ES2200390T3 - Metodo y aparato para detectar un objeto. - Google Patents

Abstract

ESTA INVENCION SE REFIERE A UN PROCEDIMIENTO DE DETECCION DE UN OBJETO SITUADO EN UN MEDIO DE DIFUSION DINAMICA, COMPRENDIENDO ESTE PROCEDIMIENTO: I) LA DIRECCION DE UNA ONDA LUMINOSA COHERENTE DE LONGITUD DE ONDA PREDETERMINADA EN EL MEDIO; II) EN DETECTAR DE UN MODO DINAMICO LA LUZ DIFUNDIDA QUE EMERGE DEL MEDIO; III) EN CORRELACIONAR LOS FOTONES LUMINOSOS DETECTADOS EN EL DOMINIO TEMPORAL O DE FRECUENCIAS; IV) EN DETERMINAR LA PRESENCIA DE UN OBJETO A PARTIR DEL ANALISIS DE LAS DIFERENCIAS ENTRE DICHA CORRELACION Y LA CORRELACION QUE SURGIRIA A PARTIR DE FOTONES DIFUNDIDOS SOLO POR EL MEDIO Y V) EN DETERMINAR LA POSICION APROXIMADA DEL OBJETO EN EL MEDIO, A PARTIR DE DICHO ANALISIS DE LA CORRELACION Y DEL CONOCIMIENTO DE LA TRAYECTORIA DE TRANSPORTE MEDIA DE LA ONDA LUMINOSA DE UNA LONGITUD DE ONDA PREDETERMINADA EN EL MEDIO.

Description

Método y aparato para detectar un objeto.

La presente invención concierne a un método y un aparato para detectar un objeto y/u obtener imágenes del mismo.

La obtención de imágenes a través de medios turbios se realiza a menudo usando mediciones del Tiempo de Vuelo. Se conocen varios métodos de medición de tiempo de vuelo. La mayoría de estos métodos miden el tiempo que unos pulsos de luz necesitan para recorrer un camino de retorno. Ya que, para la mayoría de los materiales, la velocidad de la luz es tanto conocida como constante, las mediciones de tiempo de vuelo pueden ser convertidas fácilmente en imágenes del medio a través del cual se hace pasar la luz.

La obtención de imágenes mediante el Tiempo de Vuelo es particularmente útil para obtener imágenes sobre grandes distancias o en medios semi-turbios. Sin embargo, cuando se trata de distancias cortas, la resolución de la imagen decrece rápidamente, ya que la velocidad de la luz es tan grande que, por ejemplo, una resolución espacial de 1 m requerirá un detector con una resolución temporal de 5 ns. La distancia medible más corta y la resolución de la imagen que se obtienen usando obtención de imágenes mediante el Tiempo de Vuelo está por tanto limitada por el tiempo de respuesta de los detectores usados. Un inconveniente adicional de la obtención de imágenes mediante el Tiempo de Vuelo es que el tiempo de reinicio de los detectores usados es considerablemente mayor que el tiempo de fluctuación (jitter time), de forma que los detectores sólo son capaces de llevar a cabo la detección durante un intervalo de tiempo muy pequeño de su tiempo total de funcionamiento. Un método alternativo de obtención de imágenes a través de medios turbios es usar ondas acústicas (por ejemplo, obtención de imágenes mediante ultrasonidos). Sin embargo, la obtención acústica de imágenes padece de resolución espacial insuficiente debido a la gran divergencia de las ondas acústicas.

Un método adicional conocido para la obtención de imágenes comprende formar una imagen de un objeto a partir de la interferencia de dos haces de luz coherente, siendo dispersado uno de los mismos por un objeto de estudio (por ejemplo, obtención holográfica de imágenes). Se han utilizado hologramas para analizar los parámetros no visibles de un objeto de estudio, por ejemplo, la vibración de un bloque de motor. La obtención holográfica de imágenes padece de numerosos inconvenientes. Primero, los hologramas requieren dos haces de exploración que deben interferirse y ser coherentes a lo largo de la distancia que lleva hasta el objeto de estudio. Segundo, los hologramas no son adecuados para la obtención de imágenes a través de medios opacos. Por lo tanto, no puede obtenerse imagen alguna a una distancia que sea mayor que el camino de transporte de un único fotón perteneciente a la luz utilizada para obtener el holograma. Tercero, los hologramas no son adecuados para mediciones a través de medios que presenten dispersión dinámica, ya que la dispersión reducirá la calidad de las imágenes obtenidas.

Existen numerosas técnicas conocidas para la obtención de imágenes donde una onda de exploración queda perturbada a medida que pasa, se dispersa, se refleja o es absorbida por un objeto de estudio. Esas técnicas requieren que la forma de energía utilizada para la onda de exploración, y su frecuencia, sean escogidas de forma tal que interactúen con el objeto de estudio no pudiendo por tanto estar optimizadas completamente para la detección (por ejemplo, baja absorción y/o alta resolución espacial y/o alta relación señal a ruido).

El documento US-A-5606969 describe un método de medición del funcionamiento del pulmón mediante el direccionamiento de luz hacia el interior del pulmón y el registro de la luz dispersada que proviene del pulmón, usando una cámara convencional. Un inconveniente de este método es que, ya que la detección es sólo de la intensidad de la luz, se pierde toda información que pudiera estar asociada con la fase de la luz. El documento US 5,664,574 describe un método de obtención de imágenes basado en detectar diferencias de fase entre luz emitida y luz detectada usando un detector sensible a la fase. Un inconveniente de este método es que el detector sensible a la fase y su aparato correspondiente es complicado y costoso.

