ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОЛНЫ Российский патент 2017 года по МПК G01B11/16 

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, что предпочтительно, со значительно меньшей, например не больше чем 0,5 мм² или даже не больше чем 0,1 мм². Поэтому, когда поверхность 103 находится в пределах рабочего интервала, источник 105 когерентного света может создавать такие небольшие световые пятна (постоянные или при изменяемые вручную и/или автоматически).

Следует понимать, что размер наблюдаемых спеклов зависит не только от размера светового пятна, но также зависит от других параметров, таких как расстояние наблюдения, изображающая оптика и физическое разрешение датчика. Однако обычно более практично осуществлять регулировку размера светового пятна.

Хотя световые пятна, формируемые источником 105 когерентного света, выглядят как небольшие точки в сфокусированном изображении поверхности 103, соответствующие объекты в изображениях, захватываемых камерой 111, становятся относительно большими (обычно круговыми) участками с отдельными и резкими спекл-структурами. Размер спекл-структуры определяется расстоянием до объекта относительно расстояния (де)фокусировки, которое может быть бесконечным. Чем больше разность между расстоянием до объекта и расстоянием фокусировки, тем больше участок, который заполняется спекл-структурой.

Ширина полосы пространственных частот спекл-структуры, которая определяет зернистость ее зрительного восприятия, определяется размером освещаемого пятна. Чем меньше освещаемое пятно, тем меньше ширина полосы пространственных частот и крупнее спекл-зерна.

Пример спекл-структуры показан на фиг. 2.

В устройстве 101 формирования спекл-изображения из фиг. 1 используется то, что поверхностная волна создает небольшие изменения расстояния до поверхности, когда поверхностная волна движется по поверхности. Поэтому в данной точке характеристики поверхности изменяются при прохождении волнового фронта поверхностной/пульсовой волны. В системе используется то, что это изменение приводит к изменению спекл-структуры вследствие отражения от отдельного светового пятна. Таким образом, путем обнаружения изменения спекл-структуры можно обеспечивать обнаружение поверхностной волны, проходящей световое пятно. В системе из фиг. 1 изменения спекл-структуры обнаруживаются применительно к двум световым пятнам, которые пространственно разделены. Разность во времени определяется между изменениями двух спекл-структур и эта разность во времени считается показывающей время, необходимое для прохождения поверхностной/пульсовой волны от одного светового пятна к другому. В соответствии с этим скорость поверхностной волны вычисляется по разности во времени и расстоянию между световыми пятнами.

Таким образом, системой обнаруживаются соответствующие незначительные возмущения и изменения поверхности, которые происходят, когда поверхностная/пульсовая волна распространяется к двум различным точкам на поверхности. В конкретном примере, в котором измеряют скорость пульсовой волны крови, световые пятна могут освещать расположенные близко места в непосредственной близости к одним и тем же артериям, например, в плече или запястье. Например, типичные расстояния между световыми пятнами могут быть от 1 см до 20 см, а предпочтительно не меньше чем 3 см и не больше чем 10 см.

Изменения спекл-структур можно обнаруживать в соответствии с подходящим критерием. В частности, анализирующий процессор 113 может определять свойство каждой из двух спекл-структур. Обычно для обеих спекл-структур определяется одно и то же свойство, но в некоторых вариантах осуществления конкретное свойство, которое оценивается, может быть разным для двух картин. Конкретное оцениваемое свойство зависит от предпочтений и требований, соответствующих отдельному варианту осуществления. Во многих вариантах осуществления предпочтительным свойством может быть контраст спекл-структуры или, например, сдвиг между последовательными картинами.

Затем анализирующий процессор 113 выполняет обнаружение изменения каждого свойства в соответствии с подходящим критерием обнаружения изменения. Например, анализирующий процессор 113 может обнаружить, что значение свойства изменилось больше чем на заданную величину в заданном временном интервале, что свойство отклонилось больше чем на заданную величину от номинального значения, значения по умолчанию или усредненного во времени значения и т.д.

После этого определяется разность во времени между двумя обнаруженными изменениями и на основании разности во времени вычисляется скорость пульсовой волны. В частности скорость PWV пульсовой волны можно вычислять как отношение расстояния Δr_dot между световыми пятнами на измеряемой поверхности к оцененной временной задержке Δt:

.

В некоторых вариантах осуществления анализ может выполняться относительно последовательности изображений и в частности, камера 111 может быть видеокамерой, формирующей видеосигнал, содержащий последовательность кадров/изображений.

В таком примере анализирующий процессор 113 может определять единственное значение свойства, такое как, например, контраст спекла, для каждой спекл-структуры в каждом изображении. Когда пульсовая волна движется по поверхности, она прежде всего вызывает отклонение поверхности под первым световым пятном, вследствие чего изменяется контраст соответствующего спекла. Таким образом, в изображении, захватываемом в момент времени, когда поверхностная волна движется по первому световому пятну, но еще не достигла второго светового пятна, спекл-структура первого светового пятна претерпевает изменение, тогда как спекл-структура второго светового пятна не претерпевает. Спустя некоторое время поверхностная волна достигает второго светового пятна и вторая спекл-структура претерпевает изменение. В таком случае разность во времени между прохождением поверхностной волной первого светового пятна и прохождением поверхностной волной второго светового пятна может быть определена как разность во времени между соответствующими изображениями. В качестве простого примера разность во времени можно определять как период кадра, умноженный на число кадров между кадром, в котором обнаруживается изменение первой спекл-структуры, и кадром, в котором обнаруживается изменение второй спекл-структуры. Затем скорость пульсовой волны можно найти так, как описано выше.

В соответствии с этим система из фиг. 1 выполнена с возможностью определения скорости поверхностной волны по изображениям, которые содержат спекл-структуры для обоих световых пятен. Этим обеспечивается существенное преимущество, поскольку можно исключать или уменьшать необходимость в синхронизации измерений при различных положениях, и соответственно получается менее сложная реализация и/или достигается более надежное определение скорости.

Хотя во многих вариантах осуществления такой способ может приводить к точным измерениям скорости поверхностной волны, для него требуется камера с достаточно высокой частотой смены кадров, обеспечивающей достаточно небольшие разности во времени между кадрами для получения достаточного разрешения во времени, приводящего к достаточному разрешению оценок скорости.

