Διερεύνηση της τεχνικής Sparse Signal Representation σε εφαρμογές ακουστικού μικροσκοπίου

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ και ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Διερεύνηση της τεχνικής Sparse Signal Representation σε εφαρμογές ακουστικού μικροσκοπίου Μεκίκης Π. Πρόδρομος-Βασίλειος Χριστοφής Μ. Απόστολος Επιβλέπων ήταν ο Καθηγητής Σεργιάδης Δ. Γεώργιος ΜΑΡΤΙΟΣ 2010 ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ

2 ii

3 Κανείς δε δίδαξε ποτέ κανέναν τίποτα, απλώς τον βοήθησε να το μάθει μόνος του. Γαλιλαίος Μεκίκης Πρόδρομος Βασίλειος Χριστοφής Απόστολος Μάρτιος 2010 Θεσσαλονίκη iii

4 iv

5 ευχαριστίες Η παρούσα διπλωματική μας ανατέθηκε στα τέλη του Φλεβάρη του Λόγω υποχρεώσεων, η ουσιαστική δουλειά ξεκίνησε τέλη Μαΐου και ολοκληρώνεται μετά από δέκα μήνες. Έπειτα από μερικές αλλαγές θέματος καταλήξαμε, το μήνα Νοέμβριο, στο θέμα «Διερεύνηση της Τεχνικής Sparse Signal Representation (SSP) σε εφαρμογές ακουστικού μικροσκοπίου». Θεωρούμε πως στο πλαίσιο αυτής της διπλωματικής ήρθαμε σε επαφή με αντικείμενα τα οποία αποτέλεσαν πρωτόγνωρα πεδία έρευνας. Τίποτα από τα παραπάνω δεν θα ήταν εφικτό χωρίς την βοήθεια του Καθηγητή Σεργιάδη Γεώργιου, για τις χρήσιμες και καίριες συμβουλές του. Παράλληλα, θέλουμε να ευχαριστήσουμε τον Δρ. Καραγιάννη Γεώργιο για την βοήθειά του και για την φιλοξενία του στο διαγνωστικό κέντρο «Ορμύλια». Επίσης, σημαντική βοήθεια αποτέλεσαν οι συμβουλές του Αργύρη Δάμτσιου ως προς την τεχνική SSP. Τέλος, ευχαριστούμε τον Μιχάλη Χριστοδούλου για την ευχάριστη παρέα στα ταξίδια μας προς το διαγνωστικό κέντρο της Ορμύλιας. Μεκίκης Πρόδρομος Βασίλειος Χριστοφής Απόστολος v

6 vi

7 περίληψη Μέσω του ακουστικού μικροσκοπίου γίνεται δυνατή η δημιουργία απεικόνισης μικρών εσωτερικών δομών των αντικειμένων που εξετάζονται. Με στόχο την αύξηση της ανάλυσης του ακουστικού μικροσκοπίου έγινε διερεύνηση της τεχνικής Sparse Signal Representation και συγκεκριμένα του αλγορίθμου Basis Pursuit, μέσω του οποίου γίνεται δυνατός ο εντοπισμός ανακλάσεων πάνω στο πεδίο του χρόνου. Το υπερπλήρες λεξικό που χρησιμοποιήθηκε αποτελείται από συναρτήσεις Gabor, καθώς προσομοιώνει καλύτερα τα υψίσυχνα ακουστικά σήματα. Μετά από διάφορες μελέτες γίνεται φανερό πως ο αλγόριθμος βρίσκει τις ανακλάσεις με επιτυχία ακόμη και σε περιπτώσεις με υψηλό θόρυβο. Πρόβλημα αποτελεί ο εκθετικός χρόνος εκτέλεσης του αλγορίθμου σε σχέση με τον αριθμό των δειγμάτων του σήματος, όμως αυτό βελτιώθηκε μέσω της διαδικασίας της κατάτμησης. Τέλος, οδηγηθήκαμε στη κατασκευή ενός phantom που προσομοιώνει το μελάνωμα, για να εξετάσουμε την απόδοση του αλγορίθμου μελλοντικά. vii

8 viii

9 abstract Using the acoustic microscope it is possible to represent small internal microstructures of the object under examination. In order to increase the resolution of the acoustic microscope, an investigation of the Sparse Signal Representation technique was carried out and more specifically of the Basis Pursuit algorithm, through which it is feasible to detect echoes in the time domain. The overcomplete dictionary that was used consists of Gabor functions, as it simulates better the high frequency acoustic signals. After several studies it is obvious that the algorithm locates the echoes with success even in cases with low SNR. The exponential execution time of the algorithm in relation to the amount of the signal samples is a problem but it was improved by the process of segmentation. Finally, we were led to the manufacture of a phantom that simulates the melanoma, in order to examine the performance of the algorithm in the future. ix

10 x

11 Περιεχόμενα Εισαγωγή Ακουστικό Μικροσκόπιο... 9 Ιστορική Αναδρομή Τρόπος Λειτουργίας Εφαρμογές Ευρεσιτεχνίες Συσκευές Πιεζοηλεκτρικοί Μετατροπείς Ακουστικό Μικροσκόπιο Διαγνωστικού Κέντρου «Ορμύλια» Τεχνικές Βελτίωσης Ανάλυσης της Εικόνας Ανάλυση του προβλήματος Αύξηση συχνότητας λειτουργίας Synthetic Aperture Radar Sparse Signal Representation Basis Pursuit Ανάλυση Αλγορίθμου Ανάλυση κώδικα υλοποίησης BP Παρουσίαση αποτελεσμάτων Μελέτη Πολυπλοκότητας Αλγορίθμου Συμπεριφορά σε Ενθόρυβο Περιβάλλον Γενικά Ενθόρυβο Περιβάλλον Βελτιώσεις Αλγορίθμου Κατάτμηση Σύγκριση με κατάτμηση και χωρίς

12 6. Παρουσίαση Γραφικού Περιβάλλοντος Phantom Μελανώματος Γενικά Τρόποι Δημιουργίας Κατασκευή Συμπεράσματα Μελλοντικές Προοπτικές Βελτιώσεις Basis Pursuit SAR+BP Φωτοακουστικό Μικροσκόπιο Diffuse Reflectance Spectroscopy Βιβλιογραφία Παράρτημα Α Κώδικας Παράρτημα Β

13 Κατάλογος Εικόνων Περιγραφή Σελ. Εικ Το σύστημα φακών ενός SAM [1] 10 Εικ Απεικόνιση όγκου στον οφθαλμό με χρήση ακουστικής 14 μικροσκοπίας στα 30MHz Εικ Απεικόνιση ανευρύσματος αορτής με χρήση ακουστικής 16 μικροσκοπίας στα 200MHz Εικ Απεικόνιση καρκινικού όγκου σε μαστό με τη βοήθεια 17 ακουστικής μικροσκοπίας Εικ Απεικόνιση οστού με οστεοπόρωση με τη βοήθεια 18 ακουστικής μικροσκοπίας Εικ Απεικόνιση συνδέσεων ενός μικροεπεξεργαστή με χρήση 20 ακουστικής μικροσκοπίας στα 1000MHz Εικ Διάγραμμα διάταξης ακουστικού μικροσκοπίου 28 Εικ Πομπός με εύρος εκπομπής 400MHz και δέκτης 29 Εικ Ο μετατροπέας (Μπλοκ διάγραμμα και φωτογραφία) 30 αναλογικού σήματος σε ψηφιακό που χρησιμοποιήθηκε (2Gs/s) Εικ Απεικόνιση της τεχνικής συνθετικού διαφράγματος 35 Εικ.6.1 Αρχική μορφή του GUI 85 Εικ.6.2 Βασικές λειτουργίες και παράμετροι 86 Εικ.6.3 Πριν την επιλογή του επιθυμητού c scan (load signal) 87 Εικ.6.4 Μετά την εκτέλεση της επιλογής Plot 88 Εικ.6.5 Μετά την ενεργοποίηση της επιλογής Gating 88 Εικ.6.6 Εκτύπωση αποτελεσμάτων μετά την ενεργοποίηση της 89 επιλογής Start Εικ.6.7 Εκτύπωση της αναπαράστασης των διαχωριστικών 90 επιφανειών του στόχου Εικ.6.8 Τελική άποψη του GUI 90 Εικ Τηλεφασματοφωτομετρική λήψη 94 Εικ Ανατομία μελανώματος 96 Εικ Τομή phantom 97 Εικ Κάτοψη phantom 97 Εικ Σύριγγα για την έγχυση μελανίνης μέσα στο «δέρμα» 99 Εικ Σταγονόμετρο για την ακριβή μέτρηση όγκου 99 Εικ Τριβλίο για την τοποθέτηση του μίγματος 100 Εικ Ζελατίνη 100 Εικ Αμμωνία για τη διάλυση της συνθετικής μελανίνης 100 Εικ Intralipid της εταιρίας Fresenius Kabi 101 Εικ Σκόνη συνθετικής μελανίνης της εταιρίας Sigma Aldrich 101 Εικ Διάλυση ζελατίνης σε ζεστό νερό 102 Εικ Προσθήκη Intralipid στο μίγμα 102 Εικ Τοποθέτηση μελανιού σε τριβλίο 103 Εικ Κάλυψη μελανιού με «δέρμα» 103 Εικ Δημιουργία του phantom με τον πρώτο τρόπο 104 Εικ Πρόσθεση μίγματος σε τριβλίο 104 3

