Анализ и моделирование методов когерентной оптики в медицине и биологии

Введение

Когерентная оптика может выполнять два типа операции в биологии и медицине. Во-первых, она может производить операции, которые можно осуществлять и другими способами. Ее можно использовать для обработки данных, распознавания патологических тканей или обнаружения движения объекта. Разумеется, не все, что может быть сделано средствами когерентной оптики, должно быть выполнено с ее

помощью. Трудности заключаются в демонстрации преимуществ когерентной оптики перед некогерентной (которая часто дешевле, удобнее и более естественна) или перед цифровыми методами. Когерентная оптика будет целесообразной только там, где необходимость ее использования достоверно установлена. Во-вторых, когерентная оптика может производить операции, которые нельзя осуществить другими методами, например голографическое формирование изображений и обнаружение малых смещений с помощью голографии. Проблема в этом случае состоит в том, чтобы показать, что такие операции нужны.

При переходе от идеи к общепринятому практическому использованию любое применение когерентной оптики должно проходить три стадии. Мы назовем эти стадии как «доказательство», «техника» и «внедрение». На первой стадии мы должны выяснить не то, «может ли данная процедура быть выполнена посредством когерентной оптики», а «должна ли эта процедура выполняться с помощью когерентной оптики». При этом в свою очередь встают два вопроса. Первый: «Действительно ли предлагаемую операцию стоит выполнять?» и второй: «Является ли когерентная оптика наилучшим средством для этого?». До тех пор пока операция не является действительно необходимой, она не будет иметь значительного успеха. Действительно ли медицина нуждается в записи трехмерных изображений людей? Если нет, то голографическое формирование изображений тела не будет успешным. Даже в том случае, если и необходима операция, когерентная оптика может являться всего лишь одним из способов ее выполнения. В случае обработки трансаксиальных томографических изображений альтернативными подходами, заслуживающими внимания, представляются цифровые методы и некогерентиая оптическая обработка. Когерентная оптика должна доказать, что она является лучшим (по какому-либо критерию) способом. Если когерентный оптический метод проходит оба теста на стадии доказательства, он может перейти в техническую стадию. Здесь проблема заключается в доведении очень сложной когерентной оптической системы до уровня падежного прибора, управлять которым можно без специального знания когерентной оптики. Третья стадия является последним препятствием и самым сложным, так как здесь появляются многие нетехнические моменты.

Подавляющее большинство методов когерентной оптики находится на первой стадии. Это не означает, что они не приведут к окончательному признанию. Разумеется, некоторые приведут, а некоторые нет. В настоящей главе делается попытка дать обзор различных применений, исследованных в последнее время.

Мы начнем с наиболее очевидных применений и постепенно будем переходить к менее очевидным. Таким образом, мы начинаем с рассмотрения формирования когерентного оптического изображения (микроскопического и макроскопического, трехмерного и двумерного) и перейдем к формированию неоптического изображения с использованием когерентного света (в акустике и радиологии). Так как очень многое здесь включает формирование трехмерного изображения и различные формы томографии, то в конце главы дается приложение, связывающее все эти понятия.

Следующей областью нашего исследования будет обработка сигналов, которая включает улучшение изображения и обработку данных, полученных другими средствами, например электрокардиограмм, электроэнцефалограмм. Затем мы рассмотрим представление изображений — чрезвычайно важное использование когерентной оптики. Когерентную оптику можно использовать также для выделения или воспроизведения некоторых характеристик объекта (размеров, контуров, движения и т.д.), этому посвящен один раздел. Последним из рассматриваемых применений является распознавание образов. Здесь имеется очень большой материал, так что для получения общего представления деталями придется пренебречь.

1. Формирование оптического изображения в когерентном свете

Биология и медицина предполагают исследование объектов, которые можно изучать в течение длительного промежутка времени. В случае если объект не удобен для хранения, мы стремимся записать его изображение в виде, удобном для хранения. В этом смысле особенно целесообразными оказываются когерентные оптические методы. Приложение, посвященное формированию трехмерных изображений и томографии, будет особенно полезным после прочтения всего раздела по формированию когерентного оптического изображения.

1.1 Формирование изображения в оптическом микроскопе

Микроскопия издавна имела глубокое влияние на развитие медицины и биологии. Не удивительно, что именно микроскопия привела Аббэ [1.1] в 1873 г. к когерентной обработке оптических изображений и Габора [1.2] в 1948 г. к голографии. Использование фазовой модуляции в микроскопии известно настолько хорошо и развивается так быстро, что это могло бы потребовать полной обзорной главы. В биомедицинскую практику только в настоящее время внедряются разработки, вытекающие прямо или косвенно из габоровского метода восстановления волновых фронтов. Остановимся подробнее на этом вопросе.

Голография может иметь связь с микроскопией в трех аспектах. Во-первых, она может быть способом микроскопии. Во-вторых, она может быть вспомогательным средством в обычной микроскопии, обеспечивающим стационарную копию быстро изменяющегося оптического объекта для последующего исследования. В-третьих, ее можно сочетать с обычной микроскопией с целью образования гибридной системы с вытекающими отсюда преимуществами, характерными для каждой из них.

Микроскопия средствами голографии была впервые описана Габором [1.2], который предложил запись волнового фронта в невидимой (коротковолновой) части спектра и восстановление его более длинными (видимыми) волнами. Таким образом, сформированные изображения должны были бы иметь поперечное увеличение, равное отношению длин волн. Позднее Лейт и Упатниекс [1.3] уточнили, что этот вид голографическон микроскопии является только одним из примеров общего положения, когда запись волнового фронта происходит при одних условиях (длина волны, положение опорного точечного источника и т.д.), а восстановление его — при других. Таким образом, варьируя геометрические параметры схемы при записи и восстановлении, можно контролировать и менять увеличение изображения, даже если на обоих этапах используется свет одной длины волны.

Микроскопия голографически зарегистрированных волновых фронтов является привлекательной идеей с многих точек зрения. Объект может меняться так быстро, что медленное исследование средствами обычной микроскопии затруднено или вообще невозможно. В таких случаях голография необходима. Изображение может быть изучено любым известным микроскопическим методом (светлое поле, темное поле, фазовый контраст, интерференция и т.д.), удобным для исследователя. Выбор метода можно сделать aposteriori.

 Скачать реферат