В соответствии с этим для измерения при высоких скоростях с достаточным разрешением/точностью необходимо использовать высокоскоростные камеры. При этом обычно значительно возрастают затраты. Кроме того, необходимость анализа спекл-структур во многих изображениях обычно приводит к сложным и требующим значительных ресурсов применениям.

В некоторых вариантах осуществления эти недостатки можно ослаблять. В частности, в некоторых вариантах осуществления камера 111 может содержать скользящий затвор для формирования несфокусированных изображений (или на самом деле единственного несфокусированного изображения), захватываемого при использовании захвата скользящим затворов.

В таких вариантах осуществления вместо использования традиционной камеры, в которой изображение создается восприятием света в течение одинакового интервала времени для всех частей изображения, в устройстве 101 формирования спекл-изображения из фиг. 1 используется камера 111, в которой осуществляется выборка при сдвиге во времени различных участков изображения. Таким образом, изображение может быть разделено на множество участков, имеющих моменты захвата, которые сдвинуты относительно друг друга. В соответствии с этим моменты выборок не являются постоянными для всех пикселей изображения, а изменяются по изображению.

В качестве конкретного примера скользящий затвор может захватывать изображение последовательно по строкам. В частности, в каждый момент времени он может создавать изображение одной строки, при этом момент выборки/захвата сдвинут относительно момента выборки/захвата другой строки. Таким образом, фактическое время захвата будет возрастать после каждой строки. Во многих вариантах осуществления изображение может формироваться камерой, производящей выборки выходного напряжения датчика изображения (такого как датчик на приборах с зарядовой связью (ПЗС)). В частности, скользящий затвор может осуществлять построчный захват, и этот захват может быть реализован путем по существу одновременной выборки каждой строки датчика изображения, но со сдвигом во времени между строками. Таким образом, строки могут выбираться последовательно, одна строка в каждый момент времени (или, возможно, N строк за один раз, где N - целое число).

В соответствии с этим получающееся изображение отражает поверхность в несколько иное время, поскольку каждая строка соответствует другому моменту выборки. Вследствие этого спекл-структуры не представляют характеристики поверхности точно в один момент времени, а также содержат временную информацию, то есть каждая спекл-структура может также отражать, каким образом изменяется с течением времени свойство поверхности на месте соответствующего светового пятна.

Нижеследующее описание будет сосредоточено на вариантах осуществления, в которых реализован скользящий затвор для формирования последовательности строк. Поэтому в примере направление продвижения скользящего затвора является перпендикулярным к направлению строк. Например, когда скользящий затвор считывает один ряд в каждый момент времени (то есть строка построчной последовательной операции соответствует ряду пикселей датчика изображения), направление продвижения является столбцовым направлением. Аналогичным образом, если скользящий затвор считывает один столбец в каждый момент времени (то есть строка построчной последовательной операции соответствует столбцу пикселей датчика изображения), направление продвижения является направлением по рядам. Нижеследующее описание будет сосредоточено на примерах, в которых скользящий затвор считывает один горизонтальный ряд в каждый момент времени, и поэтому направление продвижения скользящего затвора является вертикальным направлением.

Следует понимать, что в других вариантах осуществления скользящий затвор может считывать больше одной строки в каждый момент времени или что он может быть расположен с учетом продвижения в других направлениях. Например, в некоторых вариантах осуществления скользящий затвор может иметь диагональное направление продвижения и поэтому он может производить выборки с датчика напряжения по строкам, которые расположены перпендикулярно к этой диагонали (то есть параллельно противоположной диагонали в случае квадратного датчика). Следует понимать, что направление продвижения соответствует направлению от участка (например, от центральной точки), выбираемого в данный момент взятия выборки, до участка (например, до центральной точки), выбираемого в следующий момент взятия выборки.

Анализирующий процессор 113, осуществляющий анализ, выполнен с возможностью определения разности во времени между моментами прохождения поверхностной волной мест нахождения двух световых пятен на основании анализа, при котором учитывается зависимость между пространственными и временными характеристиками захваченного изображения. В частности, в реализации камеры изобретателей используется то, что скользящий затвор вносит временной эффект в пространственные свойства изображения и что путем анализа пространственных свойств изображения (даже единственного изображения) можно получать информацию о временных характеристиках.

В частности, в способе использования скользящего затвора можно уменьшать или исключать необходимость в высокоскоростных камерах. Фактически можно достигать временного разрешения определяемого свойства, которое значительно выше частоты кадров изображения. На самом деле при многих применениях можно достигать временного разрешения, не меньше чем в десять раз превышающего частоту кадров изображения.

Кроме того, во многих вариантах осуществления можно уменьшить сложность системы и снизить требования к необходимым ресурсам при обработке. Действительно, преобразованием временных характеристик в пространственные характеристики пространственной картины в единственном изображении можно не только снизить требование к ресурсам вследствие анализа меньшего количества изображений, но в дополнение к этому можно использовать многие алгоритмы низкой сложности. В частности, для некоторого количества алгоритмов пространственного анализа требования к ресурсам могут быть ниже, чем для алгоритмов, основанных на временных анализах между различными изображениями.

Пример спекл-структуры при перемещении поверхности, захватываемой камерой с использованием способа скользящего затвора, показан на фиг. 3. Как можно видеть, в спекл-структуре наблюдается изменение пространственной картины, которое отражает, каким образом картина транслируется между различными моментами выборок. В этом конкретном примере колебательное движение придается поверхности и, как можно видеть, это приводит к трансляциям пространственной картины в горизонтальном направлении в зависимости от вертикального положения. В этом примере скользящий затвор действует последовательно по рядам и в соответствии с этим вертикальное направление картины также отражает временное измерение. В частности, на картине из фиг. 3 наблюдаются вертикальные волны, соответствующие синусоидальным колебаниям поверхности. Поэтому горизонтальные трансляции в зависимости от вертикальных положений дают информацию о временном изменении поверхности и в частности, о перемещении поверхности.

Другие примеры спекл-структур, имеющих пространственные характеристики, отражающие перемещение поверхности, показаны на фигурах 4 и 5. На фиг. 4 показан пример, в котором поверхность имела перемещение, соответствующее синусоидальной волне с частотой 246 Гц, а на фиг. 5 показан пример, в котором поверхность подвергалась действию короткого импульса при наличии соответствующих колебаний.

