CC BY
21
ОПТИЧЕСКАЯ ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ И ПОДПОВЕРХНОСТНЫХ ОБЛАСТЕЙ РАССЕИВАЮЩИХ ОБЪЕКТОВ
Свиридов Альберт Сергеевич
студент магистратуры СПбПУ Петра Великого, г. Санкт-Петербург
Аксенов Евгений Тимофеевич
д.ф.-м.н., профессорСПбПУ Петра Великого, г. Санкт-Петербург
Величко Елена Николаевна
к.т.н., доцентСПбПУ Петра Великого, г. Санкт-Петербург
АННОТАЦИЯ
Рассматривается вопрос восстановления поляризационных изображений ряда объектов — натурных и в мутной жидкости. Оценивается качество этих изображений в зависимости от условий эксперимента. Результаты свидетельствуют о применимости и диагностической значимости разработанной методики и перспективности дальнейших исследований.
ABSTRACT
Polarization images of a number of objects in turbid and natural fluid were recovered, and the quality of these images was evaluated, depending on the experimental conditions. The results show the applicability and diagno^ic value of the developed method and the prospects for further research in this direction.
Ключевые слова: полидисперсные рассеивающие среды, поляризационная визуализация, степень поляризации, контраст.
Keywords: turbid media, polarization imaging, polarization degree, contra^.
Введение. Метод поляризационной визуализации объектов в многократно рассеивающих макроскопически неоднородных средах, основанный на анализе пространственных распределений поляризационных характеристик линейно поляризованного излучения, обратно рассеянного средой, имеет множество потенциальных применений, включая получение биомедицинских изображений, изображений трещин и коррозии под слоем краски, изображения объектов в мутных средах.
Метод поляризационной визуализации может лечь в основу неинвазивной диагностики кожных новообразований. Подобные патологии, сюда можно отнести как онкологические заболевания, так и, например, псориаз, в первую очередь определяются путем их визуального наблюдения. Кроме того, на этапе их первичного формирования, не определяемого визуально, данный метод может получить применение в определении процессов коррозионных образований под защитным слоем (лакокрасочным покрытием) металлоконструкций, кузовов, корпусов, морских и воздушных судов на ранних стадиях, что позволит предупредить дальнейшее разрушение.
Метод базируется на анализе состояния поляризации света, рассеянного средой, поскольку поляризационные характеристики рассеянных оптических полей крайне чувствительны к оптическим свойствам и геометрии рассеивающих сред. Здесь применяется раздельное детектирование
поляризации в плоскости падения и ортогональной поляризации составляющих обратно рассеянного света, позволяющее определять геометрические особенности рассеивающих частиц в анализируемом объеме. Соотношение вкладов поверхностных и глубинных слоев неоднородной среды в интенсивности составляющих сильно зависит от геометрии рассеивателей для используемой длины волны зондирующего источника [1 - 3].
Однако возможности метода и области его потенциального применения далеко не исчерпаны. В связи с этим развитие методики поляризационной визуализации и определение перспективных областей применения являются актуальными.
Цель работы - изучение и развитие метода поляризационной визуализации дефектов (патологий) поверхностных и подповерхностных слоев рассеивающих объектов и сред.
Был проведен анализ особенностей формирующихся изображений в случайно-неоднородных средах, на основе которого был разработан измерительный стенд, структурная схема которого изображена на рис. 1. Составляющие элементы: набор сменных источников - полупроводниковые лазерные модули (когерентные источники разных длин волн (532, 650 и 808 нм) и немонохроматический источник - белый светодиод) 1, поляризаторы 2,4, светофильтры 5,6, ПЗС камера 7, ПК 8 и исследуемый объект 3.
Рис. 1. Структурная схема стенда
Поляризованный свет попадал на исследуемый объект и детектировался ПЗС камерой. Регистрируемыми характеристиками являются интенсивности обратно рассеянного светового поля двух ортогональных поляризаций, получаемых при трансформации исходной линейной поляризации на исходную и ортогональную ей. Используя степень остаточной поляризации (1) в качестве отображаемого параметра, может быть определен контраст изображения (2), как отношение разности к сумме степеней остаточной поляризации для поглощения объекта в среде и области вдали от данного объекта.
Pl =
Ii -1 j
I,, +1
(1)
где 11 и I" - интенсивности со- и кросс-поляризованной компонент рассеянного света.
Pln - P
_ 1 L 1 L
back
PLn + Pl
back
(2)
где Рт
и p back L
. ь „ ^ ь степень остаточной линейной поляризации отраженного света в области нахождения неоднородности и аналогичная величина вдали от этой области.
Обработка полученных изображений осуществлялась с использованием специально разработанного программного обеспечения на основе системы программирования «Ма^аЬ 12.0».
В ходе эксперимента визуализировались объекты, помещенные в сильно рассеивающие жидкие среды, и фантомы натуральной биоткани.
В кювету на глубине 0,5 см помещался исследуемый объект - черная матовая пластинка, в качестве модели рассеивающий полидисперсной среды использовался раствор молока различной концентрации. Исследуемый объект освещали когерентными источниками зеленого, красного и ближнего инфракрасного (БИК) диапазонов, а также немонохроматическим источником - белым светодиодом. Эксперимент показал, что использование источника БИК диапазона (рис. 2) является наиболее информативным, поскольку при использовании источников видимых диапазонов возникает сильное зашумление спекл-полями. Как и ожидалось, увеличение концентрации молока приводит к понижению контраста. Для увеличения получаемой информации об объекте, находящемся в мутной среде, был проведен эксперимент с использованием диффузионного процесса -гликирования. В раствор добавили глюкозу и провели выдержку в течение 10 часов, после чего вновь регистрировали изображения, зарегистрировано увеличение глубины визуализации в 2 раза.
