Камеры нового поколения смогут видеть сквозь стены . Камеры нового поколения смогут видеть сквозь стены

Многие медицинские манипуляции, в частности эндоскопические исследования, представляют собой довольное неприятную и болезненную процедуру. При этом, продолжительность ее, как и общий результат, зависят как от профессионализма врача, так и от наличия необходимого оборудования. Шотландские ученые изобрели прибор, который способен существенно помочь в практике проведения некоторых медицинских исследований и операций. Они придумали камеру, которая видит человека насквозь.

В исследовании говорится, что, прежде всего, данный аппарат был разработан для применения в малоинвазивной хирургии (хирургия, в которой минимизируется область вмешательства в тело человека и используются точечные проколы или естественные физиологические отверстия; основные методы - лапароскопия и эндоскопия).

До настоящего времени при проведении подобных операций, в целях слежения за движением эндоскопического оборудования, использовались дорогостоящие и не всегда абсолютно безвредные методы сканирования, например, рентген. Новая камера способна точно определить местонахождение эндоскопа в теле человека без негативного воздействия и без непосредственного контакта с человеком.

Как работает новая камера

В современных эндоскопах для освещения труднодоступных зон в теле человека, а также для передачи изображения, используется оптическое волокно. Как известно, оно переносит свет посредством внутреннего отражения. Пучок света, который передает волокно, обычно не проходит сквозь тело человека. Большинство фотонов (мельчайшие частица света) рассеиваются или поглощаются внутренними органами человека. Большинство, но не все. В составе света в небольшом количестве присутствуют, так называемые, «нерассеянные» или «баллистические» фотоны. Они движутся преимущественно по прямой траектории (в отличие от обычных частиц) и практически не рассеиваются. «Фишка» новой камеры в ее сверхчувствительности, т.е. она способна улавливать самые мельчайшие частицы света, в том числе, нерассеянные фотоны.

В свою очередь это возможно благодаря использованию однофотонных детекторов, которые размещены на кремниевом чипе камеры. Кроме того, новый прибор способен вычислять и фиксировать время, которое потребовалось для того, чтобы свет прошел от эндоскопа через ткани человека. Все вместе это помогает установить точное местонахождение медицинского оборудования в момент проведения процедуры.

Испытания камеры

Основные испытания прибора проводилось на животных (легкие овец, тушка курицы). Ученые выяснили, что камера без труда регистрирует световой сигнал при толщине тканей около 20 см.

Дополнительное тестирование было проведено на добровольцах. Источник света от эндоскопа располагался за спиной человека, камера - перед человеком. Ученые исследовали время, необходимое прибору, чтобы определить местоположение света. На решение поставленной задачи камере потребовалось всего семнадцать секунд.

Камера, которая видит человека насквозь - это совместная разработка коллектива ученых Эдинбургского государственного университета (Эдинбург, Шотландия) и технического университета Хериота-Уатта (Эдинбург, Шотландия). Это исследование стало частью совместного междисциплинарного сотрудничества, направленного на развитие целого ряда прикладных медицинских технологий.

Участники этого проекта полагают, что новое открытие представляет собой огромную ценность для многих направлений практической медицины.

Доктор Кев Дхаливал, один из создателей новой камеры

У этого открытия колоссальный потенциал, причем в разных областях применения. Способ, представленный в нашем исследовании - это только один из них.

Как отмечает доктор Михаэль Таннер (Dr Michael Tanner) из университета Хериота-Уатта, самым ценным в работе для него стала возможность сотрудничать с практикующими врачами. «Только так можно понять насущные проблемы практической медицины и использовать существующие в физике технологии для их решения», - рассказывает Михаэль Таннер.

А вам нравится камера на вашем новеньком смартфоне? Она может определять лицо на фотографии и снимать видео в режиме slow-motion в высочайшем разрешении. Но эти технологические прорывы - лишь начало большой революции, которая разворачивается у нас на глазах. Последние исследования в области камер отходят от увеличения числа мегапикселей в пользу слияния данных камер с вычислительной мощностью. И здесь имеется в виду не обработка в стиле Photoshop, когда на изображение накладываются эффекты и фильтры, а скорее новый подход, когда поступающие данные вообще не похожи на изображение. Изображением они становятся после серии вычислительных манипуляций, которые часто связаны со сложной математикой и моделированием того, как свет проходит через сцену или камеру.

Дополнительный уровень вычислительной обработки магически освобождает нас от цепочек обычных методов визуализации. В один прекрасный день нам больше не будут нужны камеры в обычном смысле. Вместо этого мы будем использовать световые детекторы, которые еще несколько лет назад никто даже и не рассматривал для создания изображений. И они будут способны на удивительные вещи: видеть через туман, заглядывать внутрь человеческого тела и даже видеть сквозь стены.