Анализирующий процессор 113 выполнен с возможностью использования пространственного представления изменений во времени поверхности для определения разности во времени между прохождением поверхностной (или пульсовой) волной первого и второго световых пятен. Поэтому в анализирующем процессоре 113 может выполняться пространственный анализ спекл-структур и он может использоваться для определения разности во времени, которая затем используется для вычисления скорости волны. Анализирующий процессор 113 выполнен с возможностью анализа, каким образом пространственная спекл-структура изменяется в пространственном направлении, отражающем изменение во времени, то есть в направлении продвижения скользящего затвора. Таким образом, в этом конкретном примере анализируются изменения между спекл-структурами при различных вертикальных положениях.

Соответственно, в системах с использованием скользящего затвора анализирующий процессор 113 может определять разность во времени в зависимости от пространственных характеристик двух спекл-структур. В частности, разность во времени может определяться в соответствии с пространственной корреляцией первой спекл-структуры и второй спекл-структуры. Например, две картины могут быть пространственно коррелированными и может быть определен пространственный сдвиг или смещение, соответствующее максимальной корреляции. Затем эта разность по пространству может быть преобразована в разность во времени с учетом скорости скользящего затвора. Например, если максимальная корреляция найдена для сдвига, например, на восемь строк, то разность во времени может быть определена как восьмикратное время перемещения скользящего затвора от строки к строке. Поэтому разность во времени может быть определена путем сравнения по пространству спекл-структур для первого светового пятна и второго светового пятна.

Следует понимать, что в анализирующем процессоре 113 можно использовать различные алгоритмы для определения разности во времени. Несколько способов будут описаны ниже. Однако следует понимать, что анализирующий процессор 113 не ограничен этими примерами и что в зависимости от конкретных предпочтений и требований, относящихся к отдельным вариантом осуществления, в других вариантах осуществления можно использовать иные способы.

В некоторых вариантах осуществления и сценариях анализирующий процессор 113 выполнен с возможностью определения разности во времени в соответствии с пространственным сравнением первой спекл-структуры и второй спекл-структуры в одном несфокусированном изображении.

Когда волновой фронт поверхностной волны проходит световое пятно, он создает перемещение поверхности, которое приводит к изменению спекл-структуры. В случае захвата скользящим затвором оно приводит к изменению спекл-структуры на пространственном месте, которое соответствует времени прохождения волнового фронта. Поэтому в захваченной спекл-структуре будет проявляться изменение характеристик картины, при этом пространственное положение изменения будет непосредственно представлять время прохождения волнового фронта. Это явление будет возникать для обоих объектов изображений световых пятен, то есть для световых пятен. Однако, когда световые пятна пространственно сдвинуты, точное время изменения будет другим и это будет приводить к изменению, происходящему на других пространственных местах. Если два световых пятна находятся достаточно близко в пределах разности во времени между прохождениями волновыми фронтами световых пятен, находящихся в пределах одного интервала захвата кадра, в обоих объектах изображений, представленных на одном изображении, могут иметься изменения спекл-структур.

Пример такого сценария показан на фиг. 6. Картины были получены на экспериментальной установке, в которой лазером проецировалась картина двух световых пятен на кусочек бумаги, который был прикреплен к небольшому громкоговорителю, излучавшему импульс. При выравнивании ориентации отраженных точек и ориентации камеры разности времени прихода можно было наблюдать в виде вертикальных сдвигов между левой и правой трансляциями картины.

Как показано на фиг. 6, смещение диффузора громкоговорителя вызывает сильно выраженные трансляции картины и размытие вследствие движения в нижней части левой картины. На правой картине начало импульса можно наблюдать на другом месте по вертикали, что указывает на задержку времени прихода импульса, когда волна распространяется от места нахождения одного светового пятна до места нахождения второго светового пятна. В свою очередь вертикальное смещение картины может быть преобразовано во временную задержку при использовании частоты строк. Следует отметить, что выравнивание камеры не влияет на вертикальное положение начала искажения вследствие перемещения объекта. Начало изображения по вертикали зависит только от времени.

В таком примере анализирующий процессор 113 может обнаруживать пространственное положение изменения, происходящего в первом спекл-изображении, и пространственное положение изменения, происходящего во втором спекл-изображении. Этот пространственный сдвиг можно оценивать и преобразовывать в разность во времени между прохождением волновым фронтом первого и второго световых пятен на основании скорости продвижения скользящего затвора. Затем скорость волны можно вычислять по разности во времени и расстоянию между световыми пятнами.

Следует понимать, что имеются многочисленные способы обнаружения изменений спекл-структур и оценивания вертикального пространственного сдвига между изменениями соседних спекл-структур. Прежде всего данные о двумерном изображении можно преобразовать в одномерные трассы путем прослеживания смещений от строки к строке и анализа результирующей картины перемещения. В качестве варианта контраст спеклов в каждой спекл-структуре можно определить для отдельных строк (или групп из N строк). Затем можно вычислить относительное изменение между последовательными строками и, если изменение превышает заданный порог, изменение спекл-структуры можно считать происходящим на этом месте. После этого пространственный сдвиг можно определить как некоторое количество строк между обнаруженными местами изменения первой и второй спекл-структур.

В качестве более детального примера анализирующий процессор 113 выполнен с возможностью проведения построчного анализа для определения разности во времени и тем самым скорости волны. В частности, камера выполнена с возможностью последовательного взятия выборок из группы соседних строк в каждый момент времени, за которой следует следующая группа строк, и т.д. Обычно камера захватывает одну строку в каждый момент времени, но в некоторых вариантах осуществления она может захватывать N строк в каждый момент времени, где N - любое целое число. Поэтому полное изображение составляется из множества групп соседних строк, захватываемых в различные моменты времени. В таких вариантах осуществления анализирующий процессор 113 может выполнять сравнение спекл-структур из различных групп, чтобы обнаруживать, когда происходит изменение. Кроме того, следует понимать, что в некоторых вариантах осуществления в устройстве 101 формирования спекл-изображения могут создаваться отдельные группы строк путем объединения соседних строк, которые не захватываются одновременно. Например, в случае захвата скользящим затвором одной строки за раз группы строк, используемые для анализа, могут быть формированы объединением двух, трех или большего количества строк. Следствием этого будет эффективное снижение пространственного разрешения в направлении продвижения скользящего затвора и следовательно, снижение временного разрешения, но при этом может обеспечиваться более надежное оценивание каждой группы.

