Глаз и изображение лекция № 1
Глаз и изображение лекция № 1
Познание света Обмен информацией присущ живому. Это такое же неотъемлемое свойство жизни, как обмен веществ, как рождение и смерть. В начале было не слово. В начале было ощущение. Затем пришло изображение, и только потом слово. Для восприятия изображений эволюция (или Господь Бог, что одно и то же) создала для животных и человека глаз - зрительный анализатор, который, взаимодействуя с мозгом, воспринимает большую часть информации о внешнем мире, говорят, до 90%. Если система восприятия изображения развита в человеке в процессе эволюционного развития, то системы хранения Недреманное око – изображений уже придуманы им самим. Первыми знак Бога в инструментами для создания и хранения христианской изображений были молоток и зубило. С их помощью символике. древний живописец наносил сцены охоты на стены пещеры, где обитало его племя. Позже появились перья, краски и кисточки, затем микроскоп, телескоп и фотография.
В медицине появилась новая наука - лучевая диагностика, а в промышленности - интроскопия - наука о видении в непрозрачных средах и в условиях плохой видимости. Этим наукам чуть больше ста лет. В основе этих наук, как и некоторых других, так же как и в существе многих искусств: живописи, кино, фотографии, лежат рукотворные, то есть созданные человеком изображения. Все эти области человеческой деятельности к настоящему времени вступили в этап революционного преобразования, связанного с внедрением компьютеризации в процесс формирования и анализа изображений. Формируется новый подход к представлению, обработке и анализу изображений, обусловленный новыми возможностями ЭВМ.
Многие тысячелетия человеческий мозг и его глаза учились принимать и расшифровывать изображения внешнего мира и достигли в этом высочайшей степени совершенства. Один из выдающихся ученых США, специалист по современному телевидению Альберт Роуз назвал систему человеческого зрения абсолютной конечной вехой эволюции, тем самым признавая, что дальнейшее усовершенствование невозможно. Появление компьютера для человечества значит нисколько не меньше, чем появление письменности. Несмотря на дерзкие гипотезы научно-фантастической литературы, мы еще даже приблизительно не осознаем, насколько меняет духовный мир человека компьютер, к чему приведет уже в ХХI веке эта величайшая из революций.
При дальнейшем изложении, в зависимости от предмета нашего анализа изображения, будут представлены в следующих ипостасях: - изображение как физическое явление; - изображение как носитель информации; - изображение как результат преобразования энергии; - изображение как объект восприятия зрительным анализатором; - изображение как искусство. Слово «изображение» происходит от корня «образ» . Образ - это очень близко к облику, лику. Изобразить - это значит «создать образ» . Существует некоторое отличие русского понятия «изображение» и латинского эквивалента «image» или немецкого «gestalt» . Image переводится на русский язык и как «образ» и как «изображение» . А русифицированное понятие «имидж» всегда несет оттенок «искусственного» образа, сделанного средствами массовой информации или стараниями самого носителя образа, но ни в коем случае не понимается как изображение.
Наличие глаза и мозга в цепочке преобразования изображения требует изучения механизма их действия при анализе внешнего мира. Изображение - это, образно говоря, последний элемент в цепочке преобразований физического мира на пути его духовного познания человеком. Или, иначе, на изображении кончается материальное и начинается духовное, на изображении кончается физика и информатика и начинаются гуманитарные науки: биология, психология, философия. Предметом настоящего исследования является именно такое изображение, его характеристики, способы его получения и преобразования, механизмы его синтеза и анализа.
Во-первых, знание особенностей формирования изображений необходимо создателям новых приборов и инструментов в таких быстроразвивающихся областях науки и техники, как лучевая диагностика и интроскопия. Оно необходимо также пользователям: врачам, рентген- лаборантам, дефектоскопистам. Во-вторых, стремительное распространение компьютер- ных технологий, в том числе и внедрение их в системы преобразования изображений существенным образом меняет представление о характеристиках изображения и его анализе. В-третьих, несмотря на то, что рукотворными изображениями человечество занимается много веков, мы все еще очень мало знаем о возможностях формализации изображения и о механизмах его восприятия зрительным анализатором. И, наконец, в-четвертых (the last but not least), автор более сорока лет занимается изображениями в технике для лучевой диагностики и интроскопии и ощущает насущную необходимость поделиться накопленным опытом.
