Определение скорости распространения поверхностной волны

Определение скорости распространения поверхностной волны

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к определению скорости распространения поверхностной волны, например, в ткани животного и в частности, но не исключительно, к определению скорости распространения пульсовой волны в ткани человека. Кроме того, изобретение можно использовать для оценивания распространения волн других видов вдоль заданной поверхности, и оно может найти применение в промышленности, например, при мониторинге вибраций производственного оборудования.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Измерение и мониторинг различных свойств ткани животного приобретают большое значение во многих областях. Поэтому имеется все возрастающее желание разработать новые или улучшенные способы измерения характеристик ткани животного (в том числе человека). В частности, имеется желание разработать способы, которые легко применять на практике при минимальном неудобстве для исследуемого субъекта. Конкретным измерением, которое представляет интерес, является измерение скорости распространения поверхностной волны в ткани животного. Такие измерения могут давать важные показатели различных характеристик и могут, например, помогать при установлении диагноза или при раннем обнаружении различных опасностей для здоровья.

Например, известно, что высокое кровяное давление является обычным фактором риска при стенокардии, внезапных приступах и аневризмах, и поэтому его диагностика и мониторинг являются крайне важными. Многие сердечно-сосудистые заболевания начинаются в результате повышения жесткости стенок артерий, которая в свою очередь связана со скоростью пульсовой волны крови (PWV) посредством уравнения Моэнса-Кортевега:

,

где Е обозначает модуль упругости Юнга сосуда, h - толщина стенки, ρ - плотность крови и d - диаметр сосуда.

Поэтому был разработан ряд способов измерения скорости пульсовой волны крови. С учетом ее связи с упругими свойствами сосудов инвазивные и неинвазивные способы. Обычно они включают в себя измерение проходящей волны давления на многочисленных местах и получение скорости пульсации по отношению смещения и временной задержки, наблюдаемых при регистрации. Было предложено измерять волну давления при использовании инвазивных катетеров, механических тонометров, средств ультразвукового доплеровского анализа (раскрытых в Xu M., 2002, “Local measurement of the pulse wave velocity using ultrasound Doppler”, Ph.D dissertation, Massachusetts Institute of Technology) или (пьезоэлектрических) устройств обнаружения пульсации, прикладываемых неинвазивно к коже (раскрытых в McLaughlin J., McNeill, Braun B. and McCormack P.D., 2003, “Piezoelectric sensor determination of arterial pulse wave velocity”, Physiol. Meas., 24, 693-702).

Osberg J.E. и соавторы в “Vasculopathy in Turner syndrome”, International Congress Series, Excerpta Medica, Amsterdam, NL, 2006, vol.1298, pages 117-122, XP027936962, ISSN:0531-5131, рассмотрели скорость пульсовой волны, которую измеряли с использованием чрескожного тонометра давления для регистрации формы волны пульсового кровяного давления в сонной и бедренной артериях.

В заявке US2012/078114 A1 раскрыта система для оценивания свойства поверхности объекта. В указанной системе используется множество матриц формирования изображения. Каждая матрица формирования изображения имеет управляемую временную привязку, так что матрицы формирования изображения могут последовательно регистрировать сдвиги изображения во времени. Поэлементным сравнением различий сигналов между сдвинутыми во времени матрицами получают временную зависимость флуктуаций спеклов (абзац [0011]). Каждой из множества матриц формирования изображения регистрируются данные об изображении при частоте кадров 30-60 кадров в секунду (абзац [0013]). Для регистрации изображения используется глобальный затвор или скользящий затвор (абзац [0031]). В данном случае термин «глобальный затвор» означает, что значения пикселей в данной матрице регистрируются в один момент времени, а термин «скользящий затвор» означает, что значения пикселей в данной матрице регистрируются последовательно во времени.

В заявке WO2006/111836 A1 раскрыта система формирования изображения в реальном времени, предназначенная для наблюдения микроциркуляции в ткани. Указанная система формирования изображения содержит фотоприемник, представляющий собой двумерную матрицу со случайной адресацией, объединяющую фотодетекторы. На странице 11 в строках 20-22 D2 раскрыто, что в каждом пикселе собираются фотоны в иное время, а не в то время, когда фотодетекторы осуществляют считывание (режим скользящего затвора) или все фотодетекторы собирают фотоны в течение интервала времени экспонирования и сразу после этого они осуществляют считывание (режим глобального затвора).