Для краткости и ясности последующее описание будет сосредоточено на примерах, в которых каждая группа состоит из одной строки и в которой скользящий затвор выполняет последовательный захват по одной строке в каждый момент времени. В качестве конкретного примера каждая группа может содержать единственный горизонтальный ряд.

В этом случае анализирующий процессор 113 может выполнять (для каждой спекл-структуры) сравнение спекл-структур из различных рядов для определения момента возникновения изменения. В частности, анализирующий процессор 113 выполняет определение свойства спекл-структуры для каждой строки и для каждой спекл-структуры.

Например, свойством может быть межстрочное смещение спекл-структуры. Например, анализирующий процессор 113 может коррелировать соседние строки, чтобы определять оценочную трансляцию картины. Следует понимать, что можно применять усреднение по многим строкам, фильтрацию формируемых оценок перемещения и т.д.

При таком подходе формируются преимущественно спекл-структуры, имеющие относительно крупные спекл-зерна и в частности, имеющие такие спекл-зерна, что по меньшей мере 80% спеклов имеют протяженность в направлении продвижения скользящего затвора (то есть в вертикальном направлении в этом примере), которое выходит за пределы двух строк (или 2N строк, если затвор захватывает N строк в каждый момент времени).

В качестве конкретного примера на фиг. 7 показана часть спекл-структуры для поверхности пьезоэлектрического акустического преобразователя, который возбуждался электрическим сигналом с функционального генератора. В спекл-структуре ясно проявляется волнообразное искажение, которое становится более видимым после увеличения вертикальных краев. На фиг. 8 показана спекл-структура после такой операции увеличения краев. Следует понимать, что такое увеличение краев является необязательным и что специалисту в соответствующей области техники известны многие подходящие алгоритмы увеличения краев. Затем увеличенное изображение используют в качестве входного изображения для выполнения операции построчной взаимной корреляции, при которой оценивают смещение между последовательными строками с точностью до подпикселя.

В частности, смещение dx можно оценить при использовании взаимной корреляции строк в соответствии с:

,

где y - число строк/рядов, x - число столбцов и i обозначает значение пикселя.

Смещения, получающиеся в результате применения этого способа к изображению из фиг. 8, показаны на фиг. 9. Как можно видеть, оцененное смещение прямо соответствует синусоидальному волновому движению поверхности.

Как можно видеть, смещение спекл-структуры между соседними строками в направлении продвижения скользящего затвора близко к нулю при отсутствии перемещения, но изменяется и имеет ненулевое значение, когда возникает перемещение поверхности. В соответствии с этим изменение спекл-структуры, обусловленное поверхностной волной, проходящей световое пятно, может быть найдено как положение строки, межстрочная трансляция которой превышает заданный порог. Анализирующий процессор 113 соответственно выполняет определение пространственного положения (в частности, числа строк), в котором это происходит относительно первой и второй спекл-структур.

Следует понимать, что анализирующий процессор 113 часто может применять фильтрацию нижних частот (например, скользящее среднее) к формированным оценкам межстрочного смещения до сравнения их с порогом. Кроме того, следует понимать, что в других вариантах осуществления может выполняться более сложное оценивание и могут применяться более сложные критерии.

В качестве еще одного примера анализирующий процессор 113 может определять разность во времени в соответствии с пространственным сдвигом между соответствующими изменениями контраста спеклов строк для двух световых пятен.

Поэтому в таких вариантах осуществления анализирующий процессор 113 может вычислять контраст спеклов для каждой строки первой и второй спекл-структур.

Например, контраст С спеклов можно вычислить как отношение стандартного отклонения σ интенсивности I к средней интенсивности I_mean спекл-структуры:

.

Соответственно, анализирующий процессор 113 может вычислять это значение для каждой строки изображения и для первой и второй спекл-структур.

Когда поверхностная волна проходит световое пятно, результирующее перемещение спекл-структуры приводит к сильному размытию вследствие движения, и это, в свою очередь, значительно понижает контраст спеклов. Соответственно, анализирующий процессор 113 может выполнять обнаружение пульсовой волны в соответствии с обнаружением мест, на которых контраст спеклов спадает ниже порога.

И в этом случае следует понимать, что анализирующий процессор 113 может применять фильтрацию или усреднение и фактически может применять более сложный анализ и/или изменять критерии обнаружения.

После того как пространственные положения изменений спекл-структур в изображении обнаружены, анализирующий процессор 113 может использовать пространственный сдвиг для определения разности во времени между изменениями. В частности, соответствующая разность во времени может быть вычислена как пространственный сдвиг (измеренный по строкам), деленный на строчную частоту скользящего затвора. Затем скорость пульсовой волны может быть вычислена как расстояние между световыми пятнами, деленное на разность во времени.

В конкретном примере рассматривались спекл-структуры только одного изображения. Однако сравнение спекл-структур двух световых пятен можно делать между спекл-структурами в одном и том же изображении/кадре или между спекл-структурами в различных изображениях. Например, когда разность во времени между прохождением поверхностной волной первого и второго световых пятен меньше, чем период кадра, сравнение можно выполнять между спекл-структурами в одном и том же изображении, а когда она превышает период кадра, его можно выполнять между спекл-структурами в различных изображениях. Например, в некоторых вариантах осуществления можно применять корреляцию между спекл-структурой первого светового пятна в одном изображении и спекл-структурой второго светового пятна во множестве изображений (например, включая то же самое изображение). Можно находить максимальную полную корреляцию и можно вычислять разность во времени как межкадровый сдвиг во времени, соответствующий пространственному сдвигу.

Кроме того, предшествующий пример был основан на определении скорости поверхностной волны по одиночному волновому фронту. Однако во многих областях применения поверхностная волна представляет собой повторяющуюся поверхностную волну. В частности, в случае измерения пульсовой волны поверхностная волна повторяется при каждом сердечном сокращении. В некоторых вариантах осуществления это можно использовать для определения разности во времени между изменениями двух спекл-структур. Это можно делать, например, путем выполнения описанной выше операции при каждом повторении поверхностной волны и затем усреднения результата (например, усреднения вычисленной скорости или, например, найденной разности во времени).

В качестве еще одного примера взаимную корреляцию между найденными значениями свойств спекл-структур можно распространить на множество повторений поверхностной волны. Пример свойства, определенного для двух спекл-структур при повторяющейся поверхностной волне, показан на фиг. 9.