В этом бесконечном океане мирового эфира повсюду проносятся с головокружительной быстротой трехсот тысяч километров в секунду волны света, теплоты и других видов лучистой энергии, как аккорды вечной, никогда не смолкающей музыки миров, исходящей от каждого атома небесных светил. Эти волны. . . омывают своими всплесками каждый атом мировых светил и всех существ, находящихся на них, и вызывают в их атомах ответные Николай Александрович отзвуки и волны. Точно так же Морозов уносящиеся в бесконечность, образуя из всей Вселенной как бы один сплошной аккорд - нигде и никогда не смолкающий голос ее вечной жизни. Академик Н. А. Морозов
Вильгельм Конрад Рентгеновский снимок руки Альберта фон Кёликера, сделанный Рентгеном 8 ноября 1895 года сорокадевятилетний профессор университета в тихом провинциальном Вюрцбурге Вильгельм Конрад Рентген, работая поздно вечером в своей лаборатории с катодной лучевой трубкой Крукса , вдруг обнаружил зеленое свечение платиносинеродистого бария в пробирке, стоящей рядом с трубкой. Рентген тотчас понял, что встретился с совершено новым явлением. Он заперся в лаборатории - почти 50 суток продолжалось его добровольное затворничество, и вышел оттуда только после того, как все основные свойства Х-лучей были исследованы. В январе 1896 года опубликована работа Рентгена «Предварительное сообщение о новом виде лучей» , вызвавшая огромный интерес во всем мире.
20 января 1896 года состоялось заседание Французской академии наук, посвященное обсуждению открытия Рентгена, а уже 24 февраля сорокачетырех-летний член этой академии профессор А Беккерель сообщил коллегам, что, исследуя, не является ли источником Х-лучей флюоресценция, он обнаружил радиацию, испускаемую солями урана при облучении их солнечным светом. Позднее оказалось, что солнечный свет вовсе и не нужен - радиация испускается без предварительного облучения и вовсе не от флюоресценции. Так была обнаружена естественная радиоактивность.
«Тут произошел великий перелом, который навсегда связан с именами Фарадея, Максвелла, Герца. Львиная доля в этой революции принадлежит Максвеллу После Максвелла физическая реальность мыслилась в виде непрерывных, не поддающихся механистическому объяс- нению полей. . . Это изменение понятия реальности является наиболее глубоким и плодотворным из тех, которые испытала физика со времен Ньютона» . Гениальному Эйнштейну принадлежат Альберт эти слова, который всего через сорок лет Эйнштейн противопоставил классической электро- динамике Максвелла свою теорию относительности, еще раз радикально изменив понятие реальности мира. Но это было уже в ХХ в.
Пьер и Мари Кюри Эрнест Резерфорд Через два года супруги Мари и Пьер Кюри открыли два новых радиоактивных элемента - полоний и радий, еще раньше была обнаружена радиоактивность тория. В следующем, 1899 году Э. Резерфорд обнаружил в радиоактивном излучении заряженные альфа- и бета-частицы.
Поль Виллард Джордж Габрие ль Стокс Чарльз Баркла В 1901 году П. Виллард - третью составляющую - гамма - излучение. Чуть позже англичанин Д. Стокс предсказал электромагнитную природу рентгеновских лучей, а его соотечественник Ч. Баркла экспериментально подтвердил их поляризацию.
Александр Степанович Сэр Джозеф Джон Томсон Макс Планк Попов В 1896 году А. С. Попов применил электромагнитное излучение для передачи информации - появилась радиосвязь. В 1897 году Д. Томсон открыл электрон - первую элементарную частицу. В 1900 году Макс Планк установил связь между энергией электромагнитного излучения и длиной его волны и вычислил фундаментальную постоянную Планка - h.