Es objeto de la presente invención superar o mitigar substancialmente los inconvenientes citados arriba.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención se aporta un método para detectar un objeto (5) situado en el interior de medios con dispersión dinámica (4), donde el método comprende:

(i) dirigir una onda continua de luz coherente de longitud de onda predeterminada hacia el interior del medio;

(ii) detectar la luz dispersada dinámicamente que emerge desde el medio;

(iii) caracterizado porque el método comprende además la correlación de los fotones de luz detectados en el dominio del tiempo o de la frecuencia;

(iv) determinar la presencia de un objeto (5) a partir del análisis de las diferencias entre dicha correlación y la correlación que se obtendría a partir de los fotones dispersados sólo por el medio (4); y

(v) determinar la posición aproximada del objeto (5) en el interior del medio (4) a partir de dicho análisis de la correlación y a partir del conocimiento del camino promedio de transporte a través del medio (4) de la onda de luz de longitud de onda predeterminada.

El término "onda de luz" no se limita a la luz visible si no que debe entenderse que engloba toda radiación electromagnética de cualquier longitud de onda que fuera conveniente.

La invención evita los inconvenientes asociados al estado de la técnica precedente, realizando una correlación de la luz detectada, reteniendo por tanto información dependiente de la fase sin tener que usar un detector sensible a la fase.

El medio puede ser un medio turbio de una densidad relativamente alta y el objeto puede ser más o menos denso y más o menos viscoso que el medio. El objeto puede ser un objeto que absorba y/o refleje las ondas de luz incidentes.

La invención (de aquí en adelante referida como Obtención de Imágenes por Onda Difusa) incorpora aspectos de la conocida técnica de la Espectroscopia por Onda Difusa (Diffusing Wave Spectrocopy, DWS). Se usa la DWS para determinar el tamaño de partículas submicrométricas y para mediciones de reología de fluidos densos en suspensiones o emulsiones densas. La DWS no es aplicable a la obtención de imágenes de objetos discretos en el interior de medios turbios. Además, la DWS no se usa para indentificar partículas individuales. La eliminación de los fotones asociados a la zona cercana a los ejes de las trazas de auto- correlación se entiende como una limitación de la DWS. Los inventores han percibido que esta eliminación de fotones que han sufrido múltiples eventos de dispersión pueden usarse para determinar la presencia de un objeto y para formar una imagen a base de realizar muchas medidas.

La invención permite la obtención de imágenes usando fotones que han recorrido distancias ópticas superiores a dos caminos de transporte de fotón. Esto es lo contrario a la obtención de imágenes convencional de medios densos, que generalmente eliminan o filtran la luz que ha sido dispersada más de una vez. Ya que la invención no requiere que los fotones que hayan sufrido dispersión balística de bajo orden, es adecuada para la obtención de imágenes de suspensiones muy densas, donde la dispersión balística presenta limitaciones.

Los pasos de (i) a (v) pueden iterarse tanto secuencial como simultáneamente usando ondas de luz coherente de diferentes frecuencias predeterminadas que tengan diferentes caminos promedio de transporte dentro de los medios de dispersión dinámica, para obtener a partir de ello información adicional para aproximar la posición del objeto detectado a partir del análisis de las correlaciones respectivas y a partir del conocimiento de los respectivos caminos promedio de transporte. Por ejemplo, se utilizará luz de tres longitudes de onda diferentes.

Por lo tanto, cada iteración de los pasos (i) a (v) debe repetirse, tanto secuencial como simultáneamente, para puntos adicionales del interior del medio, combinando entonces los resultados para construir una imagen del objeto contenido en el medio. Cuando sólo se use una longitud de onda de luz, la imagen será bidimensional.

Sin embargo, el uso de dos o más diferentes longitudes de onda tal como se mencionó arriba (sondeando de forma efectiva a diferentes profundidades del medio y/o del objeto), permite la construcción de una imagen tridimensional.

La luz que emerge desde el medio (6) puede ser detectada a uno o más ángulos de dispersión predeterminados, preferiblemente un ángulo de dispersión de 180º y/o 0º.

El medio (6) puede ser modulado para inducir o mejorar el movimiento dinámico en el interior del mismo, para proporcionar o mejorar la dispersión dinámica requerida. De forma similar, cuando el objeto (5) es, como mínimo, parcialmente reflectante para una u otra onda de luz, el objeto (5) puede ser modulado para mejorar los cambios de fase en la luz reflejada sobre del mismo.

El método puede incluir el paso de seleccionar la luz de detección que tenga una componente de polarización predeterminada. Puede lograrse la selección usando filtros de polarización o cables de fibra óptica, que conserven sólo una componente de polarización concreta.

La, o cada una de las ondas de luz puede ser pasada a través de una ventana (13) antes de entrar en el medio, estando la ventana (13) dispuesta para reflejar la luz que es detectada conjuntamente con la luz que emerge desde el medio (4), produciendo por tanto una señal heterodina. La ventana (13) puede ser desplazada de forma ajustable con relación al origen de dicha onda de luz para permitir el control de la intensidad de la luz reflejada que es detectada. La ventana (13) puede estar dispuesta para provocar que la luz reflejada sufra múltiples reflexiones antes de ser detectada, estableciendo por lo tanto la longitud de camino recorrida por la luz reflejada a ser controlada.

El método puede realizarse sobre un cuerpo humano o animal, para detectar la presencia y la posición aproximada, o construir una imagen, de una entidad patológica en el interior del cuerpo.