В частности, в этом примере показано значение контраста спеклов и, как можно видеть, имеется явный и согласованный пространственный сдвиг между двумя световыми пятнами. Этот сдвиг можно определить при использовании таких способов, как взаимная корреляция, или путем сравнения положений характеристических точек признаков, таких как существование максимумом и минимумов.

Таким образом, в системе из фиг. 1 можно использовать эффект скользящего затвора для точного и с высоким разрешением определения скорости пульсовой волны. Это можно осуществлять без необходимости в высокоскоростных камерах и фактически при использовании во многих применениях достаточно простой стандартной дешевой мегапиксельной камеры, чтобы получать требуемое разрешение по пространству и во времени. Кроме того, поскольку весь анализ основан на изображениях, содержащих обе спекл-структуры, можно избежать необходимости в сложной и трудной синхронизации между различным оборудованием.

В предшествующих примерах световые пятна, создаваемые источником 105 когерентного света, считались круговыми пятнами, и захват круговых пятен приводил к круговым объектам изображений. Такой способ обычно используют при формировании спекл-изображения.

Однако в некоторых вариантах осуществления устройство 101 формирования спекл-изображения из фиг. 1 выполнено таким образом, что спекл-структуры, захватываемые датчиком изображения камеры 111, являются анизотропными. Такое некруговое формирование спекл-изображений может приводить к получению улучшенных спекл-структур в случае скользящего затвора и, в частности, может облегчить задачу анализа спекл-структур.

В частности, формирование анизотропного изображения можно осуществлять с помощью источника 105 когерентного света, выполненного с возможностью формирования световых пятен на поверхности в виде анизотропных световых пятен. Поэтому вместо формирования круговых световых пятен источник 105 когерентного света формирует световые пятна, которые могут быть, например, эллиптическими.

На самом деле размер спеклов в спекл-структурах обратно пропорционален размеру лазерного пятна, так что, чем меньше размер пятна, тем крупнее спеклы. Изобретатели поняли, что это рассмотрение можно также применять отдельно к каждому измерению, чтобы получать анизотропную спекл-структуру, и что это особенно выгодно при использовании захвата скользящим затвором. В частности, анизотропное световое пятно можно использовать для повышения вертикальной корреляции спекл-структуры (то есть в направлении продвижения скользящего затвора) при сохранении высокого горизонтального разрешения по сдвигу (например, в перпендикулярном направлении).

Спекл-структуры можно регулировать, например, линзой 109 устройства 101 формирования спекл-изображения из фиг. 1, представляющей собой цилиндрическую линзу. Это будет приводить к эллиптическим световым пятнам. Если большую ось эллипса светового пятна ориентировать горизонтально (то есть выравнивать относительно направления, перпендикулярного к направлению продвижения скользящего затвора, а в конкретном примере она выровнена относительно столбцового направления датчика изображения), будут возникать спеклы, которые удлинены в вертикальном направлении (то есть выровнены относительно направления продвижения скользящего затвора). Этим способом можно обеспечивать более высокую корреляцию между строками при сохранении высокого разрешения и изменения спеклов каждой строки. Следствием этого может быть улучшенное обнаружение изменений спекл-структуры и в частности, улучшенное обнаружение, основанное на межстрочных смещениях.

Эффект показан на фиг. 10, на которой приведены для сравнения соответствующие спекл-структуры для изотропного и неизотропного световых пятен, соответственно при отсутствии перемещения и наличии синусоидального перемещения поверхности.

В частности, на фиг. 10 показана спекл-структура анизотропного светового пятна 1001, захваченного камерой со скользящим затвором при отсутствии перемещения (картина 1003), и при наличии высокочастотного перемещения поверхности (картина 1005). Также показана спекл-структура изотропного светового пятна 1007, захваченного камерой со скользящим затвором при отсутствии перемещения (картина 1009), и при наличии высокочастотного перемещения поверхности (картина 1011).

Как можно видеть, изотропное световое пятно приводит к изотропной спекл-структуре, в которой информация о перемещении (соответствующем горизонтальным сдвигам по строкам) является трудноразличимой. Однако в случае анизотропного светового пятна спеклы удлиняются, вследствие чего информацию о перемещении можно обнаруживать намного легче. В примере анизотропное световое пятно 1007 вытянуто в горизонтальном направлении по сравнению с изотропным световым пятном 1001. Очевидно, что это приводит к увеличенному вертикальному размеру спеклов и поэтому обеспечивает более сильную межстрочную корреляцию. Вместе с тем горизонтальное разрешение сохраняется.

Следует понимать, что точная анизотропия световых пятен зависит от особенностей отдельного варианта осуществления. Однако во многих вариантах осуществления средняя протяженность спекл-зерен в направлении, соответствующем направлению продвижения скользящего затвора, по меньшей мере в два раза больше, чем средняя протяженность спекл-зерен в направлении, перпендикулярном к нему. Поэтому во многих вариантах осуществления изображение анизотропного светового пятна (или фактически само световое пятно) может иметь наибольший размер, который по меньшей мере в два раза больше, чем наименьший размер.

Анизотропные спекл-структуры не обязательно формировать с помощью анизотропных световых пятен на поверхности. Точнее, в некоторых вариантах осуществления источник 105 когерентного света выполнен с возможностью формирования световых пятен в виде изотропных световых пятен, при этом камера 111 выполнена с возможностью формирования соответствующих спекл-структур в виде объектов изображения анизотропных световых пятен.

Поэтому в некоторых вариантах осуществления изображающая оптика может видоизменена в качестве альтернативы проекционной оптике. Это можно сделать использованием, например, анизотропной оптической диафрагмы, астигматической оптики, анаморфотной оптики и призм. Фактически, благодаря изменению изображающей оптики можно растягивать изображение в большей степени в одном направлении, чем в другом. Этим можно воздействовать на контур кружка размытия и форму (наблюдаемых) спеклов.

В частности, аналогичным образом можно использовать анаморфотные линзы при записи на кинопленку и кинопроекции, чтобы получать широкоформатные изображения путем изменения отношения размеров при захвате и/или проецировании элементов. Оптика может включать в себя цилиндрические линзы или криволинейные зеркала.

В примере анаморфотная оптика ориентирована так, что спеклы относительно вытягиваются в направлении продвижения скользящего затвора.

