Tesi di laurea in optoelettronica Realizzazione di un

Tesi di laurea in optoelettronica Realizzazione di un sistema di elaborazione ottica a colori per lo studio dei moti fluidi prodotti dalle macchine per la facoemulsificazione usate Laureandi: in oculistica Relatore: Matias Antonelli Martin Gega Chiar. mo Prof. Paolo Sirotti Correlatori: Dott. Daniele Tognetto Dott. sa Giorgia Sanguinetti

Introduzione Facoemulsificazione Cos’è la facoemulsificazione? Tecnica per la chirurgia della cataratta: Rimozione del cristallino (faco) n Sostituzione con lente artificiale n Matias Antonelli – Martin Gega

Introduzione Facoemulsificazione n In particolare: Frammentazione con sonda ad ultrasuoni ¡ Aspirazione mediante la stessa ¡ Incisione di soli 3 mm Matias Antonelli – Martin Gega Bassa invasività Veloce recupero della vista

Introduzione Facoemulsificazione Matias Antonelli – Martin Gega

Introduzione Facoemulsificazione È il risultato di più azioni: Irrigazione ¡ Aspirazione ¡ Propagazione onde acustiche ¡ Urti diretti ¡ Cavitazione ¡ Matias Antonelli – Martin Gega

Introduzione Obbiettivi Visualizzare i moti fluidi prodotti dalla sonda Studio visivo dei fenomeni coinvolti nel processo ¡ Valutazione di ¡ modi di funzionamento delle apparecchiature Matias Antonelli – Martin Gega di manifestazione di determinati fenomeni n soglie n

Introduzione Obbiettivi Visualizzare i moti fluidi prodotti dalla sonda • Utilizzo maggiormente consapevole e meno Importante per Matias Antonelli – Martin Gega invasivo dell’apparecchiatura • Confronto tra macchine diverse

Elaborazione ottica delle immagini di fase Elaborazione ottica Azione delle sonde Moti fluidi ¡ Variazioni densità ¡ Deformazioni ¡ Matias Antonelli – Martin Gega Immagini di fase trattabili col solo metodo ottico

Elaborazione ottica delle immagini di fase Elaborazione ottica Perché l’elaborazione ottica? Capacità di elaborare fenomeni non trattabili con altri metodi ¡ ¡ Banda larga (luce = portante a frequenza elevata) Tempo di elaborazione pressoché infinitesimo (propagazione) ¡ Matias Antonelli – Martin Gega

Elaborazione ottica delle immagini di fase Immagini di fase Cosa s’intende? In senso stretto: un’immagine con funzione di trasparenza complessa ¡ : Matias Antonelli – Martin Gega costante

Elaborazione ottica delle immagini di fase Immagini di fase Cosa s’intende? ¡ Possiamo ritenere “di fase” anche immagini con costante Considerando le variazioni di A come immagine di partenza a riposo ¡ Matias Antonelli – Martin Gega

Elaborazione ottica delle immagini di fase Immagini di fase Cosa s’intende? In ogni caso l’informazione è contenuta nel termine di fase ¡ Matias Antonelli – Martin Gega

Elaborazione ottica delle immagini di fase Trasformazione ottica Lente: dispositivo base dell’elaborazione ottica ¡ ¡ Introduce una trasformazione del campo Matias Antonelli – Martin Gega

Elaborazione ottica delle immagini di fase Trasformazione ottica Nel piano ( , ) si ottiene la trasformata di Fourier del campo nel piano (x, y) ¡ Matias Antonelli – Martin Gega

Elaborazione ottica delle immagini di fase Trasformazione ottica Ponendo nel piano d’ingresso la trasparenza f(x, y) ¡ nel piano ( , ) si ottiene il campo Matias Antonelli – Martin Gega

Elaborazione ottica delle immagini di fase Trasformazione ottica Matias Antonelli – Martin Gega

Elaborazione ottica delle immagini di fase Trasformazione ottica È importante la coerenza spaziale della luce con cui si elabora l’immagine di fase ¡ Se i punti dello spazio illuminato hanno fasi scorrelate generano un’immagine di fase spuria che si somma (in fase) all’immagine da elaborare ¡ Matias Antonelli – Martin Gega