De acuerdo con un tercer aspecto de la presente invención, se proporciona un aparato para detectar un objeto (5) situado en el interior de un medio de dispersión dinámica (4), comprendiendo el aparato unos medios (3) para dirigir una onda de luz coherente continua, de una longitud de onda predeterminada, hacia el interior del medio, y unos medios (10) para detectar luz dispersada dinámicamente que emerja desde el medio (4), caracterizado en que el aparato comprende además medios para correlacionar los fotones de luz detectados, en el dominio del tiempo o de la frecuencia y medios para visualizar dicha correlación con el propósito de permitir a un operador la determinación de la presencia de un objeto (5) a partir del análisis de las diferencias entre dicha correlación (2b, 2c) y la correlación (2a) que se obtendría a partir de los fotones dispersados sólo por el medio, quedando determinada la posición aproximada del objeto (5) en el interior del medio (4) a partir de dicho análisis de la correlación y partir del conocimiento del camino promedio de transporte de la onda de luz de longitud de onda predeterminada en el interior del medio (4).

La presente invención puede ser combinada con sistemas de obtención de imagen o sistemas de detección, tales como sistemas de tiempo de vuelo, CAT, resonancia de electrones, etc.

Otras posibles características de la invención serán aparentes a partir de la descripción que sigue.

A continuación se describirán realizaciones específicas de la invención, sólo a modo de ejemplo, en referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

la Figura 1 es un diagrama esquemático de un aparato de obtención de imágenes de acuerdo con un primer aspecto de la presente invención;

la Figura 2 muestra tres trazas de auto-correlación que ilustran el funcionamiento del aparato de la Figura 1;

la Figura 3 es un diagrama esquemático de una primera ventana heterodina apta para usarse con la presente invención;

la Figura 4 es un diagrama esquemático de una segunda ventana heterodina apta para usarse con la presente invención;

la Figura 5 es un diagrama esquemático de una tercera ventana heterodina apta para usarse con la presente invención;

la Figura 6 es un diagrama esquemático de un aparato generador de luz;

la Figura 7 es un diagrama esquemático de un aparato detector;

la Figura 8 es un diagrama esquemático de una sonda para su uso con la presente invención; y

la Figura 9 es un diagrama esquemático de un conjunto de fibras para ser usado con la presente invención.

la Figura 1 muestra un aparato de obtención de imágenes que comprende tres lásers 1 funcionando a diferentes longitudes de onda. Los tres lásers producen luz en las longitudes de onda de 488 nm (ión argón), 633 nm (helio, neón) y 1064 nm (Nd:YAG) respectivamente, teniendo la luz de cada láser un único modo transversal y longitudinal. La óptica 2 (un ejemplo de la cual será descrito ab con mayor detalle en referencia a la Figura 6) acopla la luz de cada láser 1 a un único modo de polarización manteniendo la fibra óptica 3. La luz de cada fibra 3 es emitida hacia el interior de un medio turbio 4 en el interior del cual está situado un objeto absorbente 5.

La luz dispersada por el medio turbio 4 es captada por tres fibras ópticas 6 que pueden tener la misma construcción que las fibras de emisión 3. La luz captada es colimada usando la óptica adicional 7 (un ejemplo de la cual será descrito abajo, con mayor detalle, en referencia a la Figura 7) y dirigida hacia los filtros de polarización 8 y los filtros ópticos de línea de radiación láser 9. La luz transmitida por los filtros de línea de radiación láser 9 es monitorizada por los detectores 10, estando cada respectivo detector 10 dispuesto para detectar las longitudes de onda de la luz dispersada de cada uno de los tres lásers 1. Los detectores 10 son tubos multiplicadores de conteo de fotón a fotón o fotodiodos de avalancha de conteo de fotones, cualquiera que sea apropiado para la longitud de onda de la luz a ser detectada. Una señal de salida proveniente de cada detector 10 pasa a un correlador digital que produce una traza de correlación (descrita abajo en referencia a la Figura 2). La traza de correlación puede mostrarse en un monitor 11.

El aparato ilustrado está configurado para detectar la luz dispersada a 180 grados (retro-dispersión). El aparato podría ser configurado para detectar la dispersión de luz a través de otros ángulos incluyendo luz, que aunque dispersada, sale del medio turbio 4 en la misma dirección que la luz incidente (por ejemplo, luz dispersada a 0º). Aunque es posible el funcionamiento del aparato a cualquier ángulo, el modelado matemático requerido para obtener imágenes se hace más complicado para ángulos de dispersión que no sean de 180 grados o 0 grados y por lo tanto se prefieren estas dos configuraciones.

Las Figuras 2a y 2c muestran tres trazas de correlación obtenidas a partir de luz dispersión y detectada en cada uno de los detectores 10. Cada correlación se obtiene correlacionando la luz detectada con ella misma (por ejemplo, la conocida técnica de la auto-correlación). Cada traza de correlación muestra el logaritmo del número de fotones detectados (eje vertical) frente a la raíz cuadrada del tiempo de retardo del correlacionador (por ejemplo, el tiempo de retardo de la auto- correlación de la señal detectada). La región de la traza de correlación cercana al eje vertical representa fotones que han sufrido una gran cantidad de dispersión, y adicionalmente, a medida que nos alejamos del eje vertical, se indican cantidades de dispersión menores (para luz con fase puramente aleatoria, la correlación será una línea plana). Es importante notar que se requiere algún tipo de movimiento del medio 4 para que la dispersión de la luz producida por el medio modifique la fase de la luz (normalmente el Movimiento Browniano es suficiente para este propósito).