14 Εικ Πάχος «δέρματος» 105 Εικ Τελική μορφή «δέρματος» 105 Εικ Διάλυμα συνθετικής μελανίνης 105 Εικ Phantom μελανώματος με συνθετική μελανίνη 106 Εικ Λήψη ακουστικών κυμάτων έπειτα από εφαρμογή του 118 φωτοακουστικού φαινομένου Εικ Φάσμα της οπτικής απορρόφησης της οξυγονούχας 118 αιμογλοβίνης (HbO 2 ) και της μη οξυγονούχας (Hb) Εικ.9.3.3: Απεικόνιση μελανώματος με τη βοήθεια 119 Φωτοακουστικού Μικροσκοπίου [37] Εικ Σύστημα Φωτοακουστικού Μικροσκοπίου [39] 120 Εικ Απεικόνιση οξυγόνωσης του αίματος με τη βοήθεια 121 Φωτοακουστικού Μικροσκοπίου [41] Κατάλογος Διαγραμμάτων Περιγραφή Σελ. Διάγραμμα Εύρεση ανακλάσεων ενός τυχαίου a scan 51 ακουστικού μικροσκοπίου Διάγραμμα Εύρεση ανακλάσεων ενός σήματος δειγμάτων με κατώφλι 0.1 Διάγραμμα Εύρεση ανακλάσεων ενός σήματος δειγμάτων με κατώφλι Διάγραμμα Ανεπιτυχής προσπάθεια εντοπισμού όλων των 54 αναμενόμενων ανακλάσεων λόγω αλλοίωσης θορύβου Διάγραμμα Εντοπισμός της ανάκλασης με τη βοήθεια του 55 gating Διάγραμμα Εύρεση ανακλάσεων ενός σήματος με έντονο 56 θόρυβο. Διάγραμμα Μεταβολή του χρόνου εκτέλεσης ως προς τον 58 αριθμό των δειγμάτων Διάγραμμα Μεταβολή της απαιτούμενης μνήμης ως προς 58 τον αριθμό των δειγμάτων Διάγραμμα Σύγκριση της εκθετικής συνάρτησης με το 59 χρόνο εκτέλεσης Διάγραμμα Σύγκριση της εκθετικής συνάρτησης με την 59 απαιτούμενη μνήμη Διάγραμμα Πρότυπο σήμα που χρησιμοποιήθηκε για τη 63 μελέτη συμπεριφοράς του αλγορίθμου σε ενθόρυβο περιβάλλον Διάγραμμα Λευκός προσθετικός Gaussian θόρυβος 64 Διάγραμμα Τυχαίος προσθετικός θόρυβος 64 Διάγραμμα Αποτέλεσμα αλγορίθμου σε αθόρυβο 65 περιβάλλον 4

15 Διάγραμμα Αποτέλεσμα αλγορίθμου σε ενθόρυβο περιβάλλον με SNR 25dB Διάγραμμα Αποτέλεσμα αλγορίθμου σε ενθόρυβο περιβάλλον με SNR 10dB Διάγραμμα Αποτέλεσμα αλγορίθμου σε ενθόρυβο περιβάλλον με SNR 6dB Διάγραμμα Αποτέλεσμα αλγορίθμου σε ενθόρυβο περιβάλλον με SNR 3dB Διάγραμμα Αποτέλεσμα αλγορίθμου σε ενθόρυβο περιβάλλον με SNR 1dB Διάγραμμα Αποτέλεσμα αλγορίθμου μετά από κατάλληλη παραμετροποίηση του κατωφλίου Διάγραμμα Αποτέλεσμα αλγορίθμου σε ενθόρυβο περιβάλλον με SNR 0dB Διάγραμμα Αποτέλεσμα αλγορίθμου σε ενθόρυβο περιβάλλον με SNR 3dB Διάγραμμα Αποτέλεσμα αλγορίθμου σε ενθόρυβο περιβάλλον με SNR 5dB Διάγραμμα Αποτέλεσμα αλγορίθμου σε ενθόρυβο περιβάλλον με SNR 20dB Διάγραμμα Αποτέλεσμα αλγορίθμου σε ενθόρυβο περιβάλλον με SNR 10dB Διάγραμμα Αποτέλεσμα αλγορίθμου σε ενθόρυβο περιβάλλον με SNR 0dB Διάγραμμα Αποτέλεσμα αλγορίθμου σε ενθόρυβο περιβάλλον με SNR 3dB Διάγραμμα Αποτέλεσμα αλγορίθμου σε ενθόρυβο περιβάλλον με SNR 5dB Διάγραμμα Αποτέλεσμα αλγορίθμου σε ενθόρυβο περιβάλλον με SNR 15dB Διάγραμμα Αποτέλεσμα αλγορίθμου με ενεργοποιημένη τη διαδικασία της κατάτμησης Διάγραμμα Αποτέλεσμα αλγορίθμου με απενεργοποιημένη τη διαδικασία της κατάτμησης Κατάλογος Πινάκων Περιγραφή Σελ. Πίνακας Μετρήσεις χρόνου εκτέλεσης και απαιτούμενης 57 μνήμης Πίνακας Μετρήσεις χρόνου εκτέλεσης με κατάτμηση και 80 χωρίς Πίνακας 6.1 Παρουσίαση βασικών επιλογών και παραμέτρων 86 Πίνακας 6.2 Παρουσίαση επιλογών του GUI 87 Πίνακας Εργαλεία και υλικά για την κατασκευή phantom 106 5

16 6

17 Εισαγωγή Εισαγωγή Κύριος σκοπός της διπλωματικής, όπως εύγλωττα υποδηλώνει ο τίτλος της, είναι η διερεύνηση της τεχνικής Sparse Signal Representation σε εφαρμογές ακουστικής μικροσκοπίας με απώτερο στόχο τη βελτίωση της αναλυτικότητας της ακουστικής εικόνας. Επίσης στο πλαίσιο αυτής της διπλωματικής διεξήχθη έρευνα για τις μελλοντικές προοπτικές της τεχνολογίας της ακουστικής μικροσκοπίας. Σημαντική συνεισφορά στη διπλωματική έχει επίσης η έρευνα για την κατασκευή του phantom μελανώματος, που αποτελεί το πρώτο βήμα για την εφαρμογή της ακουστικής μικροσκοπίας για τη διάγνωση του. Παρακάτω περιγράφεται αναλυτικά το περιεχόμενο των κεφαλαίων της παρούσας διπλωματικής. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στην ιστορική αναδρομή της ακουστικής μικροσκοπίας και περιγράφεται αναλυτικά το state of the art της τεχνολογίας αυτής. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται μια προσπάθεια να αναλυθεί το πρόβλημα, που είχαμε να αντιμετωπίσουμε και οι τεχνικές επίλυσής του τις οποίες εξετάσαμε στο πλαίσιο αυτής της διπλωματικής. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται ο αλγόριθμος που υλοποιήθηκε, τα αποτελέσματα αυτού του αλγορίθμου αλλά και η απόδοση του ως προς το χρόνο εκτέλεσης και την απαιτούμενη μνήμη. Στο κεφάλαιο 4 περιγράφεται η συμπεριφορά του αλγορίθμου σε ενθόρυβο περιβάλλον και συγκεκριμένα με τυχαίο προσθετικό και λευκό Gaussian προσθετικό θόρυβο. 7

18 Εισαγωγη Στο κεφάλαιο 5 αναλύεται η διαδικασία της κατάτμησης και η βελτίωση που επιτυγχάνεται μέσω αυτής. Στο κεφάλαιο 6 δίνονται αναλυτικές οδηγίες χρήσης για το γραφικό περιβάλλον (GUI) του προγράμματος. Στο κεφάλαιο 7 περιγράφονται κάποιες βασικές έννοιες για το μελάνωμα και παράλληλα αναλύεται η κατασκευή του phantom. Στο κεφάλαιο 8 αναφέρονται τα συμπεράσματα της παρούσας διπλωματικής. Στο κεφάλαιο 9 παρουσιάζονται οι μελλοντικές προοπτικές και βελτιώσεις της ακουστικής μικροσκοπίας. Τέλος, στα παραρτήματα Α και Β δίνεται ο κώδικας του προγράμματος με εκτενή σχόλια και τα τεχνικά χαρακτηριστικά των εμπορικών λύσεων της ακουστικής μικροσκοπίας αντίστοιχα. 8

19 Κεφάλαιο 1 ο Ακουστικό Μικροσκόπιο 1.1 Ιστορική Αναδρομή 1.2 Τρόπος Λειτουργίας 1.3 Εφαρμογές 1.4 Ευρεσιτεχνίες 1.5 Συσκευές 1.6 Πιεζοηλεκτρικοί Μετατροπείς 1.7 Ακουστικό Μικροσκόπιο Διαγνωστικού Κέντρου «Ορμύλια»

