Анализ и моделирование методов когерентной оптики в медицине и биологии

ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ

Анализ и моделирование методов когерентной оптики в медицине и биологии

Читать полностью в формате WORD


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.

Список использованной литературы

1. Abbe Е., Arch. Mikrosk. Anat, 9, 413 (1873).
2. Gabor D., Nature, 161, 777 (1948).
3. Leits E. N.. Upatnieks J., /. Opt. Soc. Am., 52, 1123 (1962).
4. Toth L.. Collins S. A , Jr., Appl. Pht/s Letters, 13, 7 (1968).
5. Сох М.Е., Buckles R. G., Whitlow D., Appl. Opt., 12, 128 (1971).
6. McMahon D.H., Caulfield H. J., Appl. Opt., 9, 91 (1970).
7. Thompson B.J., /. Opt. Soc. Am., 53 (1963). Silverman В. Л., Thompson B. J., Ward J. H., У. Appl. Met., 3. 792 (1964).
8. Boettner E.A., Thompson B. J., Opt. Eng., 12, 56 (1973).
9. Singh К., Attl. Fond., 27, 197 (1972).
10. J. Opt. Soc. Am., 66, vol. 11 (1976).
11. Gara A.D., Majkowski R.P., Staplcton Т.Т., Appl. Opt, 12, 2172 (1973).
12. Balasubramanian N.. Opt. Eng., 14, 448 (1975).
13. Caulfield H.J. Hirschfcld Т., Weinberg J. M., Herron R. E., Proc. IEEE. 65. 84 (1977). [Имеется перевод: Колфнлд Г. и др. — ТИИЭР, 1977, т. 65 № I, с. 101.]
14. Rosen А.N.. Opt. Laser Tech., 7, 127 (1975).
15. McMahon D.II., Laser Focus, 6, 34 (1970), Appl. Opt, 11, 798 (1972).
16. Mueller R.K.. Acoustical Holography Survey, in: Advances in Holography, cd. by N. H.
17. Farhat, vol. 1, Dekker, New York, 1975.
18. Mueller R. Sheridon N. K-, Appl. Phys. Letters, 9, 328 (1966.)
19. Greguss P., Acoustica, 29, 52 (1973).
20. Landry J., Kcyani H., Wade G., Bragg Diffraction Imaging, in: Acoustical Holography, cd. by G. Wade, vol. 4, Plenum Press, New York, 1972.
21. Whitman R.L, Ahmed M., Korpel A., A Progress Report on the Laser Scanned Acoustic Camera, in: Acoustical Holography, Plenum Press, New York. 1974.
22. Mertz L., /. Opt. Soc. Am., 50, 505 (1960).
23. Young N. O., Sky and Telescope, 25, 8 (1963).
24. Chang L.Т., Macdonald В., Pcrcz-Mendez V., Proc. SP1E, 89. 9 (1977).
25. Gaskill J.D.. Whitehead F. R., Gray J. E., O'Mara R. E., Matched Filter Restoration of Coded Gamma and X-Ray Imaging, in: Applications of Optical Instrumentation in Medicine, SPIE, vol. 35, 1973.
26. Chang L.Т., Kaplan S. N.. Macdonald В., Perez-Mendcz V., Shiraishi L., /. Nucl. Med., 15, 1063 (1974).
27. Barrett H.H., /. NucL Med., 13. 382 (1972).
28. Barrett H. IL, Horrigan F. A., Appl. Opt, 12, 2686 (1973).
29. Rogers W.L., Coded Aperture Imaging in Nuclear Medicine, Review and Update, in: ERDA Conf. on Applications of X- and Y-Ravs. Ann Arbor, May 1976.
30. Akcasu A.Z.. May R. S.. Knoll G. F., Rogers W. L., Koral K. F.. Jones L. W., Opt Eng., 13, 117 (1974).
31. Zaklad H., Electronics, 14, 89. (1976).
32. Peters Т.M., IEEE Trans., BME-21, 214 (1974).
33. ВаггсЛ II.H.( Radiology, 104, 429 (1972).
34. Weiss IL, Three-Dimensional X-Ray Information Retrieving by Optical Filtering, in: Proceeding of the 1974 International Optical Computing Conference IEEE. 1974.
35. Bicdermann K., /. Opt. Soc. Am., 61. 1439 (1971).
36. Macovski A., Phys. Med. Biol., 19, 523 (1974).
37. Casasent D., Hybrid Processors, in: Optical Data Processing, ed. by S. Lee: Topics in Applied Physics, Springer, Berlin, Heidelberg, New York; IEEF Trans. Comput. C-24, 318 (1975).
38. Everett R.L., Lopez G., Anderson W.L., Simpson J.W., A Fourier Opticai Phonocardiogram Record-Analyze System, in: Proceedings of the San Diego Biomedical Svmposium. SPIE, vol. 1, 1972.
39. Shamir J.. Winzer G., Opt Acta, 19. 795 (1972).
40. Redman J.D., /. ScL Instr., 2. 651 (1969).
41. Greguss P.. Caulfield H.J., Science, 177, 422 (1972).
42. Falus M., Caulfield H.J., Greguss P., Laser and Unconventional Optics, 51, 3 (1974).
43. Caulfield H.J., Appl Opt, 9, 1218 (1970).