Elaborazione ottica delle immagini di fase Trasformazione ottica L’elaborazione si effettua nel piano della trasformata, mediante opportuni filtri. ¡ Matias Antonelli – Martin Gega

Elaborazione ottica delle immagini di fase Trasformazione ottica Una seconda lente esegue un’ulteriore trasformazione, quindi ricostruisce l’immagine antitrasformando la trasformata filtrata Matias Antonelli – Martin Gega ¡

Elaborazione ottica delle immagini di fase Filtri La trasformata è centrata nel fuoco p. basso p. alto Matias Antonelli – Martin Gega p. banda a direziona fessura le

Elaborazione ottica delle immagini di fase Elaborazione imm. di fase Come elaborare e rendere visibili le immagini di fase? n Due diversi approcci: ¡ Ipotesi di fase piccola ¡ Approssimazione locale di Matias Antonelli – Martin Gega

Elaborazione ottica delle immagini di fase Elaborazione imm. di fase Nell’ipotesi di piccole variazioni di Eliminando la componente comune 1 1 Matias Antonelli – Martin Gega rimane un’ampiezza

Elaborazione ottica delle immagini di fase Elaborazione imm. di fase Il filtro che elimina la componente continua è un punto opaco nel fuoco ¡ (nella pratica è irrealizzabile, si usa cerchio a diametro minimo) ¡ Matias Antonelli – Martin Gega

Elaborazione ottica delle immagini di fase Elaborazione imm. di fase Approssimazione locale di con campo affine ¡ Suddivisione del dominio in quadrati Sik arbitrariamente piccoli Approssimazione per ogni tratto col piano tangente in Matias Antonelli – Martin Gega ¡

Elaborazione ottica delle immagini di fase Elaborazione imm. di fase Approssimazione locale di con campo affine Matias Antonelli – Martin Gega

Elaborazione ottica delle immagini di fase Elaborazione imm. di fase Approssimazione locale di con campo affine Si ottiene Matias Antonelli – Martin Gega

Elaborazione ottica delle immagini di fase Elaborazione imm. di fase Approssimazione locale di con campo affine Ad ogni tratto su Sik di f(x, y) corrisponde un punto luminoso nel piano di Fourier le cui coordinate sono date da Matias Antonelli – Martin Gega

Elaborazione ottica delle immagini di fase Elaborazione imm. di fase Approssimazione locale di con campo affine Un filtro passaalto blocca i tratti dell’immagine con gradiente inferiore ad un certo valore di Matias Antonelli – Martin Gega taglio.

Elaborazione ottica delle immagini di fase Sorgente in luce bianca Prima estensione: rimuovere l’ipotesi di luce monocromatica n Opportunità: introdurre codifica cromatica Matias Antonelli – Martin Gega Problema: necessità di coerenza spaziale

Elaborazione ottica delle immagini di fase Sorgente in luce bianca Soluzione: ridurre le dimensioni della sorgente approssimando una sorgente puntiforme ideale Matias Antonelli – Martin Gega

Sistemi di Elaborazione Ottica delle Immagini in Luce Laser Sistemi ottici - Laser • Sistema ad una lente • Sistema a due lenti • Sistema a fascio non collimato Matias Antonelli – Martin Gega

Sistemi di Elaborazione Ottica delle Immagini in Luce Laser Sistemi ottici - Laser • Sistema ad una lente • Sistema a due lenti • Sistema a fascio non collimato Matias Antonelli – Martin Gega

Sistemi di Elaborazione Ottica delle Immagini in Luce Laser Sistema a due lenti Matias Antonelli – Martin Gega

Sistemi di Elaborazione Ottica delle Immagini in Luce Laser Sistema a due lenti • Vantaggi: • la configurazione è compatta • le distanze dei piani sono note con maggiore precisione • la trasformata di Fourier ottica non è affetta dall’errore di fase Matias Antonelli – Martin Gega

Sistemi di Elaborazione Ottica delle Immagini in Luce Laser Sistema a due lenti • Svantaggi: • il fattore d’ingrandimento è fissato dal rapporto delle lunghezze focali delle lenti • il numero di componenti è aumentato dalla seconda lente Matias Antonelli – Martin Gega

Sistemi di Elaborazione Ottica delle Immagini in Luce Laser Sistema a fascio non collimato Matias Antonelli – Martin Gega

