Анализ и моделирование методов когерентной оптики в медицине и биологии (стр. 9 из 11)
Другим подходом к изучению значительных перемещений объекта является метод вычитания исследуемой сцены (живой или зарегистрированной па некотором носителе) из изображения этой же сцены, которое было получено раньше. Конечно, когерентный свет основан на вычитании (фазовых эффектах), так что он является идеальным для использования в этом методе. К счастью, превосходный и исчерпывающий обзор (библиография насчитывает 54 ссылки) интересующих нас методов вычитания сделал недавно Эберсоль [1.58], и, следовательно, более короткий обзор здесь был бы недопустим.
Другим способом обнаружения суммарных перемещений, в котором используется когерентный свет, является обычная шлирен-система Роундса с сотр. [1.59]. С помощью щелевой маски пучку света придается форма щели, затем он направляется в исследуемую камеру и далее фокусируется на другой маске, блокирующей прохождение спета на выход. При миграции клеток в части камеры, через которую проходит свет, происходит рассеяние света за пределы блокирующей маски, и он проходит на детектор. Интенсивность рассеянного света пропорциональна плотности клеток в освещаемой области камеры. Для измерения показателя миграции клеток использовался непрерывный контроль миграции диплоидного фибробласта. Имеется много модификаций этого простого метода.- Величина миграции может быть измерена путем контроля плотности клеток на различных расстояниях от края полностью сливающихся культур. В другой модификации метода свет, рассеиваемый за пределы блокирующей маски, используется для фотографирования частиц, перемещающихся в колбе. Скорость перемещения частиц может быть определена по длине полоски, соответствующей использованному времени экспозиции. Этот метод можно использовать для изучения аномальных потоков в кровеносных сосудах (турбулентности, точки покоя и т. д.) и т. п.
5.4 Обнаружение малых перемещений
Когерентная оптика обеспечивает биомедицинские науки совершенно новыми и мощными методами для наблюдения за малыми изменениями исследуемых объектов. Отметим, что изменения могут происходить медленно (при наблюдении за действительным ростом грибов) или быстро (с интервалом в несколько миллисекунд при наблюдении за изменениями грудной клетки в процессе дыхания). Интересующий пас диапазон величин перемещений лежит от долей микрона до нескольких миллиметров.
Голографическая интерферометрия и спекл-интерферометрия являются двумя широкими областями, используемыми для обнаружения перемещений методами когерентной оптики. Кратко рассмотрим каждую из них, чтобы иметь возможность сравнивать их между собой. Голографическая интерферометрия основывается на достоинстве голографии (т. е. возможности регистрировать детали объекта с оптической точностью, обычно соизмеримой с длиной волны света), а спекл-иитерферометрия использует основной недостаток голографии — спекл-эффект.
Голографическая интерферометрия является быстро развивающейся областью, достижения которой обобщены не только Абрамсоном, но и рассмотрены в недавней статье [1.60]. Поэтому здесь будет достаточно отметить некоторые исключительные преимущества голографической интерферометрии по сравнению с классической интерферометрией применительно к биомедицинским объектам.
Во-первых, в то время как классическая интерферометрия может быть использована только для исследования некоторых тонких и прозрачных объектов, голографическая интерферометрия применима для более широкого класса объектов, например для людей.
Во-вторых, тогда как классическая интерферометрия требует высококачественной оптики для своего успешного использования, голографическая интерферометрия не требует подобных мер предосторожности. Что же, следовательно, может делать голографическая интерферометрия? Среди демонстрируемых ею возможностей следует отметить:
1) наблюдение деформаций объектов (например, кости, черепа и т. п.), подвергаемых разного рода воздействиям;
2) наблюдение определенных движений и перемещений (например, движение грудной клетки при дыхании);
3) наблюдение слабых периодических движений, таких, например, которые вызваны давлением крови.
Спекл-интерферометрия [1.61] представляет собой аналогичный метод и по сравнению с голографической интерферометрией имеет три преимущества и один недостаток. Одним из преимуществ спекл-интерферометрии является большее по величине перемещение объекта, допустимое при наблюдении. Другое преимущество состоит в том, что чувствительность обнаружения перемещений оказывается более подходящей для исследований (а не ограничивается долями длины волны, как в голографической интерферометрии). Третьим преимуществом является возможность прямого наблюдения в реальном времени без какой-либо фотографической регистрации. Основной недостаток спекл-ннтерферометрии заключается в том, что качество изображения и контраст интерференционных полос оказываются обычно хуже, чем в голографической интерферометрии.