20 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο 10

21 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο Ενότητα 1 Ιστορική Αναδρομή Ακουστική μικροσκοπία είναι το είδος της μικροσκοπίας που χρησιμοποιεί υψηλές συχνότητες υπερήχων. Τα ακουστικά μικροσκόπια λειτουργούν μη καταστρεπτικά και «εισχωρούν» στα περισσότερα στερεά υλικά, ώστε να απεικονίζουν τα εσωτερικά τους χαρακτηριστικά. Η ιδέα περί ακουστικής μικροσκοπίας χρονολογείται στο 1936 όταν ο S.Ya. Sokolov πρότεινε μια συσκευή, η οποία θα παρήγαγε μεγεθυμένες όψεις μιας κατασκευής χρησιμοποιώντας ακουστικά κύματα συχνότητας 3 GHz [1]. Εξ αιτίας των τεχνολογικών περιορισμών της εποχής, τέτοιο όργανο δεν ήταν εφικτό να κατασκευαστεί. Αυτό ανατράπηκε όταν οι Dunn και Fry παρουσίασαν τα πρώτα τους πειράματα περί της ακουστικής μικροσκοπίας το 1959, αν και δεν λειτουργούσαν σε τόσο υψηλές συχνότητες. Μετά τα πρώτα πειράματα, η ακουστική μικροσκοπία εξελισσόταν με πολύ βραδείς ρυθμούς μέχρι το 1970, όταν εμφανίστηκαν δύο επιστημονικές ομάδες, η μία υπό τον C.F.Quate από το Πανεπιστήμιο Stanford και η άλλη υπό τους Α.Korpel και L.W.Kessler των εργαστηρίων Zenith Radio. Αυτές ασχολήθηκαν με την κατασκευή λειτουργικού ακουστικού μικροσκοπίου. Η ομάδα υπό τον Quate ξεκίνησε το 1973 να ασχολείται με την ανάπτυξη ενός concept, το οποίο οδήγησε στη δημιουργία του μοντέλου SAM (Scanning Acoustic Microscope), το οποίο επετύγχανε υψηλή ανάλυση εικόνων με πρωτότυπους τρόπους. Το SAM παρουσιάστηκε εμπορικά από τις εταιρείες Leitz και Olympus. Μετά ακολούθησε η ανάπτυξη του SLAM(Scanning Laser Acoustic Microscope), το οποίο είχε ένα laser σύστημα ανίχνευσης για το ακουστικό μικροσκόπιο. To 1984 η ομάδα του Kessler ολοκλήρωσε το μοντέλο 11

22 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο οργάνου C SAM το οποίο λειτουργούσε και με το ανακλώμενο κύμα και με το διαδιδόμενο κύμα. Αντιθέτως το SLAM λειτουργούσε μόνο με το διαδιδόμενο κύμα. Αυτού του είδους τα μικροσκόπια αποτελούν τους προγόνους των σύγχρονων μικροσκοπίων και η ανάπτυξή τους αποτέλεσε την απαρχή για πολλές μελλοντικές εξελίξεις όπως η τρισδιάστατη ακουστική εικόνα. Οι συχνότητες των υπερήχων στα ακουστικά μικροσκόπια κινούνται από το χαμηλό των 5 10 MΗz έως τα 2GHz και περισσότερο. «Κατά μήκους» αυτού του φάσματος ενυπάρχει ένας συμβιβασμός μεταξύ της διείσδυσης και της ανάλυσης. Οι χαμηλές συχνότητες έχουν καλύτερη διείσδυση, ενώ οι υψηλές δίνουν πολύ καλύτερη ανάλυση στο τελικό αποτέλεσμα. Η επιλεγόμενη συχνότητα για την απεικόνιση ενός συγκεκριμένου δείγματος εξαρτάται από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά αλλά και τα υλικά που αποτελείται το δείγμα. 12

23 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο Ενότητα 2 Τρόπος Λειτουργίας Το SAM αποτελεί μια συσκευή η οποία χρησιμοποιεί εστιασμένο ακουστικό σήμα για να ερευνήσει, να μετρήσει ή να απεικονίσει ένα αντικείμενο, μια διαδικασία γνωστή και ως Scanning Acoustic Tomography. Χρησιμοποιείται σε αναλύσεις σφαλμάτων και σε μη καταστρεπτικές αξιολογήσεις. Έχει ευρύ φάσμα εφαρμογών, ανάμεσα τους τη βιολογική και ιατρική έρευνα. Επίσης η βιομηχανία των ημιαγωγών το χρησιμοποιεί στον εντοπισμό κενών, σφαλμάτων και αστοχιών στα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Το σύστημα φακών (Εικ ) είναι η «καρδιά» ενός SAM. Ένα ακουστικό σήμα υψηλής συχνότητας παράγεται μέσα στο σύστημα φακών από ένα μετατροπέα. Το σήμα διαδίδεται μέσω ενός μέσου που διαθέτει υψηλή ακουστική αντίσταση και στη συνέχεια εστιάζεται,με τη βοήθεια ενός φακού, στο άλλο άκρο του μέσου. Αυτό είναι εμβαπτισμένο μέσα σε υγρό για να καλύψει το κενό μεταξύ των φακών και του εξεταζόμενου αντικειμένου. Η εμβάπτιση στο υγρό παρέχει ένα είδος ακουστικής συνέχειας καθώς επιτυγχάνεται ομαλή μετάβαση μεταξύ του μέσου και του αντικειμένου προς εξέταση. Η εστιασμένη δέσμη, που αλληλεπιδρά με το αντικείμενο, εν μέρει ανακλάται και διαχέεται από το αντικείμενο και εν μέρει διαδίδεται διαμέσου του αντικειμένου. Αν ανιχνεύεται το ανακλώμενο κύμα, τότε το μικροσκόπια λειτουργεί με την ανάκλαση. Όταν καταγράφεται το διαδιδόμενο ακουστικό κύμα από ένα δεύτερο φακό, τότε το μικροσκόπιο λειτουργεί με τη διάδοση. 13

24 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο Εικ Το σύστημα φακών ενός SAM [1] α) Μικροσκόπιο διάδοσης: 1 πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας, 2 φακός διάδοσης, 3 αντικείμενο, 4 scanner, 5 φακός λήψης, και 6 μετατροπέας λήψης. b) Μικροσκόπιο ανάκλασης: 1 πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας, 2 φακός, και 3 αντικείμενο. Αξίζει να επισημανθεί ότι έχει προταθεί ένας μεγάλος αριθμός τροποποιήσεων της βασικής αρχής του SAM, οι οποίες επεκτείνουν τη χρησιμότητα της μεθόδου. Έτσι η ανίχνευση της διαχεόμενης ακουστικής ακτινοβολίας από το αντικείμενο επιτυγχάνεται με την περιστροφή των φακών σε διάφορες γωνίες με αναφορά τον άξονα του φακού εκπομπής. Γιατί όμως το ακουστικό κύμα ανακλάται, διαχέεται και διαθλάται καθώς μεταβαίνει από το ένα μέσο στο άλλο; Ποιο είναι το χαρακτηριστικό των υλικών που μεταβάλλεται; Ουσιαστικά ποιο είναι το αντίστοιχο του δείκτη διάθλασης, που υπάρχει στη μετάβαση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος από το ένα μέσο στο άλλο; Αυτό που μεταβάλλεται και «αναγκάζει» το ακουστικό κύμα να αλλάξει πορεία είναι το μέγεθος Young modulus. Στη μηχανική στερεών, το Young modulus (E) είναι ένα μέτρο της σκληρότητας ενός μετάλλου. Ορίζεται ως ο λόγος της μονοαξονικής πίεσης προς τη μονοαξονική τάνυση, όπου ισχύει ο νόμος του Hooke. Αυτό μπορεί να προσδιοριστεί πειραματικά από την κλίση της καμπύλης πίεσης τάνυσης που δημιουργήθηκε κατά τη διάρκεια δοκιμών εφελκυσμού σε ένα δείγμα του υλικού [2]. 14

25 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο Το Υοung modulus είναι ο λόγος της πίεσης προς την τάνυση. Η τάνυση είναι αδιάστατο μέγεθος και άρα το Young modulus έχει μονάδες πίεσης, που στο σύστημα SI είναι το pascal(1pa=1n/m 2 ). Η τιμή του μεγέθους Young modulus δεν είναι πάντα ίδια για όλες τις διευθύνσεις ενός υλικού. Αν το υλικό είναι ανισοτροπικό, τότε η τιμή του Young modulus μεταβάλλεται εξαρτώμενη από την κατεύθυνση στην οποία εφαρμόζεται η δύναμη. Ένα ακουστικό κύμα συνήθως παράγεται από ένα πιεζοηλεκτρικό μετατροπέα. Έντονοι, μικροί ηλεκτρικοί παλμοί από το μηχάνημα υπερήχων αναγκάζουν το μετατροπέα να συντονίζεται στην επιθυμητή συχνότητα. Το ακουστικό κύμα εστιάζεται από το φακό που βρίσκεται μπροστά από το μετατροπέα και παράγει σφαιρικό ακουστικό κύμα από την επιφάνεια του αισθητήρα. Το κύμα ταξιδεύει στο σώμα και εστιάζεται σε ένα επιθυμητό βάθος. Η επιστροφή του ακουστικού κύματος στο μετατροπέα έχει το ίδιο αποτέλεσμα με την αποστολή του ακουστικού κύματος αλλά από την ανάποδη. Δηλαδή το επιστρεφόμενο ακουστικό κύμα αναγκάζει τον μετατροπέα να δονείται στη συχνότητα του και στη συνέχεια να μετατρέπει αυτή τη δόνηση σε ηλεκτρικούς παλμούς, οι οποίοι υποβάλλονται σε επεξεργασία και μετασχηματίζονται σε εικόνες. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά μεταξύ των ακουστικών αντιστάσεων, τόσο μεγαλύτερη είναι η ανάκλαση. Αν ο παλμός «συγκρουστεί» με αέριο ή στερεό, τότε η διαφορά στην πυκνότητα ή μάλλον καλύτερα στο Young modulus είναι τόσο μεγάλη που το μεγαλύτερο μέρος της ηχητικής ενέργειας ανακλάται και καθίσταται αδύνατο να διεισδύσει βαθύτερα το κύμα. Για αυτό το λόγο χρησιμοποιείται και η ειδική γέλη έτσι, ώστε να έχουμε μια ομαλή μεταβολή του Young modulus. 15