Предшествующие варианты осуществления были сосредоточены на примерах, в которых источник 105 когерентного света формирует только два световых пятна, на основании каждого из которых затем формируется объект изображения спекл-структуры, подлежащий анализу. Однако в некоторых вариантах осуществления источник 105 когерентного света выполнен с возможностью формирования на поверхности больше двух световых пятен.

Такой пример варианта осуществления показан на фиг. 11. Пример соответствует примеру из фиг. 1, но источник 105 когерентного света формирует больше двух световых пятен. Их можно получать, например, при использовании нескольких лазерных источников света, единственного источника с дифракционной решеткой или использовании светоделителя и зеркал.

Камера 111 расположена так, что она захватывает все световые пятна. Кроме того, устройство 101 формирования спекл-изображения включает в себя селектор 1101, который выполнен с возможностью выбора из множества световых пятен поднабора, состоящего из по меньшей мере двух световых пятен. Кроме того, селектор 1101 соединен с анализирующим процессором 113, который выполняет анализ спекл-структур из поднабора световых пятен.

Способ особенно пригоден для автоматической или полуавтоматической адаптации к конкретному положению поверхности/ткани и в частности, может обеспечивать повышение гибкости и степени свободы при расположении объекта, подлежащего контролю.

Например, из множества световых пятен можно формировать регулярную или нерегулярную сетку. В таком случае измеряемый объект можно помещать на относительно большой испытательный участок, и система может начинать оценивание множества световых пятен для нахождения двух или большего количества световых пятен, которые расположены на надлежащих местах поверхности. В таком случае анализ может быть основан на выбранных световых пятнах. Кроме того, путем выбора поднабора световых пятен перед подробным анализом можно получать более эффективную и с меньшими требованиями к ресурсам систему.

Поэтому в способе можно использовать проецирование многочисленных световых пятен, например, в виде регулярной картины для повышения вероятности освещения представляющей интерес части ткани (например, пациента), подлежащей измерению. Кроме того, из набора световых пятен можно выбирать поднабор путем выбора представляющей интерес области на датчике камеры. В таком случае пространственное разрешение и частоту кадров можно повышать, например, только при захвате и обработке выбранной области, представляющей интерес.

При многих применениях вероятность освещения предпочтительного или даже надлежащего пятна на пациенте или исследуемом объекте без выполнения ручной адаптации или удовлетворения требования в части очень точного размещения объекта является очень малой. Действительно, в большей части применений требуется, чтобы анализируемое световое пятно было расположено на участке поверхности, который подвергается воздействию соответствующих колебаний. Обычно этот участок является относительно небольшим и два световых пятна следует располагать точно. Однако при использовании большего количества световых пятен необходимо контролировать только примерное и фиксированное положение объекта относительно источника 105 когерентного света (и камеры) и в таком случае устройство 101 формирования спекл-изображения может автоматически выбирать и адаптировать световые пятна, расположенные в надлежащих местах поверхности.

Однако недостаток наблюдения многочисленных световых пятен заключается в том, что объем информации возрастает, при этом могут повышаться требования к необходимым ресурсам и обработке. Однако при индивидуальном выборе подходящих точек для анализа эти последствия можно смягчать и требования к вычислительным ресурсам можно поддерживать очень низкими. Например, пространственное или временное разрешение можно понижать. Например, пространственное разрешение датчика можно понижать путем бинирования или взятия подвыборок. В качестве еще одного примера временное разрешение можно понижать путем использования более низкой частоты кадров, например, путем пропуска кадров при выполнении выбора. Кроме того, после начала идентификации поднабора световых пятен, их можно анализировать с полным разрешением пикселей и высокой частотой кадров, в результате чего будет гарантироваться отсутствие ухудшения оценки перемещения поверхности.

В качестве примера при выборе можно использовать два мегапиксельных датчика с частотой кадров 12 кадров в секунду при полном разрешении. Однако при выполнении полного анализа можно выбирать только небольшой участок, соответствующий, например, одному выбранному объекту изображения светового пятна. Это позволит иметь намного более высокую частоту кадров, такую как, например, 200 кадров в секунду.

В качестве примера устройство 101 формирования спекл-изображения можно использовать для определения скорости пульсовой волны пациента. Источник 105 когерентного света может формировать сетку световых пятен, показанную на фиг. 12. Установку можно располагать, например, над кроватью пациента, а картину световых пятен накладывать на участок грудной клетки лежащего пациента. Картина не обязательно должна быть видимой, но может быть сделана невидимой при использовании невидимого инфракрасного излучения и сенсорного обнаружения. Линза или набор линз не является необходимым для проецирования, но может повышать качество сигналов, поскольку крупность спеклов и следовательно, эффективный контраст связаны с размером лазерных пятен.

На фиг. 13 показано изображение, которое может быть захвачено дефокусированной камерой 111. Как можно видеть, спекл-структура формирована для каждого светового пятна. На фиг. 14 показаны соответствующие изображения, захваченные в экспериментальной установке, при этом поверхность является поверхностью пьезоэлектрического преобразователя.

В частности, примеры из фигур 12 и 13 могут быть использованы при дистанционном измерении скорости пульсовой волны пациента. При сердечных сокращениях небольшие возмущения могут быть обнаружены на поверхности кожи пациента, например, на грудной клетке пациента (или, например, на плече, шее и т.д.). Поэтому в примере в результате анализа спекл-структур можно получать информацию о скорости пульсовой волны пациента. Однако для получения надежных оценок важно, чтобы световые пятна, используемые для определения скорости, были расположены надлежащим образом.

Поэтому для повышения точности оценивания скорости пульсовой волны систему выполняют с возможностью выбора двух световых пятен. После выбора поднабора (который соответствует меньшему участку датчика изображения) пространственное разрешение (датчика) и частоту кадров/временное разрешение можно повысить для получения более точных измерений. Следует помнить, что пространственное разрешение отражает не общее число пикселей, а число пикселей на единицу длины или разрешающую способность.

Точный алгоритм и критерии, используемые при выборе поднабора, зависят от преференций и требований, относящихся к отдельным вариантам осуществления.

В некоторых вариантах осуществления селектор 1101 выполнен с возможностью выбора поднабора в зависимости от интенсивности световых пятен в несфокусированном изображении. Как можно видеть из фиг. 14, интенсивность световых пятен в несфокусированном изображении изменяется для различных световых пятен. В частности, средняя яркость объекта изображения световых пятен в несфокусированном изображении может зависеть от отражательных свойств отражающей поверхности, и это свойство можно использовать, чтобы гарантировать происхождение выбранных световых пятен действительно от надлежащей поверхности. Поэтому поднабор можно выбирать из условия содержания световых пятен, которые имеют высокую интенсивность, что будет приводить к улучшенному анализу.