Некоторые использования рассматриваемых методов в биологии и медицине уже появляются. Барьян с сотр. [1.62] использовал спекл-интерферометрию для изучения барабанных перепонок в ушах. Другие [1.63, 64] использовали усредненные во времени голограммы для определения видов (мод) колебаний барабанной перепонки. Балли [1.65] исследовал барабанные перепонки методом двухэкспозиционной голографии. Веденалл [1.66] использовал тот же метод для изучения подвижности зубов. Ряд исследователей [1.67—69] использовали голографическую интерферометрию для ортопедических исследований. Грегущ [1.70] записывал картины распределения выдыхаемого воздуха с помощью усредненной во времени голографии.
6. Распознавание образов
Существуют четыре совершенно различных подхода к когерентным оптическим методам распознавания биомедицинских объектов. Их можно классифицировать двумя способами. Во-первых, распознавание может осуществляться либо с использованием света, непосредственно получаемого от объекта (например, полученного в результате прохождения сквозь объект, отражения, рассеяния и т. д.), либо с использованием света, проходящего через изображение объекта, предварительно зарегистрированное на соответствующем носителе. Очевидно, что первый метод более предпочтителен, если имеется возможность его реализации. Во-вторых, процедура распознавания может быть использована либо для распознавания одного объекта, либо для целого ансамбля объектов. Ниже - мы обсудим эти два шага независимого выбора более детально.
Выбор между объектом и его изображением для решения задачи распознавания не всегда легок. Объект или его изображение должны обладать определенными, хорошо известными свойствами, чтобы они могли быть введены в когерентную оптическую систему распознавания образов. Во-первых, объект или его изображение не должны рассеивать свет (это исключает множество объектов, в том числе и людей, для непосредственного использования). Во-вторых, объект или изображение должны быть доступны для оптической системы (это исключает объекты, находящиеся внутри других непрозрачных или диффузных объектов, а также объекты, которые не могут быть легко доставлены в лабораторию). В-третьих, свет должен хорошо отображать характеристики объекта, полезные для распознавания (для некоторых объектов наиболее полезные характеристики не совпадают с диапазоном длин волн когерентной оптики, поэтому в рентгеновском и акустическом диапазонах нужно использовать изображения, а не сами объекты). С другой стороны, непосредственное использование самих объектов иногда оказывается выгодным. Так, оно делает процедуру распознавания более быстрой (практически мгновенной). Кроме того, реальные объекты могут исследоваться одновременно или последовательно при использовании различных длин волн, состоянии поляризации света и т.д.
Выбор между единичным объектом (или изображением) или множеством объектов (или изображений) также труден и важен. Мы приведем некоторые преимущества каждого из них и поймем это после более общего обсуждения. Единичный объект или изображение имеют единственную ориентацию (три угловые степени свободы фиксированы для него). Таким образом, можно использовать много различных оптических фильтров, а также устройств вращения изображения, чтобы заставить один фильтр быть более или менее согласованным с ориентацией объекта.
Рассмотрим, например, объект в виде непрозрачного цилиндра. При рассматривании цилиндра с любого из двух направлений вдоль его оси он выглядит как круг. При рассматривании его с любого направления, перпендикулярного оси, он оказывается прямоугольником. И наконец, цилиндр принимает другие формы с иных направлений. Используя круглые прямоугольные маски, а также много других масок, мы можем быть достаточно уверенными, что сможем идентифицировать этот объект и определить его ориентацию. Полагая три угла и1, и2 и и3 , определяющих ориентацию, случайными независимыми переменными, мы можем написать функцию распределения Р(и1, и2 ,и3). К чтобы описать вероятность любой угловой ориентации. Пусть изображение, соответствующее углам и1, и2 ,и3, описывается функцией I(хч у, и1, и2 ,и3)- Используя одну маску, мы можем сделать одно — распознать усредненное или ожидаемое изображение
.Для многих объектов
не имеет каких-либо характерных особенностей. Второй подход заключается в распознавании I (х, у, и1, и2 ,и3 ) в заданном диапазоне от и1 до и1 +Ди1 от и2 до и2+ +Ди2 и от и3 до и3 +Ди3, где Ди1, Ди2 и Ди3 — наибольшие величины, которые еще обеспечивают «хорошую» корреляцию с I(х, у, и1 +Ди1 , и2+Ди2 , и3 +Ди3,) Тогда, испытав много объектов, мы можем положить, что полное число типов масок, которое мы ищем, равно числу масок, хорошо коррелирующих с I(х, у, и1, и2 ,и3). деленному на величину Р(и1, и2 ,и3) Ди1, Ди2 ,Ди3- Мы можем теперь так выбрать набор и1, и2 ,и3. чтобы он обеспечил наиболее отличительные характеристики. Точность требует, чтобы мы принимали во внимание статистически значительное число хороших корреляций. Конечно, проверяя множество объектов параллельно (используя мощную и самую замечательную способность оптической обработки), мы можем осуществить статистическое усреднение одновременно. В настоящее время используются как последовательные, так и параллельные системы распознавания.