26 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο Τρεις διαφορετικοί τρόποι απεικόνισης χρησιμοποιούνται στην ακουστική εικόνα: Α mode: είναι ο πιο απλός τρόπος σάρωσης. Ένας μετατροπέας σαρώνει ένα σημείο (a scan) και η ανάκλαση απεικονίζεται σαν συνάρτηση του βάθους. Β mode: ένας μετατροπέας σαρώνει μια σειρά σημείων (b scan) και έχει ως αποτέλεσμα μια εικόνα που αποτελείται από τα διαδοχικά a scans των σημείων. C mode: ο μετατροπέας σαρώνει μία επιφάνεια σημείο προς σημείο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μία εικόνα που αποτελείται από τα διαδοχικά b scans των σειρών της επιφάνειας. 16

27 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο Ενότητα 3 Εφαρμογές Το ακουστικό μικροσκόπιο αποτελεί ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο και έχει διάφορες εφαρμογές στην Ιατρική, όπως και σε άλλες επιστήμες. Τα μεγαλύτερά του πλεονεκτήματα είναι η δυνατότητα να ξεχωρίζει τα συστατικά του αντικειμένου που εξετάζει ανάλογα με την ελαστικότητά τους και κυρίως το γεγονός πως δεν χρειάζεται καμιά επέμβαση στο αντικείμενο για να το παρατηρήσει. Οι εφαρμογές του ακουστικού μικροσκοπίου μπορούν να χωριστούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες. Στις ιατρικές, δηλαδή αυτές που λαμβάνουν χώρα πάνω στο ανθρώπινο σώμα, και σε όλες τις άλλες σχετικά με την τεχνολογία και την βιολογία. Μία πολύ σημαντική εφαρμογή είναι η παρατήρηση του μελανώματος στην έκθεσή του σε θερμική ακτινοβολία. Για την in vivo παρατήρηση ενός ζωντανού δερματικού καρκινικού κυττάρου χρησιμοποιήθηκε ένα ακουστικό μικροσκόπιο στο 1GHz. Η παρατήρηση έγινε καθώς το κύτταρο, το οποίο βρισκόταν σε ειδικό θάλαμο, δεχόταν ποσότητες θερμικής ακτινοβολίας. Τα κύτταρα τοποθετήθηκαν στην επιφάνεια ενός ειδικού υποστρώματος από ζαφείρι για να μεγιστοποιηθεί η διαφορά της εξασθένισης κατά την παρατήρησή τους. Η αύξηση της θερμοκρασίας έγινε σταδιακά από τους 37.5 C στους 50 C. Τα φαινόμενα που εμφανίστηκαν, όπως η συρρίκνωση, ήταν σαφώς ορατά [3]. Εκτός από το δέρμα, το ακουστικό μικροσκόπιο βρίσκει μεγάλη εφαρμογή και στην εξέταση παθήσεων του ανθρώπινου οφθαλμού [4, 5], με κυριότερη το μελάνωμα. Το μελάνωμα του οφθαλμού είναι μια σπάνια ασθένεια που προκαλείται κυρίως σε 17

28 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο άτομα με ανοιχτόχρωμα μάτια. Με τη βοήθεια του ακουστικού μικροσκοπίου μπορούμε να απεικονίσουμε καθαρά τον όγκο, καθώς επίσης και άλλες εσωτερικές δομές του ματιού που άλλες τεχνικές, όπως MRI, δεν μπορούν. Παράλληλα υπάρχει μία άλλη μελέτη που στόχος της ήταν να συγκριθεί η μέθοδος του ακουστικού μικροσκοπίου με την κλασική ιστοπαθολογική, πάνω στα χαρακτηριστικά του οπίσθιου χοριοειδούς μελανώματος. Η έρευνα έγινε σε 17 άτομα με χοριοειδές μελάνωμα. Με την ιστοπαθολογική μέθοδο χρησιμοποιήθηκαν δείγματα του οφθαλμού για τη διάγνωση, η οποία μας έδωσε όλα τα ζητούμενα αποτελέσματα. Από την άλλη όμως, με την ακουστική μέθοδο καταφέραμε να βγάλουμε συμπεράσματα ακριβείας in vivo για τον όγκο, καθώς επίσης και για την υπόλοιπη οφθαλμική περιοχή, χωρίς να χρειαστεί εγχείρηση [6]. Εικ Απεικόνιση όγκου στον οφθαλμό με χρήση ακουστικής μικροσκοπίας στα 30MHz Επίσης, το ακουστικό μικροσκόπιο είναι πιο αποτελεσματικό και από την κλασική υπερηχογραφία. Μία έρευνα που έγινε σε 45 άτομα, έδειξε πως στα 17 μόνο έγινε δυνατή η ανίχνευση του όγκου από κλασικό υπερηχογράφημα. Αντίθετα με την ακουστική μικροσκοπία είχαμε ακριβείς μετρήσεις και απεικόνιση των 18

29 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο χαρακτηριστικών όλων των όγκων. Επιπροσθέτως, τα περιθώρια των όγκων ήταν ορατά με ακρίβεια. Επομένως, η ακουστική μικροσκοπία απέδειξε πως είναι μια αναίμακτη τεχνική με την οποία μπορεί να γίνει παρατήρηση των όγκων στο εσωτερικό του ματιού [7]. Ακόμη, υπάρχουν κι άλλες εφαρμογές για τον οφθαλμό, μη εστιασμένες στο μελάνωμα. Με χρήση του ακουστικού μικροσκοπίου στη συχνότητα των 1000MHz έγινε εξέταση ενός φυσιολογικού αμφιβληστροειδή και του χρωστικού επιθηλίου και παρατηρήθηκε πως το ακουστικό κύμα εξασθενούσε σε δομές όπως τον κυτταρικό πυρήνα, τα ερυθρά αιμοσφαίρια και την οπτική χρωστική. Σε σύγκριση με την ίριδα ενός αλμπίνου παρατηρήθηκε πως η μελανίνη ήταν αυτό που εξασθενούσε πολύ την επιστροφή του ακουστικού κύματος [4]. Επιπροσθέτως, υπάρχουν πολλές εφαρμογές που στόχο έχουν το κυκλοφορικό σύστημα του ανθρώπου και την καρδιά. Για παράδειγμα, η ακουστική μικροσκοπία εφαρμόζεται και για την παρατήρηση της στεφανιαίας αρτηρίας. Με αυτή τη μέθοδο, μπορούμε να βγάλουμε επιπλέον συμπεράσματα από αυτά που μας δίνουν τα αγγειογραφήματα. Γίνεται με χρήση καθετήρα, συνήθως σε συνδυασμό με το αγγειογράφημα. Για να χωρέσει η κεφαλή του ακουστικού μικροσκοπίου μέσα στην στεφανιαία αρτηρία, έχει μέγεθος μικρότερο από ένα χιλιοστό. Η διαφορά από την κλασική αγγειογραφία είναι ότι με αυτή τη μέθοδο μπορούμε να διαγνώσουμε από άλλη οπτική γωνία τον θρόμβο μιας αρτηρίας. Έτσι, έχουμε καλύτερη άποψη για το πόσο φραγμένη είναι η αρτηρία ώστε να δώσουμε την κατάλληλη αγωγή [8]. Επίσης, μετά από χειρουργική επέμβαση επανατοποθέτησης των αγγείων του μυοκαρδίου, το μυοκάρδιο δεν είναι πλέον απόλυτα υγιές. Η παρακολούθηση της απώλειας των πρωτεϊνών και η συσσώρευση του γλυκογόνου σε ένα τέτοιο 19

30 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο μυοκάρδιο αποτελεί την βάση για τη διάγνωσή του. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με τη βοήθεια του ακουστικού μικροσκοπίου, μέσω της παρατήρησης των κυτταρικών δομών ενός κανονικού με ένα ασθενές μυοκάρδιο. Μετά από μελέτες με ακουστικό μικροσκόπιο, παρατηρήθηκαν στα φυσιολογικά καρδιακά κύτταρα ενδοκυτταρικές δομές/οργανίδια που ονομάζονται μυο ινίδια (myofibrils). Αντιθέτως, στα κύτταρα ενός ασθενούς μυοκαρδίου δεν υπήρχαν μυο ινίδια. Έτσι, έχουμε μια σαφέστατη διάγνωση ενός μυοκαρδίου. Μελέτη έχει γίνει και σε ιστό ανθρώπινου μυοκαρδίου, ο οποίος είχε υποστεί έμφραγμα, με τη βοήθεια ενός ακουστικού μικροσκοπίου που λειτουργούσε στα 200MHz. Εξετάστηκαν δείγματα μυοκαρδίων από δέκα περιπτώσεις με οξύ έμφραγμα. Οι τιμές της εξασθένισης ήταν μεγαλύτερες στα φυσιολογικά μυοκάρδια όπως επίσης και οι τιμές της ταχύτητας του ήχου. Έτσι μέσω του ακουστικού μικροσκοπίου μπορούμε να πάρουμε πολλές πληροφορίες για ένα ασθενές μυοκάρδιο που βοηθούν μακροσκοπικά στη διάγνωση [9]. Εικ Απεικόνιση ανευρύσματος αορτής με χρήση ακουστικής μικροσκοπίας στα 200MHz Τελειώνοντας με τις εφαρμογές σχετικά με την καρδιά, σε ένα αορτικό ανεύρυσμα, τα μακροφάγα και η έκκριση μεταλλοπρωτεινάσων παίζουν σημαντικό ρόλο στη φθορά των ιστών. Έρευνες έχουν δείξει πως η αδυναμία των μηχανικών ιδιοτήτων των φθαρμένων ιστών οδηγεί στη διεύρυνση του ανευρύσματος. Μέσω ενός ακουστικού μικροσκοπίου στη συχνότητα των 200MHz εκτιμήθηκαν οι μηχανικές 20