Однако предложенные способы не являются оптимальными. Например, они являются беспокоящими исследуемого пациента (например, требующими инвазивных операций), трудоемкими при выполнении, обеспечивающими результаты, которые не являются точными или надежными, чтобы быть предпочтительными, и/или требующими сложного и/или дорогостоящего оборудования. В частности, для большей части способов требуются различные датчики, хорошо синхронизированные для обеспечения обнаружения скорости распространения. Получить такую синхронизацию сложно и дорого.

Следовательно, усовершенствованный способ определения скорости распространения поверхностной волны в ткани животного и в частности, определения скорости распространения пульсовой волны должен быть предпочтительным и в частности, система, обеспечивающая повышенную гибкость, сниженные требования к ресурсам, сниженные затраты, упрощенную реализацию, меньшую сложность, причиняющая меньшее беспокойство исследуемому пациенту, при нестрогих требованиях к камере и/или улучшенных характеристиках должна быть предпочтительной.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Соответственно, изобретение направлено преимущественно на уменьшение, ограничение или исключение одного или нескольких упомянутых выше недостатков по отдельности или в сочетании. Изобретение определено в независимом пункте формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления определены в зависимых пунктах формулы изобретения.

В соответствии с объектом изобретения предложено устройство для определения скорости распространения поверхностной волны согласно п. 1 формулы изобретения.

Изобретение может обеспечить более совершенное и/или более легкое определение скорости распространения поверхностной волны в ткани животного. В частности, изобретатели осознали, что такую скорость распространения можно точно определять при использовании единственной камеры, формирующей изображение спекл-структуры на основании множества световых пятен и связанных с ними спекл-структур. В способе используется то, что при освещении шероховатой поверхности когерентным светом небольшие различия длины пути отраженного поля приводят к формированию интерференционных картин/спекл-структур, которые можно наблюдать с помощью дефокусированной камеры. Получающиеся в результате спекл-структуры имеют очень сильную зависимость от даже небольших изменений поверхности, отражающей световое пятно, и изобретатели осознали, что анализ двух спекл-структур из различных световых пятен в изображениях с единственной камеры можно использовать для получения очень точного показателя распространения поверхностной волны в ткани животного.

В способе не требуется синхронизировать различные датчики (или камеры) и он позволяет точно определять скорость распространения на основании единственного датчика в виде единственной камеры, захватывающей оба световых пятна, и поэтому в изображениях содержатся две связанные с ними спекл-структуры. Таким образом, одновременное измерение применительно к двум световым пятнам позволяет выполнять определение в точное время без необходимости в синхронизации.

Следует понимать, что поверхностная волна может иметь любое перемещение по поверхности, включая прохождение пульсации, и что она не ограничена, например, конкретными расширяющимися волновыми фронтами. Кроме того, следует понимать, что термин «ткань животного» охватывает как ткань человека, так и ткань, не относящуюся к человеку; при использовании изобретения для измерения скорости пульсовой волны крови его можно использовать для любого животного, имеющего пульсацию крови, например для собак или других млекопитающих.

Во многих вариантах осуществления источник когерентного света может быть лазерным источником света, выполненным с возможностью формирования лазерных световых пятен на поверхности. Источник когерентного света можно фокусировать на поверхность для получения достаточно малых световых пятен, обычно площадью меньше чем 2 мм² и часто предпочтительно меньше чем 1 мм². В частности, устройство выполнено с возможностью формирования относительно крупнозернистой спекл-структуры и в частности, источник когерентного света может формировать достаточно малое световое пятно со средним размером спекл-зерна по меньшей мере 10 квадратных пикселей.

Два световых пятна находятся в пространстве на расстоянии друг от друга. Обычно расстояние может быть не меньше чем 2 см, но во многих случаях предпочтительно, чтобы оно было не меньше чем 5 см или даже не меньше чем 10 см или 15 см.

Камера может быть безлинзовой камерой.

В соответствии с дополнительным признаком изобретения анализатор выполнен с возможностью определения первого свойства первой спекл-структуры; определения второго свойства второй спекл-структуры; обнаружения первого изменения первого свойства; обнаружения второго изменения второго свойства; и определения скорости распространения в соответствии с разностью во времени между моментом времени первого изменения и моментом времени второго изменения. Этим может обеспечиваться особенно предпочтительное определение скорости распространения. В частности, этим может обеспечиваться очень простое и все же надежное и точное определение скорости распространения.