Sistemi di Elaborazione Ottica delle Immagini in Luce Laser Sistema a fascio non collimato • Può essere costruito sia con una che con due lenti di trasformazione • Utilizzo limitato dalla dimensione del fascio luminoso • Costituisce la base per l’estensione ai sistemi a sorgente estesa (non puntiforme) Matias Antonelli – Martin Gega

Tecniche di visualizzazione delle immagini di fase • Contrasto di fase • Tecnica dell’illuminazione obliqua • Metodo Shadowgraph • Strioscopia • Metodo Shclieren Matias Antonelli – Martin Gega

Tecniche di visualizzazione delle immagini di fase • Contrasto di fase • Tecnica dell’illuminazione obliqua • Metodo Shadowgraph • Strioscopia • Metodo Shclieren Matias Antonelli – Martin Gega

Tecniche di visualizzazione delle immagini di fase Strioscopia Premessa • Immagine di fase: • Contrasto di fase: sfasamento della componente continua affinché i due contributi si sommino o si sottragano Matias Antonelli – Martin Gega

Tecniche di visualizzazione delle immagini di fase Strioscopia Premessa • La strioscopia è un caso particolare del Contrasto di fase dove: • la trasmissione della componente continua è nulla • l’informazione sul segno della variazione di fase è soppressa Matias Antonelli – Martin Gega

Tecniche di visualizzazione delle immagini di fase Strioscopia Trasparenza del filtro di elaborazione: Elimina il contributo d’ampiezza, rendendo visibile solo quello relativo alla variazione di fase Matias Antonelli – Martin Gega

Tecniche di visualizzazione delle immagini di fase Strioscopia • Nell’ipotesi di piccola variazione di fase il campo elaborato è: n • Il sistema visivo né rileva solo l’intensità Matias Antonelli – Martin Gega

Tecniche di visualizzazione delle immagini di fase Strioscopia Matias Antonelli – Martin Gega

Tecniche di visualizzazione delle immagini di fase Strioscopia • Limiti: n • Elevata intensità della sorgente può nascondere particolari a fase molto piccola • Il filtro introduce un effetto passa-alto: impossibile realizzare un filtro che elimini solamente la continua Matias Antonelli – Martin Gega

Applicazione alla visualizzazione dei moti fluidi Strioscopia Applicazione allo studio dei moti fluidi prodotti dalla facoemulsificazione Matias Antonelli – Martin Gega

Applicazione alla visualizzazione dei moti fluidi Strioscopia • L’immagine d’ingresso è costituita da: • manipolo faco • vaschetta di vetro • fluido (soluzione salina) • flussi prodotti dalla sonda vibrante Matias Antonelli – Martin Gega Immagine di fase che si vuole rendere visibile

Applicazione alla visualizzazione dei moti fluidi Strioscopia Matias Antonelli – Martin Gega

Applicazione alla visualizzazione dei moti fluidi Strioscopia Flussi prodotti da: ¡ irrigazione e aspirazione ¡ irrigazione, aspirazione e cavitazione Matias Antonelli – Martin Gega

Applicazione alla visualizzazione dei moti fluidi Strioscopia ¡ Filmato acquisito con telecamera ad elevato numero di fotogrammi Matias Antonelli – Martin Gega

Applicazione alla visualizzazione dei moti fluidi Strioscopia ¡ ¡ ¡ Formazione canale Apertura in profondità Allargament o canale Turbolenze Aspirazione Matias Antonelli – Martin Gega

Sistema di Elaborazione Ottica delle Immagini a Luce Bianca Sistema ottico a colori È possibile svincolarsi dall’ipotesi di luce monocromatica? • I sistemi ottici sono realizzabili con sorgenti puntiformi a luce bianca • Possibilità di utilizzare anche sorgenti estese Matias Antonelli – Martin Gega

Sistema di Elaborazione Ottica delle Immagini a Luce Bianca Sorgente estesa • È una sorgente di luce incoerente • Ogni punto della sorgente produce una trasformata dell’immagine • Sul piano di Fourier si ha la sovrapposizione delle singole trasformate Matias Antonelli – Martin Gega Limita l’elaborazione ottica a colori