31 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο ιδιότητες του ιστού ανευρύσματος αορτής, μετρώντας τις ακουστικές ιδιότητες των ιστών. Παρατηρήθηκε πως η ταχύτητα του ήχου ήταν μικρότερη σε αορτή με ανεύρυσμα σε σχέση με μία φυσιολογική. Εφόσον η ταχύτητα του ήχου είναι ανάλογη με την ελαστικότητα των ιστών, αποδεικνύει πως η ελαστικότητα των ιστών της αορτής με ανεύρυσμα είναι μικρότερη και όσο μικραίνει η ελαστικότητα, τόσο έχουμε αύξηση της διαμέτρου του ανευρύσματος [10,11]. Εικ Απεικόνιση καρκινικού όγκου σε μαστό με τη βοήθεια ακουστικής μικροσκοπίας Δύο ακόμη εφαρμογές που αφορούν τις γυναίκες είναι η εξέταση του μαστού και της μήτρας. Ένα ακουστικό μικροσκόπιο χρησιμοποιήθηκε για την διάγνωση ιστών του μαστού. Μέσα από αυτή τη μελέτη διαπιστώθηκε πως μπορούν να απεικονιστούν τα διάφορα συστατικά των ιστών και να διακριθούν λόγω της διαφοράς τους στην ελαστικότητα. Αυτό δεν μπορεί να επιτευχθεί με την οπτική μικροσκοπία κάτι που καθιστά το ακουστικό μικροσκόπιο ένα σημαντικό εργαλείο για τη παρατήρηση ιστών του μαστού, κάτι που μπορεί να διαπιστωθεί και από την Εικ Μια άλλη διαδικασία μπορεί να διευκολύνει την διάγνωση ασθενειών της μήτρας. Οι έρευνες έγιναν σε γυναίκες που βρίσκονταν στην εμμηνόπαυση και που είχαν μη φυσιολογικές αιμορραγίες, κάτι που μερικές φορές είναι αναμενόμενο. 21

32 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο Μέχρι πρότινος, η βιοψία του ενδομητρίου γινόταν στα τυφλά. Με το ακουστικό μικροσκόπιο πλέον μπορούμε να δούμε στο εσωτερικό της μήτρας και να ελέγξουμε για το αν υπάρχει όγκος, ώστε να δράσουμε ανάλογα. Κατά τη διαδικασία, τα υγρά φαίνονται σκούρα, ενώ οι ιστοί ανοιχτόχρωμοι και έτσι μπορεί να διαγνωσθεί με ευκολία η ύπαρξη όγκου, ώστε να γίνει εύκολα η βιοψία [12, 13]. Το ακουστικό μικροσκόπιο βρίσκει εφαρμογές και κατά την εξέταση οργάνων του ανθρώπου όπως το ήπαρ, όπου έγινε εξέταση σε ιστό στη συχνότητα των 25MHz για να γίνει διάγνωση. Ακόμη στα νεφρά χρησιμοποιήθηκε για την διαφοροποίηση μεταξύ του αγγειομυολιπώματος του νεφρού, που αποτελεί καλοήθη όγκο, με τον καρκίνο των νεφρών. Χρησιμοποιήθηκαν συχνότητες μεταξύ 100 και 200MHz και η εξασθένιση του ακουστικού κύματος μετρούνταν σε δύο διαστάσεις. Η ταχύτητα του ήχου ήταν κατά πολύ μικρότερη στα κύτταρα του λιπώματος απ'ό,τι στα αγγεία, τις μυϊκές ίνες και τα καρκινικά κύτταρα. Η σταθερά εξασθένησης ήταν μικρότερη στα κύτταρα του λιπώματος απ'ό,τι στα αγγεία και τα φυσιολογικά κύτταρα. Έτσι, με το ακουστικό μικροσκόπιο μπορεί να γίνει αντιληπτή η διαφορά μεταξύ του αγγειομυολιπώματος του νεφρού με τον καρκίνο των νεφρών πράγμα πολύ σημαντικό για την θεραπεία που θα πρέπει να ακολουθήσει ο ασθενής [14, 15]. Εικ Απεικόνιση οστού με οστεοπόρωση με τη βοήθεια ακουστικής μικροσκοπίας 22

33 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο Πολύ σημαντική είναι και η έρευνα που έγινε για τη μελέτη της αλλαγής των ακουστικών ιδιοτήτων των οστών ατόμων με οστεοπόρωση, στη συχνότητα των 200MHz. Μία απεικόνιση οστού με οστεοπόρωση με τη βοήθεια ακουστικής μικροσκοπίας φαίνεται στην Εικ Η έρευνα έγινε σε οστά της λεκάνης, όπου συνήθως μετράται η σοβαρότητα της ασθένειας, και έδειξε πως όσο πιο σοβαρό είναι το περιστατικό, τόσο μικρότερη είναι η αντίσταση του ακουστικού κύματος [16]. Ακόμη, το ακουστικό μικροσκόπιο είναι ένα ισχυρό συμπλήρωμα στις διαθέσιμες τεχνικές για την παρακολούθηση των οσταρίων του αυτιού. Οι διαφορές της φωτεινότητας που εμφανίζει το ακουστικό μικροσκόπιο οφείλονται στην απόκριση του υλικού στα ακουστικά κύματα και παρέχουν πληροφορίες για τις ακουστομηχανικές ιδιότητες όπως η ακουστική εμπέδηση, σε μικροσκοπική κλίμακα [17]. Σχετικά με τις εφαρμογές που αφορούν τη βιολογία, έγιναν μελέτες όπου με τη χρήση του ακουστικού μικροσκοπίου μπορούμε να παρακολουθήσουμε, σε πραγματικό χρόνο, καλλιέργειες μικροοργανισμών χωρίς παρέμβαση σε αυτές κάτι που είναι πολύ σημαντικό. Έτσι μπορούμε να καταλάβουμε καλύτερα τη δομή τους σε τρισδιάστατη μορφή [18]. Επιπροσθέτως, το σχήμα και η ελαστικότητα ενός καλλιεργημένου ενδοθηλιακού κυττάρου μπορεί να αλλάξει αν ασκήσουμε πάνω του κάποια συγκεκριμένη δύναμη μέσω ρευστού. Μετά από την άσκηση της δύναμης, το κύτταρο παρατηρήθηκε με ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο και το σχήμα του είχε αλλάξει από σφαιρικό σε μακρόστενο. Η ελαστικότητα μετρήθηκε με τη βοήθεια ενός AFM (Atomic Force Microscope). Παρόλα αυτά, με αυτές τις μεθόδους δεν μπορέσαμε να καταλάβουμε αν η αλλαγή της ελαστικότητας εφαρμόζεται μόνο στην επιφάνεια 23

34 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο του κυττάρου ή και στο εσωτερικό του. Γι'αυτό το λόγο χρησιμοποιήθηκε ένα ακουστικό μικροσκόπιο, το οποίο έχει μερικά πλεονεκτήματα όπως την εξέταση invivo και κυρίως την παροχή της πληροφορίας της ελαστικότητας για ολόκληρο τον όγκο του κυττάρου [19]. Τέλος, υπάρχουν και εμπορικές εφαρμογές στις οποίες το ακουστικό μικροσκόπιο παίζει σημαντικό ρόλο, όπως για τη μελέτη και τον έλεγχο της δομής πολυμερών, για τον έλεγχο ποιότητας ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, όπου η συχνότητα του ακουστικού μικροσκοπίου φτάνει τα 2GHz, καθώς επίσης και για την εξακρίβωση της γνησιότητας έργων τέχνης. Εικ Απεικόνιση συνδέσεων ενός μικροεπεξεργαστή με χρήση ακουστικής μικροσκοπίας στα 1000MHz 24

35 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο Ενότητα 4 Ευρεσιτεχνίες Scanning Acoustic Microscope with Profilometer Function US (A1) Ημερομηνία Δημοσίευσης: Εφευρέτης(ες): Καταθέτης(ες): KESSLER LAWRENCE W [US]; ORAVECZ MICHAEL G [US]; GUO ZHIQI [US] SONOSCAN INC [US] Σύμφωνα με την συγκεκριμένη ευρεσιτεχνία, παρέχεται μια συσκευή ακουστικής μικροσκοπίας, η οποία είναι ικανή να δημιουργεί εικόνες από διάφορα προφίλ ενός δείγματος συμπεριλαμβανομένου και ενός επιφανειακού προφίλ, ενός εσωτερικού ή και συνδυασμό και των δύο. Επίσης σύμφωνα με άλλη πτυχή της ευρεσιτεχνίας, η συσκευή ακουστικής μικροσκοπίας σάρωσης μπορεί ταυτόχρονα να συλλέγει και να εμφανίζει μια ακουστική εσωτερική εικόνα του δείγματος. Τέλος το ακουστικό μικροσκόπιο σάρωσης μπορεί να ρυθμιστεί για να εμφανίζει ταυτόχρονα ένα επιφανειακό προφίλ, μια χρονική απεικόνιση του σήματος, μια συχνοτική απεικόνιση του σήματος ή την παρουσίαση οποιωνδήποτε χαρακτηριστικών πάνω ή μέσα στο δείγμα. 25