La traza de correlación de la Figura 2a se obtiene a partir de la detección de la luz de longitud de onda más corta (por ejemplo, 488 nm). El medio turbio 4 dispersará la luz de longitud de onda corta de forma eficiente, y consecuentemente, en el ejemplo ilustrado, el promedio de penetración de fotones en el medio turbio 4 es menor que la distancia hasta el objeto absorbente 5. Por lo tanto, la luz de longitud de onda corta se ve poco afectada por el objeto 5, y la traza de correlación obtenida tendrá una característica de dispersión aleatoria debida al medio 4 (por ejemplo, una línea recta inclinada hacia abajo a partir de un valor máximo de 1). Por lo tanto, la traza de correlación indica que la profundidad del objeto 5 en el interior del medio 4 es mayor que el promedio de profundidad de dispersión de la luz de 488 nm (el promedio de la profundidad de dispersión de la luz de 488 nm en un medio dado puede conocerse a partir de un texto de referencia o a partir de la experimentación).

La traza de correlación 2b es obtenida a partir de la detección de la luz de longitud de onda intermedia (por ejemplo 633 nm), la cual tiene un mayor promedio de profundidad de penetración que la luz de longitud de onda relativamente más corta. La traza muestra alguna dispersión cercana al origen, que indica que aquellos fotones que han recorrido el camino más largo a través del medio 4 (aproximándose a fotones difusos) han sido absorbidos preferencialmente por el objeto absorbente 5. Más allá del origen de la traza, aquellos fotones que han recorrido un camino más corto no se ven afectados por el objeto 5, y la línea recta de caída de la traza permanece sin cambios. El perfil de la traza de correlación proporciona así información correspondiente a la profundidad y forma del objeto 5.

La traza de correlación 2c representa luz de longitud de onda larga (por ejemplo, 1064 nm) que tiene un mayor promedio de profundidad de dispersión que la luz de 633 nm. El efecto del objeto 5 sobre la traza queda más acentuado que el efecto en la traza de correlación B, ya que un número mayor de los fotones de 1064 nm penetran en el interior del medio 4 a una profundidad suficiente tal que muchos de ellos son absorbidos por el objeto 5. De este modo el perfil de la traza de correlación 2c proporciona información adicional correspondiente a la profundidad y la forma del objeto 5.

Así pues, la invención usa luz de tres longitudes de onda diferentes para determinar la posición del objeto absorbente 5. La profundidad del objeto viene determinada por la comparación de los perfiles de las tres trazas de correlación 2a-c.

Una única medición, tal como se ha descrito arriba, describirá la posición de una pequeña área del objeto 5. Para obtener una imagen del objeto, se varia, entre mediciones, la posición de la óptica (no mostrada) que emite la luz proveniente de las fibras 3 hacia el interior del medio, y/o la posición de la óptica (no mostrada) que acopla la luz que proviene del medio hacia el interior de las fibras 6, para obtener una parrilla de áreas medidas.

Las longitudes de onda usadas pueden estar preseleccionadas para proporcionar un rango deseado de profundidades de penetración en un medio dado. Nótese que una fuente de luz coherente capaz de ser sintonizada sobre un amplio rango de longitudes de onda (por ejemplo, un Oscilador Óptico Paramétrico) aportaría la capacidad de preseleccionar longitudes de onda, y también la obtención de muchas mediciones a diferentes longitudes de onda (aunque las tres longitudes de onda usadas arriba deberían ser suficientes para obtener una obtención de imágenes precisa).

El aparato puede comprender un único emisor y múltiples detectores, permitiendo por tanto muchos puntos de medición. Las fibras que captan la luz dispersada pueden estar acopladas directamente (o mediante un intensificador) a conjuntos de detectores tales como cámaras de carga acoplada (CCD, charge- couple device).

La inclusión de los filtros polarizadores 8 permite una mayor resolución sobre la profundidad del objeto 5. Cuando se configuran los filtros polarizadores 8 de forma que transmitan luz que esté polarizada de forma transversal a la luz de los lásers 1, sólo serán detectados los fotones que hayan sufrido muchos eventos de dispersión. Esta orientación de los filtros de polarización elimina así la detección de fotones que han penetrado a una distancia relativamente pequeña en el interior del medio 4. Cuando se rotan los filtros polarizadores 8 para transmitir luz que tenga la misma polarización que la luz de los lásers 1, son eliminados los fotones que hayan sufrido muchos eventos de dispersión, y son detectados los fotones que han penetrado una distancia relativamente pequeña en el interior del medio 4.

Los filtros de polarización 8 no son necesarios cuando se usan las fibras ópticas 3,6, ya que soportan sólo un único modo propio de luz. Esto es así porque la polarización transversal de la luz, producida por los lásers 1, será conservada por las fibras 3 que emiten la luz hacia el interior del medio 4. La orientación de las fibras 6 que acoplan la luz dispersada proveniente del medio puede determinarse de modo que acoplen luz con la misma polarización emitida por los lásers 1, o luz con polarización ortogonal a la emitida por los lásers. Tal como se ha descrito arriba, esto proporcionará discriminación de la profundidad de penetración.

Las fibras ópticas 3,6, capaces de soportar múltiples longitudes de onda, reducirían el número de fibras 3,6 que requiere el aparato (nótese que en esta disposición sería ventajoso el uso de la polarización conservando el uso de los divisores de haz, para permitir la combinación de haces provenientes de diferentes lásers 1).