В частности, изменение может быть ступенчатым изменением. Требование к обнаружению может заключаться в том, что изменение значения свойства должно превосходить заданный порог. Например, если свойством является контраст спекл-структуры, возникновение изменения может быть обнаружено, когда контраст спеклов изменяется больше чем на заранее заданную величину или превосходит заранее заданное пороговое значение.

В соответствии с дополнительным признаком изобретения камера содержит скользящий затвор для захвата по меньшей мере одного несфокусированного изображения. В частности, это может улучшать, облегчать и/или упрощать определение скорости распространения. В частности, во многих вариантах осуществления это может позволять улучшать компромиссное соотношение между временным разрешением и требованиями к камере. В частности, во многих вариантах осуществления необходимость в высокоскоростных камерах может быть ограничена или исключена все же при получении высокого временного разрешения, связанного с такими камерами. Способ может обеспечивать определение высокочастотных изменений без необходимости в камерах с высокой частотой кадров. Способ может обеспечивать очень значительное снижение затрат на реализацию, поскольку снижение затрат при использовании, например, камер с обычной частотой кадров по сравнению с использованием камер с высокой частотой кадров является очень значительным. Кроме того, во многих вариантах осуществления можно выполнять упрощенную или улучшенную обработку, что позволит улучшать компромиссное соотношение характеристик в зависимости от сложности и используемых ресурсов.

Эффект скользящего затвора можно использовать для преобразования временных характеристик поверхности ткани животного в пространственные характеристики получающихся спекл-структур, которые также можно анализировать для оценивания скорости распространения. В частности, может быть достигнуто временное разрешение, которое превышает временное разрешение камеры, используемой для захвата несфокусированного изображения, что позволит более точно определять скорость распространения. В частности, способ может позволить определять точную разность во времени между изменениями спекл-структур для различных световых пятен, поскольку он может позволить иметь единственное изображение для получения соответствующей/синхронизированной временной информации для обеих спекл-структур. В частности, снижаются требования к синхронизации, поскольку обе точки измерений определяются одним и тем же сенсорным оборудованием и с использованием одних и тех же временных характеристик. Поэтому во многих сценариях единственным изображением может обеспечиваться не только пространственное представление временных характеристик, но также может по существу обеспечиваться синхронизация измерений двух световых пятен.

В соответствии с дополнительным признаком изобретения анализатор выполнен с возможностью определения разности во времени в соответствии с пространственным сравнением первой спекл-структуры и второй спекл-структуры в одном несфокусированном изображении. Этим может обеспечиваться особенно предпочтительное определение и может, в частности, облегчаться анализ. Преобразование временных характеристик в пространственные характеристики, обеспечиваемое скользящим затвором, можно использовать для улучшенного определения разности во времени.

В соответствии с дополнительным признаком изобретения анализатор выполнен с возможностью определения разности во времени в соответствии с пространственной корреляцией первой спекл-структуры и второй спекл-структуры. Этим может обеспечиваться особенно предпочтительное определение и может, в частности, облегчаться анализ. Преобразование временных характеристик в пространственные характеристики, обеспечиваемое скользящим затвором, можно использовать для улучшенного определения разности во времени.

В соответствии с дополнительным признаком изобретения анализатор выполнен с возможностью определения разности во времени в соответствии с пространственным изменением первой спекл-структуры и второй спекл-структуры в направлении, соответствующем направлению продвижения скользящего затвора. Этим может обеспечиваться особенно предпочтительная оценка скорости распространения.

Скользящий затвор может выполнять построчную последовательную операцию, когда он выполняет последовательный во времени захват строк. Захват изображения может выполняться на множестве последовательных временных интервалов, при этом только поднабор строк захватывается на каждом временном интервале (часто единственная строка). Поэтому скользящий затвор имеет направление продвижения, перпендикулярное к направлению строк. В зависимости от ориентации скользящего затвора, строки обычно можно считать соответствующими рядам или столбцам изображения.

В соответствии с дополнительным признаком изобретения анализатор выполнен с возможностью определения разности во времени в соответствии с пространственным сдвигом между изменениями первой спекл-структуры и второй спекл-структуры. Этим может обеспечиваться особенно предпочтительная оценка скорости распространения. Надежный и все же несложный пространственный анализ может обеспечить обнаружение соответствующих изменений или переносов картин. Положение этих переносов в несфокусированном изображении является показателем времени возникновения изменения и следовательно, показателем времени нахождения поверхностной волны в двух световых пятнах. Поэтому в анализаторе может вычисляться разность во времени по пространственному расстоянию (в направлении скользящего затвора) между двумя переносами картин и информации о скорости скользящего затвора.