Sistema di Elaborazione Ottica delle Immagini a Luce Bianca Sorgente estesa • Soluzione: • codifica mediante opportune maschere a fori • ogni foro approssima una sorgente puntiforme ideale Matias Antonelli – Martin Gega

Sistema di Elaborazione Ottica delle Immagini a Luce Bianca Sorgente estesa Vantaggi della sorgente estesa codificata: • Sorgenti economiche e facilmente reperibili • Più canali di trasmissione scorrelati tra loro • Repliche dello spettro sul piano di Fourier • Possibilità di trattare le trasformate in modo separato • Codifica cromatica Matias Antonelli – Martin Gega

Sistema di Elaborazione Ottica delle Immagini a Luce Bianca Sistema ottico a colori Matias Antonelli – Martin Gega

Sistema di Elaborazione Ottica delle Immagini a Luce Bianca Filtri cromatici Trasparenze a bande di forma e colore opportuno n Tipi utilizzati: n filtri a simmetria circolare a tre bande colorate ¡ filtri a settori colorati ¡ Matias Antonelli – Martin Gega

Sistema di Elaborazione Ottica delle Immagini a Luce Bianca Filtri circolari • Banda passante divisa in tre corone • Le alte frequenze spaziali si colorano in blu • Le basse frequenze assumono tonalità rosse • Non discrimina la direzione Matias Antonelli – Martin Gega

Sistema di Elaborazione Ottica delle Immagini a Luce Bianca Filtri a settori • Banda passante divisa in sei settori • Codifica la fase secondo la direzione delle variazioni • Il verso della variazione è ininfluente • La banda passante varia secondo il colore Matias Antonelli – Martin Gega

Sistema di Elaborazione Ottica delle Immagini a Luce Bianca Codifica cromatica • Sul piano di Fourier si ottengono le trasformate disposte secondo la ricostruzione della matrice di sorgenti • Perciò si usa una matrice di filtri congruente con quella delle sorgenti per ottenere maggiore selettività Matias Antonelli – Martin Gega

Sistema di Elaborazione Ottica delle Immagini a Luce Bianca Codifica cromatica • Le trasformate sono centrate rispetto a ciascuno dei filtri • Esse sono scalate dalle rispettive lunghezze d’onda Matias Antonelli – Martin Gega

Sistema di Elaborazione Ottica delle Immagini a Luce Bianca Codifica cromatica Come avviene la codifica: • settori sfasati • componenti dello stesso gradiente assumono tonalità diverse Matias Antonelli – Martin Gega

Applicazione alla visualizzazione dei moti fluidi Sistema ottico a colori Matias Antonelli – Martin Gega

Applicazione alla visualizzazione dei moti fluidi Sistema ottico a colori ¡ Esempio di visualizzazio ne di flussi codificati con colori diversi nelle varie direzioni di propagazion e Matias Antonelli – Martin Gega

Applicazione alla visualizzazione dei moti fluidi Sistema ottico a colori Esempio di deformazion e del viscoelastico ¡ Propagazion e delle onde acustiche fino alla rottura della struttura del Matias Antonelli – Martin Gega materiale ¡

Risultati e conclusioni Conclusioni • I risultati ottenuti sono soggetti a: • interpretazione medica • interpretazione ingegneristica Matias Antonelli – Martin Gega

Risultati e conclusioni Conclusioni Interpretazione medica: • Le immagini prodotto hanno permesso: • maggiore comprensione dei fenomeni coinvolti nella facoemulsificazione • importanti informazioni circa il funzionamento delle apparecchiature • verifica delle soglie di generazione delle bolle Matias Antonelli – Martin Gega

Risultati e conclusioni Conclusioni Interpretazione ingegneristica: • I sistemi realizzati hanno raggiunto gli obbiettivi prefissati • Le immagini a colori hanno riportato un contenuto informativo più ricco rispetto a quelle ottenute con luce monocromatica Matias Antonelli – Martin Gega

Risultati e conclusioni Sviluppi futuri • Realizzare maschere di filtri ad elevata selettività mediante l’utilizzo dei filtri a corone circolari: • necessita di realizzazione di filtri con larghezza delle bande colorate variabili Matias Antonelli – Martin Gega

Fine Grazie per l’attenzione Matias Antonelli – Martin Gega