В некоторых вариантах осуществления селектор 1101 выполнен с возможностью выбора поднабора в зависимости от контраста спеклов световых пятен из числа множества световых пятен. Как показано на фиг. 14, контраст спеклов может зависеть от точных свойств, связанных с конкретным положением светового пятна. Например, если расстояние до светового пятна отклоняется от точного фокусного расстояния, спекл-структура может становиться более грубой и это может приводить к пониженному контрасту. Путем выбора поднабора световых пятен, имеющих высокий контраст спеклов, можно выполнять улучшенный анализ. Например, корреляционная оценка может стать более точной и надежной.

В некоторых вариантах осуществления селектор 1101 выполнен с возможностью выбора поднабора в зависимости от изменения спекл-структуры световых пятен из множества световых пятен. В частности, поднабор может быть выбран на основании корреляции между спекл-структурами различных световых пятен. Поэтому в некоторых вариантах осуществления селектор 1101 выполнен с возможностью выбора поднабора в зависимости от корреляции между изменениями различных световых пятен из множества световых пятен.

В некоторых вариантах осуществления поднабор может быть выбран в зависимости от изменений спекл-структур, имеющих временную характеристику, которая удовлетворяет критерию подобия. Например, поднабор может быть выбран так, чтобы он включал в себя только световые пятна, изменение спекл-структур которых по существу соответствует, но, возможно, со сдвигом во времени повторяющимся изменениям с одной той же частотой, или которые, например, имеют повторяющиеся изменения с одной той же частотой. Например, при мониторинге пульсовой волны это может гарантировать, что будут учитываться только световые пятна, расположенные на поверхностях, которые перемещаются при сердечных сокращениях пациента.

В некоторых вариантах осуществления изменение спекл-структуры можно определять в качестве оценки перемещения спекл-структуры. В частности, оценка перемещения низкой сложности может выполняться и использоваться для выбора световых пятен, которые имеют соответствующие перемещения.

В некоторых вариантах осуществления селектор 1101 выполнен с возможностью выбора поднабора в зависимости от изменения картины световых пятен. В частности, источник 105 когерентного света выполнен с возможностью формирования регулярной сетки световых пятен. Однако, когда сетка охватывает участок со значительными изменениями по глубине (например, грудную клетку пациента и часть больничной кровати), интервалы по глубине приводят к относительному смещению световых пятен в захваченном изображении. Поэтому в захваченном изображении может регистрироваться нерегулярная сетка, и это отклонение можно использовать для идентификации световых пятен, которые не имеют ожидаемой глубины. Этот способ можно использовать, например, для обнаружения световых пятен, попадающих на грудную клетку пациента.

В некоторых вариантах осуществления селектор 1101 выполнен с возможностью выбора поднабора в зависимости от изображения картины без спеклов. Например, положения световых пятен относительно расположения пациента могут оцениваться при использовании другого изображения. Это изображение может быть, например, сфокусированным изображением, на котором световые пятна могут отображаться как небольшие пятна вместе с пациентом и частью кровати. В таком случае системой может оцениваться, какие пятна накладываются на грудную клетку пациента. В качестве другого примера связь положений пятен и положения пациента может быть получена из дополнительного изображения камеры, фонового изображения или предшествующей информации.

Следует понимать, что выбор поднабора необязательно выполнять для каждого кадра видеоизображения системы формирования изображения. Например, выбор поднабора можно повторять в заданных временных интервалах. Например, повторный выбор световых пятен для поднабора через каждые две секунды позволит системе прослеживать перемещения пациента.

В некоторых вариантах осуществления система может содержать обратную связь, функциональным назначением которой может быть, например, управление источником когерентного света для включения и отключения некоторых световых пятен. Кроме того, несмотря на то, что часто используется регулярная сетка по существу идентичных световых пятен, в системе также можно использовать неравномерную сетку. На самом деле можно изменять не только шаг сетки, но также и размеры световых пятен. Это можно использовать для оптимизации мониторинга конкретных характеристик применения.

Кроме того, следует понимать, что хотя использование многочисленных световых пятен может быть особенно подходящим при формировании спекл-изображения скользящим затвором, оно также может подходить для формирования спекл-изображения иного вида и при других применениях.

Следует понимать, что способ можно использовать, в частности, для оценивания измерений скорости пульсовой волны и соответственно можно получать бесконтактным путем оценки кровяного давления. Его можно использовать для различных медицинских применений, таких как мониторинг новорожденных или непрерывный (домашний) мониторинг пациентов, страдающих кардиологическими заболеваниями.

Кроме того, следует понимать, что общие принципы можно использовать для оценивания распространения волны другого вида вдоль заданной поверхности, и они могут найти промышленное применение, такое как мониторинг вибраций производственного оборудования.

Следует понимать, что в приведенном выше описании для наглядности варианты осуществления изобретения пояснены с обращением к различным функциональным схемам, блокам и процессорам. Однако должно быть понятно, что любое подходящее распределение функциональных возможностей между различными функциональными схемами, блоками и процессорами можно использовать без отступления от изобретения. Например, показанные функции, выполняемые отдельными процессорами или контроллерами, могут выполняться другими процессорами или контроллерами. Следовательно, ссылки на конкретные функциональные блоки или схемы следует понимать только как ссылки на средства, подходящие для выполнения описанных функций, а не как указание на точную логическую или физическую структуру или организацию.

Изобретение может быть реализовано в любой подходящей форме, включая аппаратное обеспечение, программное обеспечение, программно-аппаратные средства или сочетание их. Как вариант изобретение может быть реализовано, по меньшей мере частично, как компьютерное программное обеспечение, выполняемое одним или несколькими процессорами данных и/или процессорами цифровых сигналов. Элементы и компоненты варианта осуществления изобретения могут быть физически, функционально и логически реализованы любым подходящим способом. Фактически, функции могут быть реализованы в единственным блоке, во множестве блоков или в части других функциональных блоков. Как таковое, изобретение можно реализовать в единственном блоке или можно физически и функционально распределить между различными блоками, схемами и процессорами.