В соответствии с дополнительным признаком изобретения скользящий затвор выполнен с возможностью последовательного захвата строк несфокусированного изображения; и анализатор выполнен с возможностью определения первого свойства спекл-структуры для первого объекта изображения светового пятна применительно к каждой группе из множества групп, каждая из которых содержит по меньшей мере часть некоторого количества соседних строк из несфокусированного изображения; определения второго свойства спекл-структуры для второго объекта изображения светового пятна для каждой группы из множества групп; обнаружения первого изменения первого свойства картины между группами из множества групп; обнаружения второго изменения второго свойства картины между группами из второго множества групп; и определения разности во времени в соответствии с пространственной разностью между первым изменением первого объекта изображения светового пятна и вторым изменением второго объекта изображения светового пятна. Этим может обеспечиваться особенно предпочтительная оценка скорости распространения.

В соответствии с дополнительным признаком изобретения анализатор выполнен с возможностью определения разности во времени в соответствии с пространственным сдвигом между изменениями контраста спеклов для первого объекта изображения светового пятна и второго объекта изображения светового пятна. Этим обеспечивается особенно предпочтительная оценка скорости распространения. В частности, этим может обеспечиваться надежное и все же не очень сложное определение разности во времени. В частности, анализатор выполнен с возможностью определения контраста спеклов для каждой строки первого и второго объектов изображений световых пятен, обнаружения изменения контраста спеклов строк для каждого из первого и второго объектов изображений световых пятен, и определения разности во времени в соответствии с пространственным сдвигом между относительными положениями обнаруженных изменений первого и второго объектов изображений.

В частности, контраст спеклов может быть контрастом спеклов строк и в частности, анализатор выполнен с возможностью определения разности во времени в соответствии с пространственным сдвигом между соответствующими изменениями контраста спеклов строк в первом объекте изображения светового пятна и втором объекте изображения светового пятна.

В соответствии с дополнительным признаком изобретения анализатор выполнен с возможностью определения разности во времени в соответствии с пространственным сдвигом между изменениями межстрочных смещений спекл-структур в первом объекте изображения светового пятна и втором объекте изображения светового пятна. Этим может обеспечиваться особенно предпочтительная оценка скорости распространения. Межстрочное смещение спекл-структуры может быть оценено по смещению между спекл-структурами двух соседних строк.

В частности, способ может обеспечивать надежное и все же простое определение разности во времени. В частности, анализатор выполнен с возможностью определения смещения каждой строки первого и второго объектов изображений световых пятен относительно предшествующей строки, обнаружения изменения смещения строк для каждого из первого и второго объектов изображений световых пятен и определения разности во времени в соответствии с пространственным сдвигом между относительными положениями обнаруженных изменений в первом и втором объектах изображений, соответственно.

В соответствии с дополнительным признаком изобретения источник когерентного света выполнен с возможностью формирования множества световых пятен на поверхности и камера выполнена с возможностью захвата множества световых пятен в несфокусированном изображении; а устройство также содержит селектор, выполненный с возможностью выбора поднабора световых пятен для анализа анализатором. Это может облегчать и улучшать работу при многих применениях, а во многих вариантах осуществления может обеспечивать улучшенное определение скорости распространения. В частности, при такой концепции световые пятна, находящиеся на особенно подходящих местах на поверхности, можно использовать для этого определения. В частности, такая концепция позволяет определять используемую скорость распространения по спекл-структурам с большей гибкостью и в применениях с более высокой степенью изменчивости, по меньшей мере независимо от положения ткани животного. Например, при использовании для определения скорости распространения поверхностной волны пациента концепция позволяет находить подходящий участок, подлежащий определению, без необходимости располагать пациента с предельной точностью. Часто возможен улучшенный анализ, поскольку можно использовать световое пятно, приводящее к формированию спекл-структуры с наилучшими характеристиками (например, с самым высоким контрастом спекл-структуры).

Поднабор световых пятен содержит первое и второе световые пятна, и фактически, в некоторых вариантах осуществления поднабор может состоять из первого и второго световых пятен. В некоторых вариантах осуществления селектор выполнен с возможностью выбора первого и второго световых пятен из множества световых пятен.

