акустические линзы; такие линзы используют часто для перенесения изображения объекта ближе к плоскости голограммы, что обеспечивает запись голограммы с большой величиной относительного отверстия для достаточно удаленных объектов. Следующим шагом является введение опорного пучка. Преобразователи и управляющая электроника настолько хороши, а частоты так низки (по сравнению с оптическими частотами), что можно получать объектный и опорный пучки от разных преобразователей. Мы выбираем такую схему, чтобы она давала интерференционные полосы, разрешимые регистрирующей средой (при этом осуществляется запись максимального количества информации).

Преимущества формирования акустических изображений перед неакустическими в биомедицинских применениях очевидны и просты. При получении изображений внутренних органов ультразвук гораздо более безопасен, чем рентгеновские лучи, хотя требования к технике безопасности все еще активно обсуждаются. Однако даже ультразвук не безвреден, и, по-видимому, оценки допустимой дозы ежегодно пересматриваются в меньшую сторону. Таким образом, чувствительность различных методов имеет очень большое значение. Ограничения чувствительности могут возникать из ультразвуковых эффектов или из эффектов записи или восстановления. Так, например, квантовый шум может ограничивать чувствительность акустических методов, используемых в реальном масштабе времени, которые предполагают восстановление лазерным пучком. С помощью ультразвука легко распознаются мягкие ткани, являющиеся почти одинаково прозрачными для рентгеновских лучей.

С другой стороны, преимущества акустической голографии перед наиболее развитыми неголографическими акустическими методами формирования изображений уже не вполне очевидны. Даже разрешение по глубине доступно неголографическим способам [1.20]. Высокое поперечное разрешение легко осуществимо с помощью сканирующих преобразователей.

Рис. 2.3. Коммерческая ультразвуковая голографическая установка (С разрешения фирмы Holosonics, Inc.).

Таким образом, имеется иерархия несомненных фактов. Наиболее определенным фактом является полезность формирования изображения с помощью ультразвуковых волн в биомедицинских исследованиях. Менее очевидно, следует ли это изображение формировать голографическим или неголографическим способом.

Наименее определенно, по-прежнему ли этап формирования видимого изображения в акустической голографии будет включать использование когерентного света, даже если выбрана акустическая голография. Когерентные оптические методы наиболее полезны там, где затруднена обработка на вычислительной машине: в формировании изображений в реальном времени.

Визуализация акустических трехмерных изображений позволяет наблюдать объекты, интересные в биомедицинском отношении в реальном времени в выбранных по глубине плоскостях. Динамические изображения всегда гораздо лучше (косметически), чем отдельные кадры, как будет