44. De Bitetto D.J.. Appl. Phys. Letters,Caulfield II.J., Lu S., The Applications of Holography, Wiley-Intersciencc, New York, 1970, Chap. VIII.
45. Benton S. A.. Opt. Eng., 14, 402 (1975).
46. Chapman J.A., Grundy S.M. W., Wolton W.P., Redman J.D., Three Dimensional Reconstructions from Electron Micrographs by Holography, in: l'roc. 5th Eur. Congr. on Electron Microscopy, 1972.
47. Redman J.D., Wolton W.P., Shuttleworth E., Nature, 220, 58 (1968).
48. Cross L., School of Holography, San Francisco, unpublished.
49. Upatnieks J.t Leonard C. D., Mattila E. S., Archival Storage of Three Dimensional Images, in: International Opt. Сотр. Conf., 1975, IEEE No. CH0941-5c.
50. Jeong Т.H., Rudolph R., Lockctt P.. /. Opt. Soc. Am., 56, 1203 (1966).
51. Какичашвнли Ш.Д., Ковалева A.H, Рухадзе В.А.— Опт. и спектроскоп. — 1968, 24, № 4, с. 627.
52. In the USA Apollo Lasers, Hadron, and International Laser Systems market such lasers.
53. Caulfield II.J., Hirschfcld Т., Weinberg J.M., Herron R., Proc. IEEE, 65, 84 (1977). [Имеется перевод: Колфилд Г. и др. — ТИИЭР, 1977, т. 65, №1, с. 101.]
54. Varner J.R., Holographic Contouring, Alternatives and Applications, in: Developments in Holography, SPIE, vol. 25, 1971.
55. Lu S., Hemstreet H.W., Jr., Caulfield II.J., Phys. Letters. 2514, 294 (1967).
56. Brooks R.E., Hcflinger L.O., Wucrkcr R.P., Brioncs R.H., Appl. Phys. Letters, 7, 92 (1965).
57. Felcppa E.J.t IEEE, BME-I9, 194 (1972).
58. Ebersole J.F., Opt. Eng., 14, 436 (1975).
59. Rounds D.E., Olson R.S., Booher J., Measurement of Cell Migration Index with a Ис-Ne Laser, in: Third Conference on the Laser, Anals of the N. Y. Acad. Scl., vol. 267, 1976.
60. Sol lid J.E., Opt. Eng., 14, 460 (1975).
61. Stetson K.A., Opt. Eng., 14, 482 (1975).
62. Burian K-, Firtze W., Schwomma W., Holographic Study of the Ear Drum, in: Symposium 1976 on Elcctro-cochleography and Holography in Medicine, Miinster, March 1976, A29.
63. Tonndorff J., Khanm S. H., /. Acoust. Soc. Am., 49, 120 (1971).
64. Hogmoen K-. Gundersen Т., Holographic Vibration Analysis of the Osskular Chain, in: Svmposium 1976 on Electro-cochleography and Holography in Medicine, Munster, March 1976, A30.
65. van Bally G., Trommclfell als Mittel zur Differentialdiagnose von Schallci-tungsstorungen MEDEX 76, 3rd International Exhibition and Congress on Medical Electrics and Bioenginccring, Basel, June 1976.
66. Wedenall P.R., cited in Greguss P., Opt. Laser Technol, 8, 153 (1976).
67. Mausler G., Schuenk Т., Seidel Holographic Deformation Measurement for Optimizing Hip-Joint Prosthesis, in: Symposium 1976 on Electro-cochleography and Ilolography in Medicine, Munster, March 1976, p. 7.
68. Vukicevic D., Hancevic J., Nikolic V., Vukiccric S., Application of Holographic Intcrferomctry in the Biomechanics of the Locomotor System, in: Symposium 1976 on Electro-cochleographv and Holography in Medicine, Munster, March 1976, p. 7.
69. 7.69. Bremble G.R.. Laker M.J., Hardinge K.A. Preliminary Study of Fracture Fixation Using Holographic Intcrferomctry, in: Holography in Medicine,
P. Greguss, IPC Science and Tech. Press. Richmond, England, 1975, pp. 65—68.
70. Greguss P., Opt Laser Technol., 8, 153 (1976).
71. Vander Lugt A., IEEE Trans., IT 10. 139 (1964); Caulfield H J., Holographic Pattern Recognition — New Thoughts on Old Problems, in: Holography and Optical Filtering, NASA SP-299 (1973).
72. Thomasson S.Т., Middleton Т.J., Jensen N.. Coherent Optics in Mapping, SPIE, vol. 45, 1974; also George N.. Thomasson Т., Spindel A., U. S. Pat. 3689772 (1972).
73. Casasent D., Psaltis D., Appl. Opt, 15, 1795 (1976).
74. Shi N.K., Carlson F.P., IEEE Trans., BME-23, 84 (1976).
75. Kruger R.P.. Thompson W.В.. Turner Л.F., IEEE Trans, SMC-4, 40 (1974).
76. Salzman G.C, Crowell J.M., Goad C.A., Hansen К.M., Hiebert R.D., La Baure P.M., Martin J. C, Ingram M. L., Mullaney P.F., Clinical Medicine, 21 (1975).

Просмотров: 82