Множество световых пятен может формировать регулярную или нерегулярную сетку световых пятен. Предпочтительно, чтобы световые пятна могли располагаться в несфокусированном изображении без перекрытия. Источник когерентного света может содержать множество источников света, таких как лазер, для каждого светового пятна.

В соответствии с дополнительным признаком изобретения селектор выполнен с возможностью выбора поднабора световых пятен с использованием более низкого разрешения при обработке, чем используемое анализатором при определении скорости распространения. Это может уменьшать сложность и/или потребление ресурсов и тем не менее обеспечивать надежное и высококачественное обнаружение надлежащих световых пятен для анализа.

В соответствии с дополнительным признаком изобретения селектор выполнен с возможностью выбора поднабора в зависимости от одного из интенсивности световых пятен из множества световых пятен; контраста спеклов для световых пятен из множества световых пятен; изменения спекл-структур для световых пятен из множества световых пятен; корреляции между изменениями различных световых пятен из множества световых пятен; и изменения картины светового пятна из множества световых пятен. Этим может обеспечиваться особенно предпочтительный выбор поднабора световых пятен для использования при определении скорости по спекл-структуре. В частности, во многих вариантах осуществления это может приводить к улучшенному определению скорости распространения поверхностной волны, поскольку это может обеспечивать световые пятна с особенно подходящими спекл-структурами, используемыми при определении.

В соответствии с дополнительным признаком изобретения устройство выполнено с возможностью определения скорости распространения пульсовой волны.

Изобретением может обеспечиваться улучшенное определение скорости пульсовой волны и в частности, может обеспечиваться более простое определение, для которого не требуются датчики, прикрепляемые к пациенту или вводимые в пациента, и для которого также не требуется точная синхронизация или сложная обработка сигналов.

В соответствии с объектом изобретения предложен способ определения скорости распространения поверхностной волны, содержащий формирование по меньшей мере первого светового пятна и второго светового пятна на поверхности; захват по меньшей мере одного несфокусированного изображения по меньшей мере части поверхности, содержащей первое и второе световые пятна, при этом несфокусированное изображение содержит первый объект изображения светового пятна для первого светового пятна и второй объект изображения светового пятна для второго светового пятна, при этом первый объект изображения светового пятна имеет первую спекл-структуру и второй объект изображения светового пятна имеет вторую спекл-структуру; и определение скорости распространения в соответствии с разностью во времени между изменениями первой спекл-структуры и второй спекл-структуры.

Эти и другие объекты, признаки и преимущества изобретения станут очевидными и понятными при обращении к вариантам (варианту) осуществления, описанным ниже.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Варианты осуществления изобретения будут описаны только для примера с обращением к чертежам, на которых:

фиг. 1 - вид приведенного в качестве примера устройства формирования спекл-изображения согласно некоторым вариантам осуществления изобретения;

фигуры с 2 по 7 - изображения приведенных в качестве примеров спекл-структур;

фиг. 8 - изображение приведенной в качестве примера спекл-структуры с увеличенными краями;

фиг. 9 - иллюстрация примера изменений свойства двух спекл-структур;

фиг. 10 - изображения приведенных в качестве примеров изотропных и анизотропных спекл-структур;

фиг. 11 - вид приведенного в качестве примера устройства формирования спекл-изображения согласно некоторым вариантам осуществления изобретения; и

фигуры с 12 по 14 - иллюстрации примеров изображений спекл-структур с использованием сетки световых пятен.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Нижеследующее описание будет сосредоточено на вариантах осуществления, предназначенных для измерения скорости распространения поверхностной волны в ткани животного, в том числе в ткани человека. В данном случае изобретатели разработали способ, который можно использовать для определения скорости распространения пульсовой волны. В частности, нижеследующее описание будет сосредоточено на системах, которые позволяют эффективно, точно, надежно, гибко и легко определять скорость распространения пульсовой волны в больном человеке. В частности, системой обеспечиваются измерения, которые могут быть очень важными для оценивания, обнаружения и диагностики многих сердечно-сосудистых заболеваний.

На фиг. 1 показана в качестве примера установка для измерения скорости распространения пульсовой волны согласно некоторым вариантам осуществления изобретения.

