Tesi di laurea in optoelettronica Realizzazione di un sistema di elaborazione ottica a colori per lo...

Tesi di laurea inoptoelettronica

Realizzazione di un sistema di elaborazione ottica a colori per lo studio dei moti fluidi prodotti dalle macchine per la

facoemulsificazione usate in oculisticaLaureandi:

Matias AntonelliMartin Gega

Relatore:

Chiar.mo Prof. Paolo Sirotti

Correlatori: Dott. Daniele TognettoDott.sa Giorgia Sanguinetti

Facoemulsificazione

Introduzione

Matias Antonelli – Martin Gega

Cos’è la facoemulsificazione?Tecnica per la chirurgia della cataratta:

Rimozione del cristallino (faco) Sostituzione con lente artificiale

Facoemulsificazione

In particolare: Frammentazione con sonda ad ultrasuoni Aspirazione mediante la stessa


Incisione di soli 3 mm

Bassa invasività

Veloce recupero della vista

Introduzione

Facoemulsificazione


Introduzione

Facoemulsificazione


Introduzione

È il risultato di più azioni: Irrigazione Aspirazione Propagazione onde acustiche Urti diretti Cavitazione

Obbiettivi

Visualizzare i moti fluidi prodotti dalla sonda Studio visivo dei fenomeni coinvolti nel processo Valutazione di

modi di funzionamento delle apparecchiature soglie di manifestazione di determinati fenomeni


Introduzione

Obbiettivi

Visualizzare i moti fluidi prodotti dalla sonda


Introduzione

Importante per Utilizzo maggiormente consapevole e meno invasivo dell’apparecchiatura Confronto tra macchine diverse

Elaborazione ottica

Elaborazione ottica delle immagini di fase

Azione delle sonde Moti fluidi Variazioni densità Deformazioni


Immagini di fase trattabili col solo

metodo ottico

Elaborazione ottica


Perché l’elaborazione ottica? Capacità di elaborare fenomeni non trattabili con altri metodi Banda larga (luce = portante a frequenza elevata) Tempo di elaborazione pressoché infinitesimo (propagazione) Componenti di bassa tecnologia: robustezza, reperibilità,…


Immagini di fase


Cosa s’intende? In senso stretto: un’immagine con funzione di trasparenza complessa


)y,x(jeA)y,x(f A)y,x(f costante :

Immagini di fase


Cosa s’intende? Possiamo ritenere “di fase” anche immagini con

Considerando le variazioni di A come immagine di partenza a riposo


A)y,x(f costante

Immagini di fase


Cosa s’intende? In ogni caso l’informazione è contenuta nel termine di fase


)y,x(

Trasformazione ottica


Lente: dispositivo base dell’elaborazione ottica Introduce una trasformazione del campo luminoso




Nel piano (,) si ottiene la trasformata di Fourier del campo nel piano (x,y)




Ponendo nel piano d’ingresso la trasparenza f(x,y)

nel piano (,) si ottiene il campo


)y,x(f),(F




)y,x(f),(F



È importante la coerenza spaziale della luce con cui si elabora l’immagine di fase

Se i punti dello spazio illuminato hanno fasi scorrelate generano un’immagine di fase spuria che si somma (in fase) all’immagine da elaborare


)y,x()y,x(j)y,x(j)y,x(j eAeAe



L’elaborazione si effettua nel piano della trasformata, mediante opportuni filtri.




Una seconda lente esegue un’ulteriore trasformazione, quindi ricostruisce l’immagine antitrasformando la trasformata filtrata


Filtri


La trasformata è centrata nel fuoco


p. basso p. alto p. banda a fessura direzionale

Elaborazione imm. di fase


Due diversi approcci: Ipotesi di fase piccola Approssimazione locale di


Come elaborare e rendere visibili le immagini di fase?

)y,x(



Eliminando la componente comune 1

rimane un’ampiezza


Nell’ipotesi di piccole variazioni di )y,x()y,x(je)y,x(f )y,x(j)y,x(f 1

1

)y,x(f)y,x(j

)y,x(j

)'y,'x()'y,'x(f)'y,'x(I 22




Il filtro che elimina la componente continua è un punto opaco nel fuoco (nella pratica è irrealizzabile, si usa cerchio a diametro minimo)

altrove 1

(0,0)in 0),(H



Suddivisione del dominio in quadrati Sik arbitrariamente piccoli

Approssimazione per ogni tratto col piano tangente in


Approssimazione locale di con campo affine

)y,x(

)y,x( koio





)y,x(

i k ki )y,x(f)y,x(f

i k ki )q,p(F)q,p(F

i k koioykoiox )y,x(q)y,x(pA

~)q,p(F

i k

y)y,x(x)y,x(j koioykoioxeA~

)y,x(f





)y,x(

)y,x()y,x()y,x( koiokoioykoiox 22

)y,x(

)y,x(arctg

koiox

koioy

Si ottiene



Ad ogni tratto su Sik di f(x,y) corrisponde un punto luminoso nel piano di Fourier le cui coordinate sono date da



)y,x(

)y,x( koio





)y,x(

Un filtro passaalto blocca i tratti dell’immagine con gradiente inferiore ad un certo valore di taglio.