Глаз «. . . Когда человек смотрит на какой- нибудь объект, то свет, исходящий из различных точек объекта, так преломляется прозрачными пленками и жидкостями глаза, что сходится и снова встречается в стольких же точках на дне глаза, вырисовывая здесь изображение на той оболочке (называемой Tunica Retina ), которой покрыто дно глаза. Ибо анатомы, снимая со д внешнюю и наиболее толстую оболочку, называемую Dura Mater , могли видеть Исаак Ньютон через более тонкие пленки изображения Портрет кисти Кнеллера (1689) предметов, живо обрисовавшиеся на них. Эти изображения распространяясь при помощи движения вдоль волокон оптических нервов в мозг, являются причиной зрения» . И. Ньютон
Устройство глаза изучается уже много веков, и тем не менее остается до сих пор одним из наименее изученных и наиболее загадочных органов человеческого организма. Сетчатка глаза содержит приблизительно 130 млн. наиболее чувствительных детекторов сумеречного зрения (палочек), не различающих цвет, и 7 млн. цветочувствительных рецепторов дневного зрения (колбочек) (Рис. 3). От этого огромного количества детекторов по 900 тыс. нервных волокон зрительного нерва информация поступает в мозг. До сих пор не выяснено, как происходит сжатие информации на этом этапе преобразований? Этот вопрос исследуется по Рис. 3 Строение глаза человека крайней мере последние 70 лет, кое-что уже 1 – стекловидное тело; становится ясным. Во внутренних слоях сетчатки обнаружены так называемые 2 – мышцы глаза; ганглиозные клетки, воспринимающие сигналы 3 – сетчатка; не от каждого детектора сетчатки, а от их групп 4 – зрительный нерв; (Рис. 3). Некоторые ганглиозные клетки 5 – центральная ямка; возбуждаются, восприняв границу между светлым и темным, то есть край или контур, 6 – мышцы хрусталика; другие реагируют на прямую линию, третьи - 7 – радужка; на движение контура. Именно выходы 8 – зрачок; ганглиозных клеток, их аксоны, уплотняясь в 9 – хрусталик; жгут, образуют те 900 тыс. нервных волокон, которые составляют глазной нерв. 10 – роговица.
Рис. 4 Зрительные пути и подкорковые зрительные центры. 1 – зрительный нерв; 2 – зрительный перекрест (хиазма); 3 – зрительный тракт; 4 – латеральное коленчатое тело; 5 – медиальное коленчатое тело; 6 – подушка заднего таламуса; 7 – серый бугор с воронкой; 8 – сосцевидное тело; 9 – глазодвигательный нерв; 10 – ножка мозга; 11 – обонятельный нерв. Зрительные раздражения, воздействующие на сетчатку, возбуждают не только специальные пути и центры (рис. 4). Они оказывают чрезвычайно мощное влияние на состояние организма в целом. Это взаимодействие происходит через анатомические связи между сетчаткой с одной стороны и вегетативной нервной системой и гипофизом с другой. Световое раздражение глаз воздействует в той или иной степени практически на все области мозга и нервной системы.
Электромагнитное излучение распространяется со скоростью примерно 300 000 км/с, оно испускается порциями – квантами, энергия которых зависит от частоты излучения, но сами эти кванты обладают волновыми свойствами: дифракцией и интерференцией. Между длиной волны λ и частотой υ существует простая зависимость: с λ = ---- , υ где с – скорость света в пустоте. Энергия кванта Е определяется длиной волны испускаемого излучения: hc Е = ----- , λ где h – постоянная Планка.
Важные свойства электромагнитного излучения - поляризация, дифракция и интерференция. Дифракция - это свойство электромагнитных волн огибать препятствия. Благодаря дифракции волны могут проникать в небольшие отверстия, заходить за угол. Вспомним, как огибает камень или заворачивает за волнорез морская волна, плавно уменьшая свою силу, или, например, звук, который можно слышать за углом дома. Чем короче длина волны излучения, тем на меньших расстояниях наблюдаются дифракционные явления. Дифракция радиоволны может происходить на неровностях земли, дифракция света - на игольчатом отверстии, для дифракции рентгеновского излучения приходится использовать кристаллические решетки. Интерференция - это пространственное перераспределение энергии излучения при наложении двух или нескольких волн. Вспомним, как сходятся круги от двух камней, брошенных в воду, образуя острые пики и впадины там, где волны набегают одна на другую. Поляризация - это фундаментальное свойство электромагнитного излучения, которое заключается в определенной ориентации вектора напряженности волны (квантового спина), перпендикулярного направлению её распространения. Естественный свет не обладает поляризацией.