Установка содержит устройство 101 формирования спекл-изображения, которое выполнено с возможностью определения скорости распространения пульсовой волны при формировании спекл-изображения из по меньшей мере двух световых пятен, которые проецируются на часть тела пациента. Когда пульсация крови распространяется на протяжении тела, она приводит к небольшим возмущениям и искажениям поверхности кожи на многих частях тела. Устройство 101 формирования спекл-изображения из фиг. 1 выполнено с возможностью обнаружения таких небольших изменений в по меньшей мере двух местах на поверхности кожи пациента и оценивания скорости распространения пульсовой волны на основании их. В соответствии с этим устройство 101 формирования спекл-изображения формирует по меньшей мере два световых пятна на подходящих местах поверхности 103 тела пациента. Каждое световое пятно отображается для формирования спекл-структуры, а спекл-структуры анализируются с получением оценки скорости пульсовой волны.

Устройство 101 формирования спекл-изображения содержит источник 105 когерентного света, который выполнен с возможностью формирования по меньшей мере двух пятен на поверхности 103. В конкретном примере источник 105 когерентного света представляет собой лазерный источник света и он содержит лазер 107 и линзу 109, которая может фокусировать свет лазерного источника света на поверхность 103, так что на поверхности 103 формируются достаточно малые световые пятна. Конечно, линза может не быть необходимой во всех вариантах осуществления и особенно в вариантах осуществления, в которых, например, лазерный источник света может создавать достаточно малые световые пятна.

Например, источник 105 когерентного света может создавать два или большее количество световых пятен при использовании многочисленных лазерных источников света, единственного источника с дифракционной решеткой или при использовании светоделителей и зеркал.

Устройство 101 формирования спекл-изображения также содержит камеру 111, которая выполнена с возможностью захвата изображения (по меньшей мере части) поверхности 103, в том числе по меньшей мере двух световых пятен, создаваемых источником 105 когерентного света. Камера 111 расположена так, что она захватывает несфокусированное изображение поверхности 103, то есть камера расположена так, что захватывает изображение в фокальной плоскости, которая отличается от поверхности 103. Таким образом, при использовании устройства фокусное расстояние камеры отличается от расстояния между поверхностью 103 и камерой 111. В некоторых вариантах осуществления камера может быть камерой без какой-либо фокусирующей линзы. На самом деле в некоторых вариантах осуществления может использоваться безлинзовая камера, соответствующая простому датчику. В этой связи такую камеру можно считать частным случаем дефокусированного формирователя изображения с фокусом, находящемся на самом датчике.

В соответствии с этим камера 111 расположена так, что имеет фокусное расстояние, которое отличается от расстояния между камерой 111 и рабочим диапазоном расстояний, в котором может находиться объект. Следует понимать, что рассматриваемые конкретные расстояния, размещение поверхности и т.д. могут зависеть от индивидуального применения и т.д. Кроме того, следует понимать, что реальная конструкция и реализация устройства 101 формирования спекл-изображения не зависят от поверхности 103, имеющейся или находящейся в конкретном положении. Точнее, устройство 101 формирования спекл-изображения можно проектировать с учетом расположения поверхности 103 в пределах заданного рабочего объема/диапазона расстояний. В таком случае источник 105 когерентного света и камеру 111 можно располагать так, чтобы получать приемлемые характеристики, когда объект располагают наряду с поверхностью, подлежащей мониторингу, в пределах рабочего объема/диапазона расстояний.

Обычно фокусное расстояние камеры 111 должно быть по меньшей мере в два раза и часто по меньшей мере в пять раз больше максимального расстояния из рабочего интервала расстояний. Рабочий интервал расстояний является интервалом, на который рассчитано устройство 101 формирования спекл-изображения, то есть он является диапазоном, в пределах которого следует помещать поверхность 103 при использовании устройства.

Следует понимать, что в некоторых вариантах осуществления устройство 101 формирования спекл-изображения выполнено с возможностью адаптации вручную или автоматически к конкретному расположению поверхности 103. Например, фокусировку света от источника 105 когерентного света можно регулировать вручную путем изменения расстояния между лазером 107 и линзой 109. В качестве другого примера регулировка может быть автоматической и может быть основана на контуре обратной связи, который минимизирует размер светового пятна на поверхности 103. Аналогичным образом фокусировка камеры 111 может регулироваться вручную или может регулироваться автоматически (например, на основе системы с обратной связью, которая максимизирует размер объекта изображения, соответствующего световому пятну, или которая максимизирует контраст спекл-структуры). В других вариантах осуществления фокус может быть постоянным. Например, камеру 111 можно устанавливать на бесконечное фокусное расстояние.