36 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο Sound speed scanning acoustic microscopy for biomedical applications Yoshifumi Saijo, Hidehiko Sasaki, Naohiro Hozumi, Kazuto Kobajashi, Motonao Tanaka, Tomoyuke Tambre Από το 1985, έχουμε την ανάπτυξη ενός ακουστικού μικροσκοπίου σάρωσης (SAM), που αποτελεί σύστημα για βιοϊατρική κυρίως χρήση κι έτσι έχουν εξεταστεί οι ακουστικές ιδιότητες διαφόρων οργάνων και καταστάσεων των ασθενειών με τη χρήση αυτής της συσκευής. Στη βιοϊατρική, το SAM είναι χρήσιμο για εσωτερική παθολογική εξέταση, τη μελέτη εικόνων χαμηλής συχνότητας υπερήχων και εκτίμηση των βιολογικών δραστηριοτήτων σε μικροσκοπικό επίπεδο. Πρόσφατα, έχει προταθεί μια νέα ιδέα για την ακουστική μικροσκοπία, χρησιμοποιώντας ένα μόνο παλμικό κύμα αντί των συνεχών κυμάτων, που χρησιμοποιούνται σε συμβατικά συστήματα SAM. Στην παρούσα μελέτη γίνεται σύγκριση των δύο συστημάτων με τη μέτρηση των ίδιων βιολογικών υλικών. Η εικόνα της ταχύτητας του ήχου που δημιουργήθηκε από το καινούριας φιλοσοφίας ακουστικό μικροσκόπιο είναι παρόμοια με αυτή που λαμβάνεται από τα συμβατικά συστήματα SAM. Στη συχνοτική ανάλυση του πλάτους και της φάσης και οι δύο μέθοδοι έδειξαν παρόμοια χαρακτηριστικά. Αν και το παράθυρο παρατήρησης για την απόκτηση των δεδομένων ήταν μεγαλύτερό από ότι στα συμβατικά SAM, ο συνολικός χρόνος που απαιτείται για την επεξεργασία ήταν σημαντικά μικρότερος. 26

37 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο Enhanced Ultra High Resolution Acoustic Microscope WO (A1) Ημερομηνία Δημοσίευσης: Εφευρέτης(ες): Καταθέτης(ες): MARIS HUMPHREY J [US]; NURMIKKO ARTO V [US] UNIV BROWN [US]; MARIS HUMPHREY J [US]; NURMIKKO ARTO V [US] Ένας οπτικοακουστικός μετατροπέας περιλαμβάνει τουλάχιστον ένα μέταλλο ή μία ταινία ημιαγωγού, στην οποία απορροφάται ένα μέρος του φωτός από την αντίστοιχη αντλία για να δημιουργήσει έναν ακουστικό παλμό, και τουλάχιστον μία διηλεκτρική ταινία. Το πάχος και οι οπτικές ιδιότητες του μετάλλου ή της ημιαγώγιμης ταινίας αλλά και της διηλεκτρικής ταινίας επιλέγονται έτσι, ώστε ο παλμός της ανάκλασης να έχει ως αποτέλεσμα μια μετρήσιμη αλλαγή της οπτικής ανακλαστικότητας ή και κάποιας άλλης οπτικής ιδιότητας του μετατροπέα. Ο μετατροπέας αποτελείται από μια αντηχητική κοιλότητα και μια επιφάνεια εξόδου που είναι διαμορφωμένη έτσι, ώστε να μην παρέχει σημαντική εστίαση στα ακουστικά κύματα που δημιουργούνται, όταν τα ακουστικά κύματα κατευθύνονται προς την επιφάνεια του δείγματος. 27

38 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο Acoustic imaging microscope G01B 9/02 ( ) Ημερομηνία Δημοσίευσης: Εφευρέτης(ες): Καταθέτης(ες): Deason; Vance A. (Idaho Falls, ID), Telschow; Kenneth L. (Idaho Falls, ID) Battelle Energy Alliance, LLC (Idaho Falls, ID) Ένα σύστημα απεικόνισης περιλαμβάνει: μία πηγή μετώπων κύματος και ένα οπτικό μικροσκόπιο, τα οποία είναι τοποθετημένα στην κατεύθυνση του μετώπου κύματος μέσα σε μια περιοχή της δονούμενης επιφάνειας που βρίσκεται μέσα στο πεδίο «θέασης» του μικροσκοπίου, κι έτσι κατευθύνεται ένα διαμορφωμένο μέτωπο κύματος, που αντανακλάται από την επιφάνεια μέσω ενός διαθλαστικού υλικού. Μία πηγή αναφοράς μετώπων κύματος και ένας διαμορφωτής φάσης τοποθετούνται έτσι, ώστε να κατευθύνουν το μέτωπο κύματος αναφοράς μέσω του διαμορφωτή φάσης και αυτό μέσω του διαθλαστικού υλικού, για να συνδυαστεί με το διαμορφωμένο μέτωπο κύματος. Το διαθλαστικό υλικό έχει μια σύνθεση και μια θέση τέτοια που η «συμπλοκή» του διαμορφωμένου μετώπου κύματος και του διαμορφωμένου μετώπου κύματος αναφοράς συμβαίνει μέσα στο διαθλαστικό υλικό παρέχοντας σε όλη την έκταση του πεδίου, σε πραγματικό χρόνο, την εικόνα του σήματος από όλη την επιφάνεια. 28

39 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο Ενότητα 5 Συσκευές Υπάρχει μια πληθώρα εταιριών που ασχολείται με την κατασκευή ακουστικών μικροσκοπίων. Μεγάλες χρήσεις βρίσκουν στην βιομηχανία ηλεκτρονικών, όπου η ανάγκη για μεγιστοποίηση του κέρδους απαιτεί μη καταστρεπτικές μεθόδους για γρήγορο έλεγχο της παραγωγής, καθώς επίσης και στην ιατρική για την εξέταση διαφόρων παθήσεων που οδηγεί σε μια πιο εύκολη διάγνωση. Οι μεγαλύτερες εταιρίες σε αυτό το χώρο είναι οι: KSI Sonix Kibero Sonoscan Ultrasonic Sciences Ltd Matec Το state of the art κάθε εταιρίας είναι αντίστοιχα το SAM 2000 της KSI, το οποίο λειτουργεί σε συχνότητες από 100MHz μέχρι 2 GHz, προσφέροντας ανάλυση μέχρι και 0.4μm. Το Fusion 3600 της Sonix, το οποίο λειτουργεί σε συχνότητες από 5MHz μέχρι 260MHz, το SASAM της Kibero το οποίο είναι ειδικά σχεδιασμένο για ιατρικές εφαρμογές και λειτουργεί σε συχνότητες από 100MHz μέχρι 2 GHz. Η Sonoscan κατασκευάζει το FACTS2, το οποίο σχεδιάστηκε για τον έλεγχο ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και μπορεί να ελέγξει μέχρι και ολοκληρωμένα την ώρα. Επίσης, υπάρχει και το ICAM της Ultrasonic Sciences το οποίο σχεδιάστηκε για τον ίδιο λόγο όμως λειτουργεί σε μικρότερες συχνότητες που φτάνουν μέχρι τα 75MHz και τέλος το MI SCAN της Matec, το οποίο λειτουργεί σε συχνότητες μεταξύ 5 και 300MHz και είναι ειδικά σχεδιασμένο να ελέγχει ολοκληρωμένα κυκλώματα. Τα φυλλάδια των κατασκευαστών για κάθε μία από τις παραπάνω συσκευές παρουσιάζονται στο παράρτημα. 29

40 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο Ενότητα 6 Πιεζοηλεκτρικοί Μετατροπείς Η ακουστική μικροσκοπία εκμεταλλεύεται την πιεζοηλεκτρική ιδιότητα ορισμένων υλικών, σύμφωνα με την οποία αν ασκήσεις κάποια πίεση(μηχανικό ακουστικό κύμα) στο υλικό αυτό, τότε παράγεται μια ανάλογη ηλεκτρική τάση. Στο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο εντάσσεται και η ανάστροφη διαδικασία, κατά την οποία το υλικό παραμορφώνεται με αποτέλεσμα την παραγωγή ενός μηχανικού/ακουστικού κύματος, όταν βρεθεί κάτω από ηλεκτρική τάση. Ο πιεζοηλεκτρισμός ανακαλύφθηκε από τον Πιερ Κιουρί το Παραδείγματα υλικών με πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες είναι ο χαλαζίας (SiO 2 ), το αλάτι Rochelle ή Seignette, το ADP (ammonium dihydrogen phosphate NH 4 H 2 PO 4 ), το lithium sulphate (LiSO 4.H 2 O), ο τουρμαλίνης, το συνθετικό πολυμερές PVDF (polyvinylidene difluoride),το μονοξείδιο του ψευδαργύρου (ZnO) που χρησιμοποιείται μάλιστα ευρύτατα στην ακουστική μικροσκοπία και το quartz(sio 2 ) [20,23]. Το πάχος του πιεζοηλεκτρικού υλικού καθορίζει την επιθυμητή συχνότητα λειτουργίας, που θέλουμε να έχει ο αισθητήρας μας. Όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα λειτουργίας του transducer, τόσο πιο λεπτό πρέπει να είναι το πλακίδιο του πιεζοηλεκτρικού υλικού, γεγονός που αποτελεί ανασταλτικό παράγοντα στην κατασκευή αισθητήρων πολύ υψηλών συχνοτήτων της τάξης των GHz. Οι συχνότητες των υπερήχων στα ακουστικά μικροσκόπια κινούνται από το χαμηλό των 5 10 MΗz έως και τα μερικά GHz πλέον. «Κατά μήκους» αυτού του φάσματος ενυπάρχει ένας συμβιβασμός μεταξύ της διείσδυσης και της ανάλυσης. Οι χαμηλές συχνότητες έχουν καλύτερη διείσδυση ενώ οι υψηλές δίνουν πολύ καλύτερη ανάλυση στο τελικό αποτέλεσμα. Η επιλεγόμενη συχνότητα για την εικονοποίηση 30