Однопиксельные камеры

Среди любопытных примеров - однопиксельная камера, которая опирается на совершенно простой принцип. Стандартные камеры используют множество пикселей (крошечных чувствительных элементов) для захвата сцены, которая освещена одним источником света (в большинстве случаев). Но можно сделать и наоборот: улавливать информацию из множества источников света с помощью одного пикселя.

Для этого вам нужен контролируемый источник света, даже простой проектор данных, который освещает сцену одним пятном или выдает серию разных паттернов. Для каждого пятна освещения или паттерна можно измерить количество отраженного света и суммировать его, создав конечное изображение.

Очевидно, недостаток такой фотосъемки заключается в том, что вам придется передать множество освещенных пятен или паттернов, чтобы создать одно изображение (обычная камера сделает это одним щелчком затвора). Но такая форма визуализации позволит создать изображение, которое камеры создать не смогут, например, в длинах волн света за пределами видимого спектра, которые не смогут уловить обычные детекторы камер.

Эти камеры можно использовать для создания фотографий через туман или густой падающий снег. Или они могут имитировать глаза некоторых животных и автоматически увеличивать разрешение изображения (количество деталей, которое оно захватывает) в зависимости от того, что находится на сцене.

Можно даже поймать изображения из частиц света, которые никогда не взаимодействовали с объектом, который мы хотим сфотографировать. Таким образом можно было бы использовать идею «квантовой запутанности» - две частицы могут быть запутаны таким образом, что происходящее с одной мгновенно будет отражаться на другой частице, даже если они находятся на большом расстоянии друг от друга. Можно было бы изучать свойства объектов, которые меняются при освещении. Так, можно было бы понять, как выглядит сетчатка глаза в темноте (очевидно, не так, как на свету).

Мультисенсорная визуализация

Однопиксельная визуализация - лишь одно из простых новшеств, которые появляются в новейших камерах и опираются на традиционную концепцию создания изображения. Однако в настоящее время мы наблюдаем рост интереса к системам, которые используют много информации, в то время как традиционные методы собирают лишь небольшую ее часть.

Именно здесь мы могли бы использовать мультисенсорные подходы, которые включают множество разных детекторов, направленных на одну сцену. Телескоп Хаббла был хорошим примером того, что это работает, создав снимки из сочетания множества снимков, сделанных на разной длине волны. Но сегодня вы можете купить коммерческий вариант такой технологии, например, воплощенный в камере Lytro, которая собирает информацию об интенсивности света и направлении на одном датчике, а затем производит снимки, которые можно перефокусировать уже после съемки.

Камера следующего поколения, вероятно, будет похожа на камеру Light L16, которая оснащена новейшими технологиями на основе более десятка разных датчиков. Их данные объединяются при помощи компьютера, чтобы создать 50-мегабайтовое, перефокусируемое и повторно масштабируемое изображение профессионального качества. Сама камера выглядит как интерпретация камеры телефона в стиле Пикассо.

И это пока еще первые шаги к созданию камер нового поколения, которые изменят наше отношение к фотографиям. Ученые работают над проблемой съемки в тумане, сквозь стены и даже планируют заглянуть в тело и мозг человека. Все эти методы полагаются на совмещение изображений с моделями, которые объясняют, как свет движется в разных субстанциях.

Еще один интересный подход основан на том, как искусственный интеллект «учится» распознавать объекты в данных. Эти методы вдохновлены процессом обучения, который протекает в мозге человека, и, вероятнее всего, будут играть крупную роль в будущих системах визуализации.

Технологии с одним фотоном и квантовой визуализацией также постепенно вызревают - они смогут делать снимки в условиях невероятно низкой освещенности и видео с невероятно быстрой скоростью, триллионы кадров в секунду. Этого достаточно, чтобы снять даже сам свет, проходящий через сцену.

Некоторым из этих приложений потребуется еще немного времени для полного развития, но теперь мы знаем, что физика позволяет нам решать эти и другие проблемы с помощью умного сочетания новых технологий и вычислительной изобретательности.