Работа системы из фиг. 1 основана на формировании спекл-изображения. При формировании спекл-изображения используется то, что при освещении шероховатой поверхности когерентным светом очень небольшие разности длины пути отраженного поля приводят к формированию интерференционных картин/спекл-структур, которые можно наблюдать с помощью дефокусированной камеры. Когерентный свет обычно генерируется лазерным источником света. Спекл-структуру можно считать картиной со случайной интенсивностью, формирующейся при взаимной интерференции набора волновых фронтов. Анализ этих картин и их динамического поведения позволяет с высокой точностью определять, например, трансляция и поворот исследуемого объекта, параметры потока и характеристики материала. В течение многих лет формирование спекл-изображения находит разнообразное применение в промышленной метрологии, в медицине, при определении характеристик материалов, анализе показателей жизненно важных функций, измерениях кровотока, измерениях небольших смещений и во многих других областях.

Формирование лазерных спеклов позволяет выполнять дистанционное бесконтактное измерение очень небольшого перемещения поверхности, например наведенного звуком или жизненно важными функциями (сердечным сокращением, дыханием) или очень отдаленным движением, например, мобильного удаленного устройства взаимодействия (игрового контроллера, указывающего устройства).

Способ формирования спекл-изображения заключается в использовании лазера, который фокусируют на поверхность для формирования небольшого пятна на поверхности. Изображение пятна захватывают, используя формирующий изображение объектив, который дефокусируют. Дефокусировка камеры приводит к формированию кружка рассеяния или кружка размытия. Вследствие когерентного характера света от лазера этот кружок не является равномерным по интенсивности, а содержит спекл-структуру, обусловленную интерференцией между различными волновыми фронтами. Спекл-структура зависит от поверхности, которая отражает лазерный свет. В частности, шероховатость и небольшие изменения текстуры поверхности приводят к изменению фазовых зависимостей отраженных волновых фронтов, что влечет за собой формирование интерференционной спекл-структуры. Кроме того, небольшие перемещения поверхности объекта будут видны в спекл-структуре как трансляции. Конкретное преимущество формирования спекл-структуры заключается в том, что при перемещении объекта значительно усиливается трансляция спекл-структуры, что делает ее полезной для обнаружения даже очень небольших перемещений. На практике даже небольшое изменение положения или ориентации освещаемой лазером поверхности приводит к большим смещениям связанного спекл-поля. Кроме того, если перемещение имеет во времени высокочастотные вариации, соответствующее спекл-поле будет иметь такие же временные частотные характеристики.

Например, как раскрыто в Zeev Zalevsky, Yevgeny Beiderman, Israel Margalit, Shimshon Gingold, Mina Teicher, Vicente Mico and Javier Garcia, “Simultaneous remote extraction of multiple speech sources and heart beats from secondary speckles pattern”, Optics Express, vol.17, Issue 24, pp.21566-21580, 2009, эти характеристики используют для измерения сердечных сокращений и при речевой аудиометрии на большом расстоянии (несколько метров и больше) при использовании коллимированного лазерного света и дефокусированной камеры.

В установке из фиг. 1 объект изображения светового пятна, формируемого источником 105 когерентного света, содержит спекл-структуру вследствие дефокусировки камеры 111. Таким образом, дефокусировка камеры 111 приводит к получению объекта изображения для каждого светового пятна, который содержит интерференционную картину/спекл-структуру. Эта интерференция является результатом фазовых изменений между различными отражениями волновых сигналов, вызываемых небольшими изменениями поверхности исследуемой ткани человека. Таким образом, в связи с тем, что падающий свет является когерентным, изменения поверхности приводят к формированию отраженных волн, имеющих различные фазы, и при захвате несфокусированного изображения эти изменения приводят к формированию интерференционной картины.

В устройстве 101 формирования спекл-изображения из фиг. 1 камера 111 соединена с анализирующим процессором 113, который выполняет определение скорости распространения на основе спекл-структур, формируемых камерой 111. В частности, анализирующий процессор определяет скорость распространения в соответствии с разностью во времени между соответствующими изменениями двух захваченных спекл-структур.

В типичных вариантах осуществления источник 105 когерентного света располагают так, чтобы получать световые пятна с общей площадью не больше чем 1 мм², а часто,