Хотя настоящее изобретение было описано применительно к некоторым вариантам осуществления, оно не предполагается ограниченным конкретной формой, изложенной в этой заявке. Точнее, объем изобретения ограничен только прилагаемой формулой изобретения. Кроме того, хотя описываемый признак может представляться применительно к конкретным вариантам осуществления, специалист в соответствующей области техники должен осознавать, что различные признаки описанных вариантов осуществления могут быть объединены в соответствии с изобретением. В формуле изобретения термин «содержащий» не исключает наличия других элементов или этапов.

Кроме того, множество средств, элементов, схем или этапов способа, упомянутых по отдельности, могут быть реализованы, например, единственной схемой, блоком или процессором. В дополнение к этому, хотя отдельные признаки могут быть включены в различные пункты формулы изобретения, их можно с успехом комбинировать, и включение комбинации в различные пункты формулы изобретения не означает, что комбинация признаков неосуществима и/или нецелесообразна. Кроме того, включение признака в одну категорию формулы изобретения не означает ограничения этой категории, а точнее, показывает, что в случае необходимости признак в равной степени применим к другим категориям формулы изобретения. Кроме того, порядок признаков в формуле изобретения не означает какого-либо конкретного порядка, в котором признаки должны работать, и в частности, порядок отдельных этапов в формуле изобретения на способ не означает, что этапы следует выполнять в этом порядке. Точнее, этапы можно выполнять в любом подходящем порядке. В дополнение к этому упоминание в единственном числе не исключает множества. Поэтому упоминания в единственном числе, указания «первый», «второй» и т.д. не исключают множества. Позиции в формуле изобретения приведены только в качестве поясняющего примера и не должны толковаться как ограничивающие каким-либо способом формулу изобретения.

Изобретение относится к определению скорости распространения поверхностной волны. Устройство для определения скорости распространения поверхностной волны содержит источник когерентного света для формирования по меньшей мере первого и второго световых пятен на поверхности. Камера захватывает по меньшей мере одно несфокусированное изображение по меньшей мере части поверхности, содержащей световые пятна. Несфокусированное изображение содержит объекты изображений световых пятен для световых пятен, при этом объекты изображений световых пятен имеют спекл-структуры. Анализатор определяет скорость распространения в соответствии с разностью во времени между изменениями двух спекл-структур. Изобретение позволяет обеспечивать определение скорости распространения на основании пространственного анализа спекл-структур и осуществлять эффективное дистанционное измерение скоростей пульсовой волны, например, в тканях животного или человека. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Устройство для определения скорости распространения поверхностной волны, содержащее:

источник (105) когерентного света для формирования по меньшей мере первого светового пятна и второго светового пятна на поверхности (103);

камеру (111) для захвата по меньшей мере одного несфокусированного изображения по меньшей мере части поверхности (103), 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

анализатор (113) для определения скорости распространения в соответствии с разностью во времени между изменениями первой спекл-структуры и второй спекл-структуры,

характеризующееся тем, что анализатор (113) выполнен с возможностью определения разности во времени между изменениями первой спекл-структуры и второй спекл-структуры в соответствии с пространственным сравнением первой спекл-структуры и второй спекл-структуры в одном несфокусированном изображении, захваченном камерой, при этом камера содержит скользящий затвор для захвата по меньшей мере одного несфокусированного изображения.

2. Устройство по п. 1, в котором анализатор (113) 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.

3. Устройство по п. 1, в котором анализатор (113) выполнен с возможностью определения разности во времени в соответствии с пространственной корреляцией первой спекл-структуры и второй спекл-структуры.

4. Устройство по п. 1, в котором анализатор (113) 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.

5. Устройство по п. 1, в котором анализатор (113) выполнен с возможностью определения разности во времени в соответствии с пространственным сдвигом между изменениями первой спекл-структуры и второй спекл-структуры.

6. Устройство по п. 1, в котором скользящий затвор выполнен с возможностью последовательного захвата строк несфокусированного изображения; и анализатор (113) выполнен с возможностью:

определения свойства первой спекл-структуры для первого объекта изображения светового пятна для каждой группы из множества групп, каждая из которых содержит по меньшей мере часть некоторого количества соседних строк несфокусированного изображения;

определения свойства второй спекл-структуры для второго объекта изображения светового пятна для каждой группы из множества групп;

обнаружения первого изменения свойства первой картины между группами из множества групп;

обнаружения второго изменения свойства второй 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.

7. Устройство по любому из пп. 1-6, в котором анализатор (113) 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.

8. Устройство по любому из пп. 1-6, в котором анализатор (113) выполнен с возможностью определения разности во времени в соответствии с пространственным сдвигом между изменениями смещений межстрочных спекл-структур для первого объекта изображения светового пятна и второго объекта изображения светового пятна.

9. Устройство по п. 1, в котором источник (105) когерентного света выполнен с возможностью формирования множества световых пятен на поверхности и камера выполнена с возможностью захвата множества световых пятен в несфокусированном изображении; и устройство также содержит:

селектор (1101), выполненный с возможностью выбора поднабора световых пятен для анализа анализатором (113).

10. Устройство по п. 9, в котором селектор (1101) выполнен с возможностью выбора поднабора световых пятен с использованием более низкого разрешения при обработке, чем используемое анализатором (113) при определении скорости распространения.

11. Устройство по п. 9, в котором селектор (1101) выполнен с возможностью выбора поднабора в соответствии с по меньшей мере одним из

интенсивности световых пятен из множества световых пятен;

контраста спеклов для световых пятен из множества световых пятен;

изменения спекл-структуры 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.

12. Устройство по 1, выполненное с возможностью определения скорости распространения пульсовой волны.

13. Способ определения скорости распространения поверхностной волны, содержащий этапы, на которых:

формируют по меньшей мере первое световое пятно и второе световое пятно на поверхности (103);

захватывают по меньшей мере одно несфокусированное изображение по меньшей мере части поверхности (103), 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

определяют скорость распространения в соответствии с разностью во времени между изменениями первой спекл-структуры и второй спекл-структуры,

характеризующийся тем, что на этапе определения скорости распространения определяют разность во времени между изменениями первой спекл-структуры и второй спекл-структуры в соответствии с пространственным сравнением первой спекл-структуры и второй спекл-структуры в одном несфокусированном изображении, при этом указанное несфокусированное изображение захватывают камерой, содержащей скользящий затвор для захвата по меньшей мере одного несфокусированного изображения.