41 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο ενός συγκεκριμένου δείγματος εξαρτάται από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά αλλά και τα υλικά που αποτελείται το δείγμα. Ακουστικά μικροσκόπια, τα οποία λειτουργούν στην κλίμακα των GHz είναι εμπορικά διαθέσιμα και συγκεκριμένα από τις εταιρείες Kibero και KSI με τα μοντέλα Kibero SASAM και KSI SAM 2000 αντίστοιχα. Στη βιβλιογραφία παρουσιάζεται μία μέθοδος κατασκευής με την οποία μπορούν να κατασκευαστούν μετατροπείς(transducer), οι οποίοι λειτουργούν στην κλίμακα των GHz και ο φακός τους είναι βασισμένος στο πυρίτιο. Επίσης με τη μέθοδο αυτή αποφεύγεται ο θόρυβος από την εσωτερική κοιλότητα του φακού. Στη συγκεκριμένη μέθοδο [21], η μικρομηχανουργική διαδικασία εμπλουτίζεται με μια ξηρή χάραξη του φακού, γεγονός που βοηθά στη μείωση της ανάκλασης και που με τη σειρά του έχει ως αποτέλεσμα να χρησιμοποιούμε αυτούς τους φακούς με καλύτερο λόγω σήματος προς θόρυβο. Επίσης μια τεχνική, εξαιρετικά ελπιδοφόρα είναι η κατασκευή transducer επιφανειακού ακουστικού κύματος (Surface Acoustic Wave) με τη βοήθεια της νανολιθογραφίας, τεχνική που μας επιτρέπει να αποφύγουμε το πρόβλημα του πολύ λεπτού πλακιδίου του πιεζοηλεκτρικού υλικού. Στη βιβλιογραφία προτείνεται η κατασκευή των transducer SAW πάνω σε υπόστρωμα LiNbO 3, το οποίο έχει το πλεονέκτημα του μεγάλου ηλεκτρομηχανικού συντελεστή ζεύξης, γεγονός που το καθιστά ιδανικό για υπόστρωμα συσκευών SAW. Η τεχνική αυτή υπόσχεται ότι μπορεί να φθάσει τη συχνότητα λειτουργίας των transducer έως και στα 20 GHz και όλα αυτά εξαιτίας της νανολιθογραφίας [22]. 31

42 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο Ενότητα 7 Ακουστικό Μικροσκόπιο Διαγνωστικού Κέντρου «Ορμύλια» Η βασική διάταξη του ακουστικού μικροσκοπίου παρουσιάζεται στην Εικ Ο πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας (transducer) διεγείρεται με παλμό πλάτους 200Vp p από έναν πομπό που έχει ένα εύρος φάσματος της τάξης των 400MHz. Ο τρόπος λειτουργίας που επιλέγεται είναι εκπομπής και λήψης (Pulse / Echo operation mode) με ελεγχόμενο το ρυθμό διέγερσης του πιεζοηλεκτρικού μετατροπέα. Το σήμα που λαμβάνεται από τον πιεζοηλεκτρικό μετατροπέα ενισχύεται χρησιμοποιώντας έναν προενισχυτή και ψηφιοποιείται από τον μετατροπέα A/D (μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό ADC). Ο μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό έχει συχνότητα δειγματοληψίας 2GSamples/s [24]. Εικ Διάγραμμα διάταξης ακουστικού μικροσκοπίου 32

43 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο Ο πομπός/δέκτης έχει ένα έχει εύρος φάσματος των 400MHz. Η μπροστινή και οπίσθια άποψη φαίνεται στην Εικ Ο προενισχυτής χρησιμοποιείται επίσης για την ενίσχυση των λαμβανόμενων σημάτων από τον πιεζοηλεκτρικό μετατροπέα. Εικ Πομπός με εύρος εκπομπής 400MHz και δέκτης Οι πιεζοηλεκτρικοί μετατροπείς που χρησιμοποιήθηκαν ανήκουν στην ευρύτερη κατηγορία των πιεζοηλεκτρικών μετατροπέων εμβάπτισης και αποτελούνται από το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο, μία γραμμή καθυστέρησης (delay line) και έναν φακό εστίασης του ακουστικού κύματος. Η γραμμή καθυστέρησης τοποθετείται μετά το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο και σκοπό έχει να βελτιώσει τη διακριτική ικανότητα του πιεζοηλεκτρικού μετατροπέα. Η γραμμή καθυστέρησης (delay line) καθυστερεί τόσο το ακουστικό σήμα που εξέρχεται από τον αισθητή, όσο και αυτό που εισέρχεται, και με αυτό τον τρόπο επιτρέπει στο πιεζοηλεκτρικό στοιχείο να σταματήσει την ταλάντωσή του, πριν την έλευση μιας ανάκλασης. Ο φακός που τοποθετείται στο άκρο και του πιεζοηλεκτρικού μετατροπέα σκοπό έχει να συγκεντρώσει τη δέσμη του 33

44 1. Ακουστικό Μικροσκόπιο εξερχόμενου ηχητικού κύματος, επιτυγχάνοντας έτσι μεγαλύτερη ευαισθησία. Οι συχνότητες λειτουργίες των πιεζοηλεκτρικών μετατροπέων που χρησιμοποιήθηκαν είναι τα 110 MHz και τα 175 MHz. Τέλος περιγράφεται εν συντομία ο μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό σήμα. Υποστηρίζει την είσοδο δύο αναλογικών σημάτων (2 κανάλια Α και Β) με ανάλυση 8bit σε ένα ρυθμό δειγματοληψίας μέχρι 2.0GSamples/sec. Τα δεδομένα που προκύπτουν εισάγονται σε διάταξη προγραμματιζόμενης λογικής (FPGA), όπου μπορούν είτε να υποβληθούν σε επεξεργασία σε πραγματικό χρόνο είτε να αποθηκευτούν χρησιμοποιώντας την ενσωματωμένη μνήμη που υπάρχει στον μετατροπέα. Είναι πολύ σημαντική η δυνατότητα επεξεργασίας σε πραγματικό χρόνο έτσι ώστε ο χρήστης να έχει τη δυνατότητα παρατήρησης του φαινομένου κατά τη διαδικασία λήψης και να αντιδράσει όταν η διαδικασία έχει εκτραπεί από τον επιθυμητό στόχο. Αυτό μπορεί να συμβεί πολύ εύκολα δεδομένου ότι η δραστηριότητα των αντηχήσεων των στρωμάτων διαρκεί τελικά μόνο μερικές δεκάδες nsec οπότε σε περίπτωση που το ανάγλυφο του αντικειμένου μεταβληθεί σε «ύψος» μερικές δεκάδες μικρά μπορεί οι αντηχήσεις να μην λαμβάνονται στο παράθυρο παρατήρησης που έχει οριστεί. Το μοντέλο A/D Converter που χρησιμοποιείται είναι της Acquisition Logic AL8XG. Εικ Ο μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό που χρησιμοποιήθηκε (2Gs/s) 34

45 Κεφάλαιο 2 ο Τεχνικές Βελτίωσης της Ανάλυσης της Εικόνας 2.1 Ανάλυση του προβλήματος 2.2 Αύξηση Συχνότητας Λειτουργίας 2.3 Synthetic Aperture Radar (SAR) 2.4 Sparse Signal Representation

46 2. Τεχνικές Βελτίωσης Ανάλυσης της Εικόνας 36

47 Ενότητα 1 Ανάλυση του προβλήματος 2. Τεχνικές Βελτίωσης Ανάλυσης της Εικόνας Με κατάλληλη επεξεργασία των δεδομένων που λαμβάνονται με το ακουστικό μικροσκόπιο δημιουργούνται εικόνες που αναλύουν την εσωτερική δομή του στόχου. Παρόλο που έχουμε ικανοποιητικά αποτελέσματα, θα ήταν επιθυμητή η αύξηση της ανάλυσης των εικόνων, ώστε να μπορούν να απεικονιστούν εσωτερικές δομές μικρότερης κλίμακας. Προτάθηκαν τριών ειδών λύσεις για την αντιμετώπιση του παραπάνω προβλήματος. Αρχικά, προτάθηκε η αύξηση της συχνότητας λειτουργίας του πιεζοηλεκτρικού μετατροπέα. Δεδομένου ότι το βήμα σάρωσης του ακουστικού μικροσκοπίου μπορεί να φτάσει σε επίπεδα nm είναι μία λύση η οποία θα είχε άμεσα αποτελέσματα ως προς την αύξηση της ανάλυσης της τελικής εικόνας. Έπειτα προτάθηκαν λύσεις ως προς την επεξεργασία των δεδομένων που λαμβάνονται με το υπάρχον σύστημα. Πιο συγκεκριμένα, προτάθηκαν η λύση του Συνθετικού Διαφράγματος και της Αραιής Αναπαράστασης Σήματος (Sparse Signal Representation). Η τεχνική του Συνθετικού Διαφράγματος αποτελεί μία λύση που βελτιώνει την ανάλυση με την λήψη περισσότερων δεδομένων για ένα σημείο και την κατάλληλη επεξεργασία τους. Είναι μια τεχνική που εφαρμόζεται σε πραγματικό χρόνο κατά την σάρωση του στόχου. Από την άλλη, η τεχνική της Αραιής Αναπαράστασης Σήματος αποτελεί μία μέθοδο για την εκ των υστέρων επεξεργασία των λαμβανομένων δεδομένων. Μέσω αυτής της τεχνικής μπορούν να βρεθούν οι ανακλάσεις στον άξονα του χρόνου. Οι δύο αλγόριθμοι που εξετάστηκαν ήταν οι Basis Pursuit (BP) και Matching Pursuit (MP). 37