Una fibra que tenga múltiples núcleos permitiría diferentes distancias de separación entre emisor y detector para esa fibra.

Nótese que la invención puede usarse para obtener imágenes de objetos reflectantes, además de la obtención de imágenes de objetos absorbentes tal como se ha descrito arriba. La luz reflejada desde el objeto causará una perturbación en o cerca del eje vertical de una traza.

La invención puede ser aplicada para la obtención de imágenes del cuerpo humano, por ejemplo para detectar tumores. Para la obtención de imágenes del cuerpo, la utilización de ambas mediciones a 180 y 0 grados en una cierta cantidad de posiciones producirá los mejores resultados. Puede variarse la posición de emisión de luz hacia el interior del cuerpo, o de detección de luz dispersada, realizando un barrido apropiado sobre el aparato o mediante el uso de múltiples emisores y/o detectores. Después de operar el aparato en una serie de posiciones, las correlaciones obtenidas son normalizadas y comparadas. Las diferencias cercanas al eje vertical en las funciones de correlación, sugerirán un cambio en la "viscosidad" efectiva o en el "índice de refracción" del cuerpo en ese punto, lo que puede indicar la presencia, por ejemplo, de un tumor.

Puede realizarse el procesamiento de señal heterodina antes de la auto-correlación. En la Figura 3 se muestra un aparato que suministrará una señal heterodina. La luz es transmitida a través de la óptica de emisión 12 hacia una ventana 13. Sobre la cara más inferior de la ventana 13, la luz pasa hacia el interior del medio turbio 4, y una fracción de la luz se refleja debido a la diferencia del índice de refracción entre la ventana 13 y el medio 4. La óptica de detección 14 detecta la luz dispersada y la luz reflejada que interfiere para producir una señal de batido, y la señal del batido es procesada para proporcionar la obtención de imagen del mismo modo descrito con relación a la Figura 2. El área triangular 15 localizada por debajo de la óptica de detección 14, representa el área de detección de la óptica 14 (por ejemplo, corresponden a la apertura numérica de la óptica 14). La óptica de emisión 12 y la óptica de detección 14 tienen el mismo índice que la ventana 13 para evitar que se produzca el guiado de la luz en el interior de la ventana 13.

El aparato que se muestra en la Figura 3 tiene dos limitaciones. La primera limitación es que no se puede controlar el cociente de luz heterodina (por ejemplo, reflejada) respecto a luz dispersada (por ejemplo, homodina). La segunda limitación es que la luz heterodina y la luz homodina recorren caminos de diferente longitud, por lo que se requiere una coherencia rigurosa de los haces. Estas dos limitaciones están relacionadas, ya que cuando la luz homodina tiene un camino de longitud corta en el medio 4 la intensidad de luz homodina dispersada y detectada será alta y se requerirá una señal heterodina intensa.

En la Figura 4 se muestra un aparato que supera la primera de las arriba mencionadas limitaciones. La óptica de emisión 12 y la óptica de detección 14 están situadas sobre una ventana óptica 13. Las ópticas 12, 14 no tienen el mismo índice que la ventana 13, y una porción de la luz emitida por la óptica 12 será reflejada por la ventana 13 y captada por la óptica de detección 14. La ventana tiene el mismo índice que el medio turbio 4, de modo que no se producirán reflexiones sobre la cara más inferior de la ventana 13. La luz dispersada por el medio 4 interfiere con la luz reflejada por la ventana 13 para proporcionar una señal de batido para ser procesada como antes. Sin embargo, la separación entre la ventana 13 y las ópticas 12,14 permite que éstas sean desplazadas con relación a la ventana 12, controlando por tanto la proporción de luz reflejada que es captada por la óptica de detección 14 (por ejemplo, alejar la ventana 13 más allá de las ópticas 12, 14 incrementará la proporción de luz reflejada que es captada).

El aparato ilustrado en la Figura 4 no permite el control de la longitud del camino heterodino (por ejemplo, la longitud del camino de la señal reflejada). Puede controlarse la longitud del camino promedio de la señal heterodina usando la ventana 13 como guía para reflexiones múltiples, tal como se muestra en la Figura 5. La óptica de emisión 12 y la óptica de detección 14 no tienen el mismo índice que la ventana 13, y la ventana no tiene el mismo índice que el medio turbio 4, de modo que una porción de la luz emitida es reflejada por las caras superiores e inferiores de la ventana 13. La luz heterodina puede entrar en el área de detección (4) a partir de múltiples reflexiones sobre las superficies de la ventana 13. Desplazar la ventana 13 hacia la óptica de emisión 12 y hacia la óptica de detección 14, reducirá la señal heterodina e incrementará la longitud del camino óptico promedio de la señal heterodina. La reducción de la longitud del camino de la componente heterodina (mediante el desplazamiento de la ventana 13 lejos de la sonda) incrementará la intensidad de la señal heterodina. Por lo tanto, es posible suministrar una señal heterodina de intensidad y longitud de camino deseadas usando una ventana 13 con material, recubrimientos ópticos y grosor seleccionados.

Nótese que debido a que la óptica de emisión emitirá la luz con una divergencia finita, se producirá una extensión en las longitudes de los caminos recorridos por la luz heterodina.

La Figura 6 ilustra una configuración para acoplar la luz proveniente de numerosos lásers hacia el interior de dos fibras ópticas. Puede usarse una configuración basada en la configuración ilustrada para acoplar luz proveniente de tres lásers hacia el interior de tres fibras ópticas independientes, tal como es requerido por el aparato mostrado esquemáticamente en la Figura 1 y descrito arriba.

