Учеными из Эдинбурга создана камера, способная просматривать объекты насквозь

Инженеры создали камеру, которая видит тело человека насквозь

Новая камера способна обнаружить даже единичные частицы света внутри тела человека.

Изображения, полученные новой камерой (слева) и традиционным устройством для поиска источника света (справа).

Среди широко применяемых сегодня медицинских процедур многие считают самой неприятной эндоскопию. Напомним, это способ осмотра некоторых внутренних органов, при котором через естественные пути пациенту вводится эндоскоп – оптический прибор с транслятором изображения или миниатюрной видеокамерой.

Скорость и точность, а также безболезненность (насколько это возможно) такой процедуры зависит от мастерства врача. Но сам факт внедрения какого-то инородного предмета внутрь тела вряд ли кого-то порадует, а если этот прибор долго ищет цель, приятного ещё меньше.

Чтобы упростить работу специалистов и повысить качество обследований, учёные из Университета Эдинбурга создали камеру, которая видит тело человека насквозь. Она решает главную проблему эндоскопии: быстро определяет положение прибора внутри тела человека. Ранее для этого использовались небезопасные рентгеновские лучи и другие дорогостоящие методы, доступные далеко не для всех клиник.

Поясним, что наконечник длинной гибкой трубки эндоскопа освещает себе путь и внутренние органы при помощи стеклянных оптических волокон (световодов). Свет от эндоскопа рассеивается и отражается от тканей и органов, а не проходит сквозь них. Причём чем глубже внутри тела прибор, тем больше фотонов рассеивается.

Новая камера способна обнаружить этот источник света внутри тела, поскольку она различает даже отдельные частицы света – фотоны. По словам учёных, существует два типа фотонов, которые выходят из тела, отражаясь от тканей с низким уровнем рассеяния. Их называют “баллистические” и “змеиные” фотоны. Оба типа можно поймать при помощи специальных детекторов.

Соответственно, новая камера способна обнаружить эти частицы света. Такого эффекта физики добились благодаря однофотонным детекторам, чувствительным ко времени. Тысячи таких детекторов были размещены на кремниевом чипе, которым оснащена камера (примерно такие же чипы имеют и обычные цифровые камеры).

В результате устройство способно обнаружить даже самые слабые следы света, исходящие от эндоскопа и проходящие через органы и ткани.

Кроме того, технология позволяет фиксировать время, необходимое для прохождения света через тело пациента – благодаря этому устройство определяет точное положение наконечника эндоскопа.

“Возможность видеть местоположение устройства имеет решающее значение для многих областей здравоохранения, поскольку мы стремимся развивать “минимально инвазивные” подходы к лечению заболеваний”, — отмечает профессор Кев Дхаливаль (Kev Dhaliwal).

Его команда провела испытания прототипа новой камеры на лёгких овцы. По данным экспертов, устройство может отслеживать местоположение источника света с точностью до сантиметра сквозь ткани толщиной до 20 сантиметров при нормальном освещении.

Затем были проведены дополнительные тесты с участием добровольцев. Наконечник эндоскопа медики расположили близ спины человека, а камера должна была его найти, находясь спереди от человека. При этом был создан дополнительный барьер: перед телом держали ладонь. На поиск источника света “в теле” пациента у аппарата ушло 17 секунд.

Для сравнения: изображения, полученные новой камерой (слева) и традиционным устройством для поиска источника света (справа).

Дополнительное оборудование и специализированная подготовка человека для использования камеры не нужны, добавляют авторы разработки. Они планируют улучшить показатели своего прибора, чтобы он находил цель ещё быстрее и с точностью до миллиметров.

Медики полагают, что новая камера пригодится не только для эндоскопии и подобных процедур, её также можно будет использовать в ходе различных операций.

Более подробное описание новой камеры представлено в издании Biomedical Optics Express.

Добавим, что ранее исследователи представили крошечную микрокамеру, которую можно ввести в тело человека через шприц. Также мы рассказывали о камерах, способных заглядывать за угол и видеть сквозь стены.

В MIT разработали недорогую 3D-камеру, способную видеть сквозь полупрозрачные объекты

Существующие сегодня 3D-сенсоры, основанные на измерении времени прохождения луча света, подобные Kinect, могут довольно неплохо составлять карту глубин изображения, если в сцене нет полупрозрачных и отражающих поверхностей, преломляющих и искажающих путь световых лучей. Дождь, струи воды, туман или предметы из стекла или прозрачного пластика просто заслоняют более далёкие объекты, так как сенсор распознаёт только самое первое отражение сигнала.

На конференции Siggraph Asia, которая прошла в Гонконге на прошлой неделе, учёные из MIT Media Lab представили новую разработку, основанную на том же принципе. В ней используется обычный лазерный диод и недорогой сенсор. Стоимость оборудования составила всего лишь порядка 500 долларов. Единственное существенное отличие прототипа от коммерческих аналогов, таких как Kinect, заключается в прошивке.

Вместо простой периодической модуляции импульсов инфракрасного лазера, прототип MIT использует специально подобранные последовательности импульсов, имеющие автокорреляционную функцию с очень узким единичным пиком (такие сигналы используются в эхолокации и телекоммуникациях для точного измерения времени задержки сигнала. Более подробно о них можно почитать в статье “Основные принципы цифровой беспроводной связи. Ликбез”, в разделе «Автокорреляционная функция. Коды Баркера»). Камера хорошо различает первые отражения от поверхности прозрачного предмета и следующие за ними отражения от более далёких объектов. Она даже способна получить чёткое изображение надписи, закрытой матовым экраном.

Разработка MIT основана на предыдущих работах: камерой с пикосекундным временным разрешением, и созданной на её основе системе, способной снимать изображение предметов, находящихся за непрозрачным препятствием. Работа системы основана на измерении времени прихода отражённого сигнала от фемтосекундной вспышки лазера. Подобным образом работают лидары, радары и эхолоты. Однако стоимость прототипа камеры, способной заглянуть за угол, составила около полумиллиона долларов, она требует длительной калибровки и обработки сигналов.

На видеороликах, которые опубликовал на Youtube участник проекта Ашута Кадамби, наглядно продемонстрировано, как камера видит продвижение фронта светового импульса вглубь сцены. Сначала камера воспринимает отражения и блики от поверхности прозрачного объекта, а затем — изображение других объектов, скрытых за прозрачным.

На видео с зеркалом в кадре продвижение светового фронта видно особенно хорошо:

У новой системы очень неплохие перспективы коммерческого применения, так как она может работать на уже существующем недорогом и массово продающемся железе. Ранний прототип тратит на обработку одного кадра около четырёх секунд, так что вполне можно надеяться на работу в реальном времени после серьёзной оптимизации. Сенсоры, построенные по новому принципу, теоретически могут заменить очень дорогие лидары в беспилотных автомобилях и тем самым приблизить их массовое внедрение, они могут использоваться в медицине, да и в целом заметно улучшить практически все характеристики 3D-камер без изменения аппаратной части.

На странице проекта можно скачать видеоролики и PDF с подробным описанием технологии.

Источники:
http://habr.com/post/203786/
http://4pda.ru/2016/10/15/327036/

Ссылка на основную публикацию