На рис. 1 приведен спектр электромагнитных волн. Он начинается со сверхдлинных радиоволн длиной 10 - 100 км и заканчивается крайне высокими субмиллиметровыми волнами 1 -0, 05 мм. Частота этих волн в соответствии с приведенной выше формулой составляет для сверхдлинных 3 -30 к. Гц, для субмиллиметровых -300 - 6000 ГГц. Один гигагерц -109 колебаний в секунду. Длинные волны свободно приникают через атмосферу, даже вода и толща земли ослабляют их относительно, поэтому, в частности, возможна подводная и подземная радиосвязь. Все предметы небольших размеров длинные радиоволны просто огибают, как морская волна камень, в силу уже Рис. 1 Спектр электромагнитного излучения упомянутой способности к дифракции. и области его использования в медицинской интроскопии.
Инфракрасное излучение, для краткости его называют ИК-излучением , имеет спектр с длинами волн от красного края видимого света (l=0, 74 мкм) до ультракоротковолновых радиоволн (l=2 мм). Как видим, диапазон ИК-излучения в сотни раз шире диапазона видимого света. Разделяют три области ИК-излучения: длинную (0, 74 -2, 5 мкм), среднюю (2, 5 -50 мкм) и далекую (50 -2000 мкм). Спектр ИК-лучей , так же как и видимого излучения, может быть линейчатым, если это излучение возбужденных атомов, непрерывным, когда он излучается нагретыми телами, и полосатым, создаваемым возбужденными молекулами. Многие вещества, прозрачные для света, оказываются непрозрачными в некоторых областях ИК-излучения и наоборот. Несколько сантиметров воды поглощают его почти во всем диапазоне длин волн.
Дальше наиболее изученный участок спектра - излучение оптического диапазона, занимающее узкую полоску длин волн от 400 до 700 нм. Это излучение, которое непосредственно без преобразований воспринимает глаз. Только через эту узкую щель в 400 -700 нм эволюция предоставила человеку возможность познавать мир. Энергия световых квантов уже способна не только раскачивать молекулы, но и выбивать электроны с внешних орбит некоторых металлов, воздействовать на химические реакции и разрушать молекулы некоторых веществ, то есть ионизировать их. За ультрафиолетовым следует рентгеновский диапазон излучения. Энергия этого излучения столь велика, а длина волны столь мала, что оно приобретает способность пролетать через молекулы вещества значительные расстояния, ослабляясь, но не поглощаясь целиком. Рентгеновские кванты могут выбивать электроны с внутренних орбит атомов. При этом они поглощаются или отклоняются от своего прямого полета, а выбитый квантом электрон либо возвращается на свою прежнюю орбиту, в свою очередь испуская квант излучения, либо, сталкиваясь с другими электронами, постепенно теряет свою энергию.
Ультразвук Поскольку ультразвуковая волна обладает способностью достаточно глубоко проникать в тело человека и отражаться от тканей и органов в зависимости от звукового сопротивления соответствующей среды, ультразвук можно эффективно использовать для визуализации в медицине. Звук распространяется в воздухе со скоростью 331 м/с при 0ºС, что соответствует примерно 1200 км/ч. скорость распространения звуковой волны зависит от упругости среды, через которую она проходит, то есть от быстроты, с которой могут раскачиваться молекулы вещества, передавая звуковую волну от точки к точке. Длина волны слышимого звука, частота которого составляет от 16 Гц до 16 к. Гц, малопригодна для интроскопии. Нота «до» первой октавы имеет частоту 264 колебания в секунду. Разделив величину скорости в секунду на частоту, точно также, как мы это делали для света, получим длину волны 331: 264=1, 25 м. В соответствии с правилом Релея такая волна не может ощутимо измениться при встрече с препятствием менее 1 м. Следовательно, для использования звука в интроскопии необходимо в сотни раз уменьшить длину его волны и увеличить частоту, то есть перейти в область ультразвука. На рис. 2 приведены области применения звуковых колебаний в зависимости от их частоты.