Los lásers primarios son: un láser de Nd:YAG de un único modo longitudinal polarizado horizontalmente de frecuencia doble 16 (5 mw de potencia de salida a 532 nm), y una unidad estabilizada de diodo láser de 675 nm polarizada horizontalmente 17. Puede usarse dos lásers adicionales para suministrar luz a longitudes de onda de 580-833 nm (por ejemplo, el diodo láser estabilizado de 780 nm 18) y 450-670 nm (por ejemplo, el láser de ión argón de un único modo transversal de 488 nm 19).

La luz proveniente del láser Nd:YAG 16 y del diodo láser 17 es dirigida hacia un cubo polarizador divisor de haces 20 mediante los deflectores 21 y los espejos 22. Las dimensiones de los deflectores 21 y los espejos 22 son minimizadas para reducir la posibilidad de que múltiples reflexiones de luz puedan entrar de nuevo en los lásers 16,17. Los espejos 22 presentan capacidad de movimiento de traslación y de rotación. Si se requiere, la luz proveniente de los lásers 16,17 puede pasarse a través de los filtros de línea de radiación láser 23 (por ejemplo, filtros birrefringentes).

Ya que la luz proveniente de los lásers 16,17 está polarizada horizontalmente pasará sin reflexión a través del cubo polarizador divisor de haces 20. Cualquier componente de la luz que no esté polarizada horizontalmente será dirigida hacia un prisma 24. Un lado corto del prisma 24 está pintado de negro para minimizar que la luz se refleje de vuelta hacia el cubo polarizador divisor de haces 20.

El cubo polarizador divisor de haces 20 se usa para combinar luz (polarizada verticalmente) proveniente del láser de 488 nm 19 con la luz proveniente del láser Nd:YAG 16, y para combinar luz (polarizada verticalmente) proveniente del diodo láser estabilizado de 780 nm con la luz proveniente de la unidad de diodo láser de 675 nm 17. La luz proveniente del láser de ión argón de un único modo transversal de 488 nm 19 está acoplada al cubo divisor de haces 20 mediante una lente 25 adecuada. La lente 25 puede ser, por ejemplo, plano-convexa, estar recubierta para ser anti-reflectante por un lado curvo y estar acoplada al cubo polarizador divisor de haces 20 para reducir las reflexiones provenientes de la interfaz existente entre la lente 15 y el cubo polarizador divisor de haces 20. El láser de 780 nm 18 puede estar colimado mediante una lente de gradiente de índice cuyo índice sea el mismo que el del cubo divisor de haces 20.

El haz pasa desde el cubo polarizador divisor de haces 20 hacia dos lentes acromáticas 26 que enfocan la luz hacia el interior de dos fibras alineadas 27 contenidas en dos conjuntos de fibras 28.

La luz a 532 nm proveniente del láser Nd:YAG 16 es emitida sobre el eje rápido de una primera de las fibras ópticas 27a, y la luz proveniente del láser de 488 nm 19 es emitida sobre el eje lento de la primera fibra óptica 27a. De forma similar, la luz proveniente de la unidad de diodo láser de 675 nm es emitida sobre el eje rápido de una segunda de las fibras ópticas 27b, y la luz proveniente del diodo láser estabilizado de 780 nm es emitida sobre el eje lento de la segunda fibra óptica 27b. Usar el eje lento de la fibra 27 (que tiene una mayor apertura numérica) para luz de menor longitud de onda, acentúa la ya incrementada dispersión sufrida por la luz de menor longitud de onda, ya que la luz de 488 nm tendrá un mayor ángulo de campo de visión cercano en comparación con la luz de 532 nm. La luz de 675 nm es comparable directamente con la luz de 532 nm ya que ambas pasan por un eje rápido de una fibra 27. Sin embargo, la luz de 675 nm sufrirá menos dispersión en el interior de un medio turbio y por tanto analizará material de mayor peso y a mayor profundidad en el interior de la muestra.

Los conjuntos de fibras 28 son capaces de rotar las fibras ópticas a 90 grados para permitir que cambien los modos propios de las fibras 27. La parte de las fibras 27 contenida en los conjuntos de fibras 28 es de tipo modo-eliminado para evitar que la luz pase al revestimiento de las fibras 27.

Puede usarse un fotodiodo de avalancha para detectar la luz de 780 nm, usando tubos fotomultiplicadores para detectar las otras longitudes de onda.

Acoplar luz hacia el interior del medio mediante el uso de óptica de baja apertura numérica y detectar luz polarizada a los ángulos correctos de la luz acoplada permitirá la detección de objetos situados lo más profundamente posible, y asegura que sólo se detecte dispersiones de orden múltiple, lo cual concuerda mejor con los modelos de dispersión múltiple de la luz. Alternando la longitud de onda de la luz acoplada, la profundidad monitorizada por la técnica se verá afectada significativamente, ya que la dispersión de la luz depende de la longitud de onda. Siempre que sean posibles tanto las mediciones en transmisión (dispersión a 0 grados) o en retro-dispersión (dispersión a 180 grados), puede obtenerse la información concerniente a la profundidad de un objeto en el medio a partir de la diferencia entre estas dos mediciones.

La Figura 7 ilustra un aparato para detectar luz dispersada por un medio turbio, y puede comprender parte del aparato mostrado de forma esquemática en la Figura 1 y descrito arriba.