48 2. Τεχνικές Βελτίωσης Ανάλυσης της Εικόνας Ενότητα 2 Αύξηση συχνότητας λειτουργίας Η πρώτη σκέψη, που έδινε λύση στο πρόβλημα της αύξησης της ανάλυσης, αποτελεί η αύξηση της συχνότητας λειτουργίας του πιεζοηλεκτρικού μετατροπέα. Είχαμε δύο επιλογές για την υλοποίηση αυτής της ιδέας. Αρχικά να ερευνήσουμε για έτοιμες λύσεις από τις εξειδικευμένες εταιρείες κατασκευής ακουστικών μικροσκοπίων ή να προχωρήσουμε σε δική μας σχεδίαση. Οι εταιρείες που διαθέτουν συστήματα ακουστικού μικροσκοπίου με πιεζοηλεκτρικό μετατροπέα, που υποστηρίζουν συχνότητες λειτουργίες έως και 2GHz είναι η Kibero και η KSI. Το κόστος αυτών των λύσεων ήταν απαγορευτικό, για να προχωρήσει αγορά έτοιμου συστήματος. Σχετικά με τη σχεδίαση από μέρους μας έγινε κάποια έρευνα στην αντίστοιχη βιβλιογραφία και βρέθηκε μια τεχνική, εξαιρετικά ελπιδοφόρα για την κατασκευή transducer επιφανειακού ακουστικού κύματος (Surface Acoustic Wave) με τη βοήθεια της νανολιθογραφίας. Αυτή η τεχνική μας επιτρέπει να αποφύγουμε το πρόβλημα του πολύ λεπτού πλακιδίου του πιεζοηλεκτρικού υλικού. Στη βιβλιογραφία προτείνεται η κατασκευή των transducer SAW πάνω σε υπόστρωμα LiNbO 3, το οποίο έχει το πλεονέκτημα του μεγάλου ηλεκτρομηχανικού συντελεστή ζεύξης, γεγονός που το καθιστά ιδανικό για υπόστρωμα συσκευών SAW. Η τεχνική αυτή υπόσχεται ότι μπορεί να φθάσει τη συχνότητα λειτουργίας των transducer έως και στα 20 GHz και όλα αυτά εξαιτίας της νανολιθογραφίας [22]. Η κατασκευή πιεζοηλεκτρικού μετατροπέα επιφανειακού ακουστικού κύματος απαιτεί ιδιαίτερο εξοπλισμό, που συναντάται μόνο σε εξειδικευμένα ερευνητικά κέντρα. Επομένως η κατασκευή εκ μέρους μας δεν κατέστη δυνατή. 38

49 Ενότητα 3 Synthetic Aperture Radar 2. Τεχνικές Βελτίωσης Ανάλυσης της Εικόνας Το SAR, αρκτικόλεξο του Synthetic Aperture Radar (Ραντάρ συνθετικού διαφράγματος), είναι ένα είδους ραντάρ το οποίο λαμβάνει και επεξεργάζεται πολλαπλές εικόνες ραντάρ από το ίδιο σημείο με αποτέλεσμα την κατασκευή εικόνων υψηλότερης ανάλυσης από ό,τι θα ήταν δυνατό με συμβατικά μέσα. Το SAR επιτυγχάνεται είτε με μια κεραία τοποθετημένη σε μια κινούμενη πλατφόρμα που χρησιμοποιείται για το "φωτισμό" του στόχου ή πολλές χαμηλής κατευθυντικότητας μικρές σταθερές κεραίες διασκορπισμένες σε μια περιοχή κοντά στην περιοχή στόχο. Οι διάφορες κυματομορφές της ηχούς του στόχου που λαμβάνονται λόγω των διαφορετικών θέσεων της κεραίας επεξεργάζονται εκ των υστέρων με αποτέλεσμα την καλύτερη απεικόνιση του στόχου. Το SAR έχει ήδη μεγάλη εφαρμογή στην τηλεπισκόπηση και τη χαρτογράφηση [25]. Εικ Απεικόνιση της τεχνικής συνθετικού διαφράγματος 39

50 2. Τεχνικές Βελτίωσης Ανάλυσης της Εικόνας Η πληροφορία που λαμβάνουμε μέσω της μεθόδου SAR είναι [26]:,,, (2.3.1) Όπου το είναι σημείο της πορείας πτήσης, το σημείο του εδάφους που στοχεύει το ραντάρ, c η ταχύτητα του φωτός, η Α είναι μια συνάρτηση που περιγράφει ένα μέγεθος που περιέχει παράγοντες όπως είναι το διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας και η V είναι συνάρτηση ανακλαστικότητας του εδάφους. (2.3.2) Αυτό που ζητάμε εμείς είναι γνωρίζοντας το D να βρούμε το V. Στην εξίσωση (2.3.1) εφαρμόζουμε ένα matched φίλτρο κι έτσι καταλήγουμε στη σχέση:,,, (2.3.3) Αφού αντικαταστήσουμε την (2.3.1) στην (2.3.3) και ολοκληρώσουμε ως προς το χρόνο t καταλήγουμε στη σχέση:, (2.3.4) Όπου,,,,,, (2.3.5) 40

51 2. Τεχνικές Βελτίωσης Ανάλυσης της Εικόνας Το επιθυμητό είναι η Κ να προσεγγίζει μια δέλτα συνάρτηση έτσι ώστε να προκύπτει η συνάρτηση V που είναι το ζητούμενο. Το ακουστικό μικροσκόπιο έχει περιορισμούς που εμποδίζουν την αύξηση της ανάλυσης της εικόνας που λαμβάνει, όπως η συχνότητα λειτουργίας του transducer και η ελάχιστη μετακίνηση του transducer. Ως εκ τούτου, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η τεχνική του συνθετικού διαφράγματος, ώστε να έχουμε το επιθυμητό αποτέλεσμα χωρίς αυτούς τους περιορισμούς. Παρόλα αυτά λόγω των απαιτήσεων της τεχνικής του συνθετικού διαφράγματος, δηλαδή της ανάγκης για πολλαπλή σάρωση υπό γωνία κάθε σημείου του στόχου, καθιστά αυτή τη λύση μη εφαρμόσιμη στο εξοπλισμό, που χρησιμοποιήσαμε. Επιπροσθέτως θεωρούμε ότι η εφαρμογή της τεχνικής του συνθετικού διαφράγματος θα ήταν ταχύτερη αν η σάρωση του στόχου γίνεται παράλληλα από περισσότερους του ενός πιεζοηλεκτρικούς μετατροπείς. Λόγω των δυσκολιών αυτών, από άποψη κόστους και χρόνου, καταφύγαμε στην τεχνική της Αραιής Αναπαράστασης Σήματος. 41

52 2. Τεχνικές Βελτίωσης Ανάλυσης της Εικόνας Ενότητα 4 Sparse Signal Representation Η τεχνική Αραιής Αναπαράστασης Σήματος [27] έχει ως αποτέλεσμα μία αναπαράσταση που αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος ή όλη την πληροφορία ενός σήματος, χρησιμοποιώντας ένα γραμμικό συνδυασμό ενός μικρού αριθμού στοιχειωδών σημάτων. Τα στοιχειώδη σήματα επιλέγονται από ένα υπερπλήρες λεξικό. Τυπικά, ένα υπερπλήρες λεξικό είναι μια συλλογή στοιχειωδών σημάτων των οποίων ο αριθμός ξεπερνά τη διάσταση του χώρου του σήματος έτσι, ώστε οποιοδήποτε σήμα να εκπροσωπείται από περισσότερους του ενός συνδυασμού. Ο στόχος αυτής της τεχνικής είναι να αποκαλύψει κρυφές δομές μέσα στο σήμα και να τις μορφοποιήσει σε αραιές αναπαραστάσεις. Η αραιή αναπαράσταση έχει αποδειχθεί ότι είναι άκρως αποτελεσματική σε εφαρμογές όπως η μείωση θορύβου, η εξαγωγή χαρακτηριστικών από το σήμα και η αναγνώριση προτύπων. Το γενικό πρόβλημα της εξεύρεσης μιας αναπαράστασης με το μικρότερο δυνατό αριθμό στοιχειωδών σημάτων έχει αποδειχθεί ότι είναι NP hard. Αυτό έχει οδηγήσει σε σημαντικές προσπάθειες για τη βελτιστοποίηση των αλγορίθμων. Έτσι υπάρχουν δύο ειδών αλγόριθμοι, αυτοί που προσπαθούν να δημιουργήσουν, με επαναληπτική διαδικασία, την προσέγγιση του σήματος όπως είναι οι Matching Pursuit, Orthogonal Matching Pursuit και εκείνοι που εξετάζουν όλους τους συντελεστές ταυτόχρονα, όπως είναι οι Basis Pursuit και Basis Pursuit De Noising. Ο αριθμός των ανακλάσεων (Μ) σε ένα σήμα a scan το οποίο λαμβάνεται από ένα πολυστρωματικό στόχο θεωρείται περιορισμένος. Παρόλο που αυτό το σήμα δεν 42