Рис. 2 Спектр звуковых волн и его применение в медицине. Частота ультразвука, применяемого в медицинской диагностике, составляет 1 -15 м. Гц.
Отличие лучевой диагностики от всех прочих направлений медицинской науки и практики состоит в том, что лучевая диагностика имеет дело с медицинскими изображениями, полученными при взаимодействии тканей пациента с различными физическими полями, и изучаемыми зрительным анализатором врача – его глазами и мозгом. Во всех методах лучевой диагностики: рентгеновских, радиоизотопных, оптических, ультразвуковых скрытое интроскопическое изображение, полученное в различных физических полях, необходимо преобразовать, чтобы сделать его доступным для зрительного анализатора человека, то есть видимым. Такое преобразование называют визуализацией.
Рис. 3 Четыре вида интроскопии по принципу регистрации излучения от объекта.
Лучевая диагностика Биомедицинские изображения Магнитометрия ИК-диагностика Рентгенология Ядерная медицина Ультразвуковая диагностика Эндоскопия Магниторезонансная томография
Медицинская физика Васкулярная Биоинженерия хирургия Ортопедическая Кардиология хирургия Лучевая диагностика Гастроэнтероскопи Онкология я Молекулярная Урология биология
Компьютерная томография (КТ) Спиральные компьютерные томографы, состоящие из нескольких систем детекторов, практически вытеснили однослойные системы. В РФ не разрабатываются и не выпускаются.
Магниторезонансная томография (МРТ) МРТ на сверхпроводящих магнитах до 4 Тл, МРТ на постоянных магнитах до 0, 3 Тл (открытого типа), малые МРТ для исследования конечностей, МРТ на резистивных магнитах до 0, 2 Тл НПФ «Аз» (Москва) КФТИ РАН (Казань) ВНИИ КТ (Москва)
Аппаратура для ядерной медицины Одно- и двухдетекторные эмиссионные изотопные томографы ОЭКТ. Совмещение ПЭТ и КТ исследований в одной системе. В РФ не разрабатываются и не выпускаются.
Рентгенодиагностическая аппаратура Цифровая рентгенография • Рентгенография на стимулируемых люминофорах (computed radiography CR) • Аппараты на ПЗС матрицах (direct digital radiography dd. R) до 3 пар линий на мм Ренекс (Новосибирск) Рентгенпром (Московская обл. ) Электрон (Санкт-Петербург) Передвижные флюорографические кабинеты ЗАО Рентгенпром на базе шасси Камаз-43114 и ЗИЛ-5301 ЕО «Бычок»
Рентгенодиагностическая аппаратура Цифровая рентгенография • Аппараты с твердотельными детекторами (solid detectors radiography sd. R) Сканирующие аппараты: Про. Скан-2000 (АПЦФ-01) (ЗАО Рентгенпром и НПО Экран) МЦРУ Сибирь (ИЯФ им. Будкера) Сириус. Скан (Медрентех) Цифровой сканирующий малодозовый флюорограф ПРОСКАН®-7000, ЗАО Рентгенпром, Московская обл.
Рентгенодиагностическая аппаратура Аппараты для рентгеноскопии и рентгенографии Абрис (Москва) Амико (Москва) Вымпел (Москва) Гелпик (Москва) Мосрентген (Москва) Спектр-Ап (Москва) Электрон (Санкт-Петербург) Универсальный рентгенодиагностический комплекс ТЕЛЕМЕДИКС-Р ЗАО АМИКО, Москва
Рентгенодиагностическая аппаратура Рентгенохирургические аппараты Абрис (Москва) Амико (Москва) Спектр-Ап (Москва) Электрон (Санкт-Петербург) Рентгенохирургический передвижной аппарат со штативом С-дуга АРХП-АМИКО ЗАО АМИКО, Москва
Дентальные рентгенодиагностические аппараты Переход с пленочной на цифровую рентгенографию, повышение разрешения до 25 пар линий на мм. Цифровой комплекс для радиовизиографии ДЕНТАЛИКС (АМИКО, Москва)