En el aparato ilustrado, la luz es acoplada hacia el interior de una fibra óptica 29 mediante una óptica de detección (no mostrada). Un extremo de emisión de la fibra 29 está contenido en un conjunto 30 que está fijado en una o dos posiciones para permitir la selección de los modos de polarización. Una lente acromática 31, con apertura numérica mayor a la de la fibra para permitir el desalineado, colima la luz proveniente de la fibra 29. La luz puede ser dispersada por un simple bloque desplazador de haz 32; esto es más eficiente que atenuar o reducir la intensidad del láser ya que tanto la señal como el ruido de fondo son atenuados. La luz pasa a través de un filtro de línea de radiación láser (u otro) 33 que elimina frecuencias láser indeseadas y ruido de fondo. Un filtro polarizador 34 selecciona el estado de polarización requerido, y entonces la luz es enfocada por una lente acromática 35 sobre un tubo fotomultiplicador 36 (o foto-diodo de avalancha). La señal detectada por el
tubo fotomultiplicador 36 es amplificada y filtrada 37 antes del análisis de señal.

La Figura 8 muestra una fibra sonda que combina las fibras de emisión 38,39 y las fibras de detección 39,40. La fibra sonda puede usarse como parte del aparato mostrado esquemáticamente en la Figura 1 para acoplar luz hacia dentro o fuera de un medio turbio.

La luz de 488 nm y 532 nm es emitida hacia una primera fibra de la sonda 38 y captada por una segunda fibra 40. Ambas fibras 38,40 son fibras de tipo pajarita (bow tie, que conservan la polarización), sus modos propios están dispuestos a 90 grados de forma que sólo será detectada la luz que haya sufrido una rotación de la polarización durante la dispersión producida en el medio turbio. La luz de 675 y 780 nm es emitida de forma similar y detectada por las fibras 39,41. Las fibras 38-41 están unidas por sus extremos 42 dentro un capilar corto 43, cuya longitud es típicamente de un pocos mm. A los extremos 42 de las fibras de detección 39,41 y a una porción adyacente de las mismas se les extirpa el recubrimiento de fibra, y se les aplica pintura negra alrededor de la salida de la fibra para eliminar algunos modos de la luz captada (por ejemplo, evitar que la luz se acople hacia el interior del recubrimiento). Se rellena el capilar corto 43 de pintura negra. Las fibras de emisión 38,40 y las de detección 39,41 están contenidas en envolturas independientes (no mostradas), más allá del capilar 43, para evitar diafonía lumínica entre ellas.

Un segundo capilar 44 envuelve el primer capilar 43 y las fibras 38-41 (de diámetro típico de 3 mm), y se añaden capilares adicionales. El segundo capilar 44 está recubierto con una envoltura protectora de acero a menos de 0,5 mm de los extremos de las fibras 38-41. La envoltura 45 funciona como ajuste holgado deslizante para el capilar 44 y está fijada con silicona, para detener la tensión térmica. La sonda se ajusta con el soporte de ventana 46, que forma un ajuste deslizante apretado con la envoltura de acero 45. Una ventana 47 puede estar pegada o fundida al soporte 46. Puede fijarse un sensor de temperatura (no mostrado) al soporte de ventana 46.

En la Figura 9 se ilustra con detalle un conjunto de fibras del tipo que se ha mostrado en las Figuras 6 y 7. El conjunto de fibras 48 es cilíndrico y comprende dos agujeros biselados 49 separados entre ellos a 90 grados del conjunto. Un cojinete de bolas de una única bola 50, dispuesto sobre un soporte para el montaje del conjunto (no mostrado), está desplazado elásticamente para poder colocarse sobre cualquiera de los agujeros 49, por lo que permite la rotación precisa del conjunto a 90 grados de su eje. El conjunto de fibras 48 tiene una cara rebajada 51 para permitir el pulido de una fibra 52 contenida allí mismo y un capilar interno 53 no contaminado. El capilar interno 53 está ubicado dentro de un capilar externo 54 permitiendo la protección de la parte de la fibra 52 que es de modo-eliminado. La fibra 52 está unida al capilar interno 53 y soportada por la silicona 55 a medida que sale del capilar exterior 55.

El área de un medio del que se obtiene imágenes por el aparato descrito arriba puede depender de la distancia y el ángulo entre el/los detector/es y la óptica emisora.

La auto-correlación de la señal detectada, o la detección heterodina, puede substituirse por cualquier otro procesamiento que sea sensible a la dinámica del sistema del que se quiere obtener imágenes, por ejemplo una distribución de llegadas de pulso o barrido de frecuencias desde un etalon.

Siempre que el objeto sea reflectante, puede utilizarse el objeto en sí para obtener la señal heterodina.

Los métodos según la presente invención están en términos de luz de frecuencia visible, sin embargo puede usarse cualquier forma de onda que pueda ser producida con un equivalente coherente con la máxima longitud de camino de los cuanta.

La invención es aplicable a cualquier sistema donde se transmita información a través de un medio turbio, aunque es particularmente adecuada para la obtención de imágenes del cuerpo y para vigilancia submarina.

Para la obtención de imágenes de un objeto reflectante, donde no se presenta suficiente información dinámica para obtener una correlación útil (debido a una cantidad insuficiente de Movimiento Browniano en el objeto de estudio), puede usarse un modulador para inducir vibración al objeto.

Inducir la resonancia de un objeto mejorará el contraste correspondiente a la obtención de imágenes mediante onda difusa (la resonancia del objeto producirá una señal heterodina).