Рис. 2. Примеры регистрируемых а11 - и б) I" -поляризованных изображений, и в) степени остаточной поляризации. Концентрация молока в эмульсии - 0,5%, слой раствора над объектом - 0,5 см, ИК источник (808 нм)
Вторым исследуемым объектом была биоткань, в нашем случае, кожа курицы.На рисунке 3 изображена кожа курицы при облучении светом различных длин волн, как видно, наиболее информативными являются изображения, полученные, при облучении белым светом (поверхностные не-
однородности кожи) и БИК (неоднородности находящиеся на некоторой глубине). Оценочная глубина проникновения БИК составила 3 мм. При использовании зеленого и красного источников, возникают сильные маскирующие спекл-по-ля.
ГЧ 1 < '. * нм Р&г* £ КЛЙ ичв
11 1 ХЛ С1 1 г Л ■ В ' -1 ОиО вал!] ьп
Я> Е>лкВ саст Ь?0 нм КОД нм
ш ж к
Ь)Ег_1ыВсв«т ЗЗЯКЫ &5(1нм 803 нч
Рис. 3. Изображения а) I" - и б) 11 - поляризованной компоненты и в) степени остаточной поляризации куриной кожи
Представляло интерес восстановление структуры биоткани, маскируемой пигментным пятном.
На рисунке 4 представлено пигментное пятно на коже курицы при облучении ИК источником. Как видно из рисунка,
в разностном изображении меланин не визуализируется,но наблюдается структура биоткани под пигментным пятном.
а) О) в) г)
Рис. 4. Рис.2.5 Изображения а) пигментного пятна на куриной коже в естественных условиях, а также б)1" - и в) 11 -поляризованной компоненты и г) степени остаточной поляризации куриной кожи с пигментным пятном при облучении
источником БИК излучения (808 нм)
Результаты.Определены особенности процесса визуализации. Показана возможность и выявлены особенности поляризационной визуализации кожного покрова и поверхностных слоев биологических модельных объектов. Проведена оценка состояния кожного покрова и определены возможные патологии. Исследования были выполнены как с использованием некогерентного источника белого света, так и когерентного лазерного излучения. Сравнение полученных данных позволило выявить подобные тенденции изменения параметров при изменении состояния кожи.
Вывод.Полученные результаты свидетельствуют о применимости и диагностической значимости разработанной методики и перспективности дальнейших исследований в этом направлении.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Барун В. В., Иванов А. П., Волотовская А. В., Ула-щик В. С., Спектры поглощения и глубина проникновения света в нормальную и патологически измененную кожу человека // Журнал прикладной спектроскопии. Май - Июнь, 2007.Т. 74. № 3. С. 388 - 394.
Тучин В. В., Оптика биологических тканей. Методы рассеяния света в медицинской диагностике. М.: ФИЗ-МАТЛИТ, 2013. — 812 с.
Тучин В. В. Оптическая биомедицинская диагностика. В 2 т. Т. 1. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. — 560 с.
О ЧИСЛЕННОМ МЕТОДЕ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ О ДВИЖЕНИИ ДЕФОРМИРУЮЩИХСЯ ГАЗОВЫХ ПОЛОСТЕЙ
Сиников Валерий Михайлович
доцент, к.ф.-м.н., Самарский государственный университет, г. Самара
АННОТАЦИЯ
В работе приводится описание разработанного численного метода для расчета динамики кавитационных каверн с учетом деформации их поверхности. Приводятся результаты расчета задачи о движении пульсирующей газовой полости вблизи твердой границы раздела.
ABSTRACT
The work decribes the developed numerical method for calculating dynamics of cavitation cavern, taking into account the deformation of the surface. The results of calculation of the problem of the motion of pulsating gas cavity near solid boundaries.
Ключевые слова: кавитация, каверны, деформация.
Keywords: cavitation, cavern, deformation.
Движение кавитационных полостей происходит, как правило, вблизи по-верхностей раздела или в условиях взаимодействия с соседними полостями. Эти обстоятельства оказывают существенное влияние на характер движения ка-витационных полостей и, следовательно, на характеристики излучаемого ими шума и производимую эрозию твердых границ раздела. В ряде экспериментальных [1] и теоретических работах показано, что форма поверхности каверн становится отличной от сферической, что также оказывает существенное влияние на процесс их захлопывания и движения. Однако процессы взаимодействия и развития деформации поверхностей пульсирующих каверн вблизи границы раздела изучены недостаточно.
Пусть в области занятой жидкостью и ограниченной твердыми поверхностями раздела Ei, i=1,m1, содержится совокупность кавитационных полостей, центры которых расположены на прямой линии. Предполагается, что в начальный момент времени поверхности каверн сферические, жидкость покоится, а границы расположены таким образом, что задача является относительно линии, проходящей через центры каверн. Начиная с некоторого момента времени t=0, давление в жидкости на бесконечности начинает изменяться по гармоническому закону
Poo= P»+ Pm • sin(<a-t + y) (1)
где - давление на бесконечности в момент времени t = 0 P - амплитуда, ю - круговая частота, у - сдвиг фазы
гармонической составляющей внешнего давления. В результате, полость начинает сжиматься (расширяться) и, взаимодействуя с границами раздела и соседними полостями, поступательно перемещаться.
Предполагается, что жидкость идеальная, несжимаемая; давление газа внутри полости изменяется по закону политропы; фазовые переходы и массообмен не учитываются; движение жидкости потенциальное; динамика газа внутри каверн не учитывается.
Вводятся безразмерные переменные
P '
и я,
и
J? и ^
i = 1, m
P
Pm )