Sorgente in luce bianca



Prima estensione: rimuovere l’ipotesi di luce monocromatica

Opportunità: introdurre codifica cromatica

Problema: necessità di coerenza spaziale

Sorgente in luce bianca



Soluzione: ridurre le dimensioni della sorgente approssimando una sorgente puntiforme ideale

Sistemi ottici - Laser

Sistemi di Elaborazione Ottica delle Immagini in Luce Laser

Sistema ad una lente Sistema a due lenti Sistema a fascio non collimato


Sistema a due lenti



Sistema a due lenti


Vantaggi: la configurazione è compatta le distanze dei piani sono note con maggiore precisione la trasformata di Fourier ottica non è affetta dall’errore di fase


Sistema a due lenti


Svantaggi: il fattore d’ingrandimento è fissato dal rapporto delle lunghezze focali delle lenti il numero di componenti è aumentato dalla seconda lente


Sistema a fascio non collimato



Sistema a fascio non collimato


Può essere costruito sia con una che con due lenti di trasformazione Utilizzo limitato dalla dimensione del fascio luminoso Costituisce la base per l’estensione ai sistemi a sorgente estesa (non puntiforme)


Tecniche di visualizzazione delle immagini di fase


Contrasto di fase Tecnica dell’illuminazione obliqua Metodo Shadowgraph Strioscopia Metodo Shclieren


Strioscopia



)y,x(j)y,x(f 1

Premessa Immagine di fase:

Contrasto di fase: sfasamento della componente continua affinché i due contributi si sommino o si sottragano

)y,x(j)y,x(f 1

Strioscopia


Premessa La strioscopia è un caso particolare del Contrasto di fase dove:

la trasmissione della componente continua è nulla l’informazione sul segno della variazione di fase è soppressa


Strioscopia


Trasparenza del filtro di elaborazione:

altrove 1

(0,0)in 0),( H

Elimina il contributo d’ampiezza, rendendo visibile solo quello relativo alla variazione di fase


Strioscopia


Nell’ipotesi di piccola variazione di fase il campo elaborato è:

Il sistema visivo né rileva solo l’intensità

)'y,'x(j)'y,'x(f

22 )'y,'x(f)'y,'x(I


Strioscopia



Strioscopia


Limiti: Elevata intensità della sorgente può nascondere particolari a fase molto piccola Il filtro introduce un effetto passa-alto: impossibile realizzare un filtro che elimini solamente la continua


Strioscopia

Applicazione alla visualizzazione dei moti fluidi

Applicazione allo studio dei moti fluidi prodotti dalla facoemulsificazione


Strioscopia


L’immagine d’ingresso è costituita da: manipolo faco vaschetta di vetro fluido (soluzione salina) flussi prodotti dalla sonda vibrante

Immagine di fase che si

vuole rendere visibile


Strioscopia



Strioscopia



Flussi prodotti da: irrigazione irrigazione e

aspirazione irrigazione,

aspirazione e cavitazione

Strioscopia



Filmato acquisito con telecamera ad elevato numero di fotogrammi

Strioscopia



Formazione canale

Apertura in profondità

Allargamento canale

Turbolenze Aspirazione

Sistema ottico a colori

Sistema di Elaborazione Ottica delle Immagini a Luce Bianca

È possibile svincolarsi dall’ipotesi di luce monocromatica?

I sistemi ottici sono realizzabili con sorgenti puntiformi a luce bianca Possibilità di utilizzare anche sorgenti estese


Sorgente estesa


È una sorgente di luce incoerente Ogni punto della sorgente produce una trasformata dell’immagine

Sul piano di Fourier si ha la sovrapposizione delle singole trasformate


Limita l’elaborazione ottica a colori

Sorgente estesa


Soluzione: codifica mediante opportune maschere a fori ogni foro approssima una sorgente puntiforme ideale


Sorgente estesa


Vantaggi della sorgente estesa codificata: Sorgenti economiche e facilmente reperibili Più canali di trasmissione scorrelati tra loro Repliche dello spettro sul piano di Fourier Possibilità di trattare le trasformate in modo separato Codifica cromatica


Filtri cromatici


Trasparenze a bande di forma e colore opportuno Tipi utilizzati:

filtri a simmetria circolare a tre bande colorate filtri a settori colorati


Filtri circolari



Banda passante divisa in tre coroneLe alte frequenze spaziali si colorano in blu Le basse frequenze assumono tonalità rosse Non discrimina la direzione

Filtri a settori



Banda passante divisa in sei settori Codifica la fase secondo la direzione delle variazioni Il verso della variazione è ininfluente La banda passante varia secondo il colore

Codifica cromatica


Sul piano di Fourier si ottengono le trasformate disposte secondo la ricostruzione della matrice di sorgenti Perciò si usa una matrice di filtri congruente con quella delle sorgenti per ottenere maggiore selettività


Codifica cromatica



Le trasformate sono centrate rispetto a ciascuno dei filtri Esse sono scalate dalle rispettive lunghezze d’onda

Codifica cromatica


Come avviene la codifica: settori sfasati componenti dello stesso gradiente assumono tonalità diverse





Esempio di visualizzazione di flussi codificati con colori diversi nelle varie direzioni di propagazione




Esempio di deformazione del viscoelastico

Propagazione delle onde acustiche fino alla rottura della struttura del materiale

Conclusioni

Risultati e conclusioni


I risultati ottenuti sono soggetti a:

interpretazione medica interpretazione ingegneristica

Conclusioni



Interpretazione medica: Le immagini prodotto hanno permesso:

maggiore comprensione dei fenomeni coinvolti nella facoemulsificazione importanti informazioni circa il funzionamento delle apparecchiature

verifica delle soglie di generazione delle bolle

Conclusioni



Interpretazione ingegneristica: I sistemi realizzati hanno raggiunto gli obbiettivi prefissati Le immagini a colori hanno riportato un contenuto informativo più ricco rispetto a quelle ottenute con luce monocromatica

Sviluppi futuri



Realizzare maschere di filtri ad elevata selettività mediante l’utilizzo dei filtri a corone circolari:

necessita di realizzazione di filtri con larghezza delle bande colorate variabili

Fine


Grazie per l’attenzione

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