Para la obtención de imágenes de un objeto absorbente, en el caso de que no haya suficiente Movimiento Browniano para que se produzca dispersión dinámica de la luz en el medio, puede inducirse la vibración en el medio que rodea al objeto.

Una aplicación específica de la obtención de imágenes mediante onda difusa en la puede ser útil la modulación resonante de un objeto de estudio, es la obtención de imágenes del cuerpo humano, por ejemplo cuando el cuerpo presente un tumor en crecimiento, un cuerpo extraño u otra anormalidad rodeada por el tejido normal. Puede usarse una onda de sonido para establecer la resonancia del objeto de estudio sin inducir una modulación significativa en el tejido que rodea al objeto de estudio. El tejido dará una señal de dispersión dinámica de frecuencia muy baja (movimiento de tipo Browniano) a medida que son comprimidas las partículas del tejido y se localizan los centros de dispersión de un sólido blando.

La resonancia del tejido de estudio dependerá de sus propiedades de viscoelasticidad y el tamaño de las partículas primarias que constituyen el objeto de estudio. Puede usarse el aparato de obtención de imágenes por onda difusa para visionar el objeto de estudio directamente. Además, puede usarse la resonancia del objeto de estudio para tratar al cuerpo extraño mientras se le está visionando, por ejemplo para romper un cálculo biliar o para calentar un tumor. Además la resonancia puede usarse para desencadenar una (o más) reacción secundaria tal como la liberación de una droga mientras se obtiene la imagen del objeto de estudio.

Claims (13)

1. Método para detectar un objeto (5) situado en el interior de un medio de dispersión dinámica (4), comprendiendo el método:

i)

dirigir una onda continua de luz coherente de longitud de onda predeterminada hacia el interior del medio;

ii)

detectar la luz dispersada dinámicamente que emerge del medio;

iii)

caracterizado en que el método comprende además la correlación de los fotones de luz detectados en el dominio del tiempo y de la frecuencia;

iv)

determinar la presencia de un objeto (5) a partir del análisis de las diferencias entre dicha correlación de los fotones de luz detectados y la correlación que se obtendría a partir de los fotones dispersados sólo por el medio (4); y

v)

determinar la posición aproximada del objeto (5) en el interior del medio (4) a partir de dicho análisis de la correlación y del conocimiento del camino promedio de transporte de la onda de luz de longitud de onda predeterminada en el interior del medio (4).

2. Método según la reivindicación 1, en el que los pasos (i) a (v) son iterados tanto secuencial como simultáneamente usando ondas de luz coherente de diferentes frecuencias predeterminadas que tienen diferentes caminos de transporte dentro del medio de dispersión dinámica, para obtener por lo tanto información adicional como la posición aproximada del objeto detectado a partir del análisis de las respectivas correlaciones y el conocimiento de los respectivos caminos promedio de transporte.

3. Método según la reivindicación 1 ó 2, en el que la, o cada, iteración de los pasos (i) a (v) se repiten, tanto secuencial como simultáneamente, para puntos adicionales del interior del medio, combinándose los resultados obtenidos para construir una imagen del objeto en el interior del medio.

4. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la luz emergente es detectada a uno o más ángulos de dispersión predeterminados.

5. Método según la reivindicación 4, en el que la luz emergente es detectada a un ángulo de dispersión de 180º y/o 0º.

6. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el medio (6) es modulado para inducir, o mejorar, el movimiento dinámico dentro del medio para aportar o aumentar la dispersión dinámica requerida.

7. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el objeto (5) es al menos parcialmente reflectante para la, o cada, onda de luz y en el que el objeto (5) es modulado para mejorar los cambios de fase en la luz reflejada sobre el mismo.

8. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende la selección de la luz de detección que tiene una componente de polarización predeterminada.

9. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que se hace pasar la onda de luz a través de una ventana (13) antes de entrar en el medio, estando dispuesta la ventana (13) para reflejar luz que sea detectada conjuntamente con la luz que emerge del medio (4), produciendo por tanto una señal heterodina.

10. Método según la reivindicación 9, en el que dicha ventana (13) puede ser desplazada de forma ajustable con relación al origen de dicha onda de luz para permitir el control de la intensidad de la luz reflejada que es detectada.

11. Método de acuerdo con la reivindicación 9, en el que la ventana (13) está dispuesta para hacer que la luz reflejada sufra múltiples reflexiones antes de ser detectada, permitiendo por lo tanto el control de la longitud del camino recorrido por la luz reflejada.

12. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, realizado sobre un cuerpo humano o animal, para detectar la presencia y la posición aproximada, o construir una imagen, de una entidad patológica en el interior del cuerpo.

13. Aparato para detectar un objeto (5) situado en el interior de un medio de dispersión dinámica (4), comprendiendo el aparato unos medios (3) para dirigir una onda continua de luz coherente de longitud de onda predeterminada hacia el interior del medio, unos medios (10) para detectar la luz dispersada dinámicamente que emerge del medio (4), caracterizado en que el aparato comprende además medios para correlar los fotones de luz detectados en el dominio del tiempo o de la frecuencia y medios para visualizar dicha correlación para permitir a un operador la determinación de la presencia de un objeto (5) a partir del análisis de las diferencias entre dicha correlación de los fotones de luz detectados (2b, 2c) y la correlación (2a) que se obtendría a partir de los fotones dispersados sólo por el medio, siendo determinada la posición aproximada del objeto (5) en el interior del medio (4) a partir de dicho análisis de la correlación y del conocimiento del camino promedio de transporte de la onda de luz de longitud de onda predeterminada en el interior del medio (4).