Однопиксельные камеры

Мультисенсорная визуализация

Среди широко применяемых сегодня медицинских процедур многие считают самой неприятной эндоскопию. Напомним, это способ осмотра некоторых внутренних органов, при котором через естественные пути пациенту вводится эндоскоп – оптический прибор с транслятором изображения или миниатюрной видеокамерой.
Скорость и точность, а также безболезненность (насколько это возможно) такой процедуры зависит от мастерства врача. Но сам факт внедрения какого-то инородного предмета внутрь тела вряд ли кого-то порадует, а если этот прибор долго ищет цель, приятного ещё меньше.
Чтобы упростить работу специалистов и повысить качество обследований, учёные из Университета Эдинбурга создали камеру, которая видит тело человека насквозь. Она решает главную проблему эндоскопии: быстро определяет положение прибора внутри тела человека. Ранее для этого использовались небезопасные рентгеновские лучи и другие дорогостоящие методы, доступные далеко не для всех клиник.
Поясним, что наконечник длинной гибкой трубки эндоскопа освещает себе путь и внутренние органы при помощи стеклянных оптических волокон (световодов). Свет от эндоскопа рассеивается и отражается от тканей и органов, а не проходит сквозь них. Причём чем глубже внутри тела прибор, тем больше фотонов рассеивается.
Новая камера способна обнаружить этот источник света внутри тела, поскольку она различает даже отдельные частицы света – фотоны. По словам учёных, существует два типа фотонов, которые выходят из тела, отражаясь от тканей с низким уровнем рассеяния. Их называют «баллистические» и «змеиные» фотоны. Оба типа можно поймать при помощи специальных детекторов.
Соответственно, новая камера способна обнаружить эти частицы света. Такого эффекта физики добились благодаря однофотонным детекторам, чувствительным ко времени. Тысячи таких детекторов были размещены на кремниевом чипе, которым оснащена камера (примерно такие же чипы имеют и обычные цифровые камеры).
В результате устройство способно обнаружить даже самые слабые следы света, исходящие от эндоскопа и проходящие через органы и ткани.
Кроме того, технология позволяет фиксировать время, необходимое для прохождения света через тело пациента – благодаря этому устройство определяет точное положение наконечника эндоскопа.
«Возможность видеть местоположение устройства имеет решающее значение для многих областей здравоохранения, поскольку мы стремимся развивать «минимально инвазивные» подходы к лечению заболеваний», - отмечает профессор Кев Дхаливаль (Kev Dhaliwal).
Его команда провела испытания прототипа новой камеры на лёгких овцы. По данным экспертов, устройство может отслеживать местоположение источника света с точностью до сантиметра сквозь ткани толщиной до 20 сантиметров при нормальном освещении.
Затем были проведены дополнительные тесты с участием добровольцев. Наконечник эндоскопа медики расположили близ спины человека, а камера должна была его найти, находясь спереди от человека. При этом был создан дополнительный барьер: перед телом держали ладонь. На поиск источника света «в теле» пациента у аппарата ушло 17 секунд.

Для сравнения: изображения, полученные новой камерой (слева) и традиционным устройством для поиска источника света (справа).
Дополнительное оборудование и специализированная подготовка человека для использования камеры не нужны, добавляют авторы разработки. Они планируют улучшить показатели своего прибора, чтобы он находил цель ещё быстрее и с точностью до миллиметров.
Медики полагают, что новая камера пригодится не только для эндоскопии и подобных процедур, её также можно будет использовать в ходе различных операций.
Более подробное описание новой камеры представлено в издании Biomedical Optics Express.
Добавим, что ранее исследователи представили крошечную микрокамеру, которую можно ввести в тело человека через шприц. Также мы рассказывали о камерах, способных заглядывать за угол и видеть сквозь стены.

А вот Вы помните такие вот рентгентские очки, что всегда присутствовали в шпионских фильмах, при помощи которых наши герои могли видеть людей насквозь, а иногда и что под одеждой? Практически все мечтали о таких очках. К несчастью такие очки лишь в фильмах. Но иногда наши мечты могут осуществиться, даже самые интересные, - небольшая группа британских исследователей смогли разработать камеру, такая камера способна видеть то, что находится у человека под одеждой.

Такая вот весьма интересная вещица называется T5000 или ThruVision, это та самая наша детская мечта, но теперь она реальна. Такая камера способна увидеть все, что находится у человека под одеждой, будь-то это наркотики или оружие, действует она на расстоянии 25 метров! Все это стало реальным из-за технологии "пассивного изображения", она работает, когда все объекты можно распознать благодаря электромагнитным лучам, которые ими выделяются, они еще известны, как Т-лучи.

Эта технология достаточно таки точная, она позволяет опознавать объекты очень точно, то есть Вы не спутаете глину со взрывчаткой, или же ключи с оружием. А те, кто уже успел немного смутиться, так эта камера совсем не передает физических данных Вашего тела, она лишь позволяет узнать, какие скрытые вещи находятся под одеждой. К тому же, такое вот "сканирование" совсем безвредное.

А если учесть в какое время мы сейчас живем, когда угроза Вашей жизни может прийти в любой момент, то лучше защитить себя. А вот то, что сказал главный директор компании ThruVision:" Теракты взбудоражили мир в последние время, и меры предосторожности были ужесточены повсюду. А способность видеть и металлические и неметаллические предметы на расстоянии до 25 метров это отличная возможность обезопасить себя".

Такие камеры будут устанавливать в оживленных местах, где всегда огромное количество людей, к примеру в аэропортах. А ведь и правда, раньше мы могли видеть только металлические объекты, теперь же появилась возможность распознавать и неметаллические объекты, к тому же, никакого облучения при этом нет, ведь, камера фиксирует только те, лучи произвольно выходят с объекта. И так, офицер наблюдения, с легкостью сможет распознать то, что Вы несете, будь у Вас взрывчатка или же обыкновенный пластилин.

Есть несколько нюансов, разумеется. Ведь, все изобретения, которые помогает обезопасить себя от террористов, так или иначе, немного могут затронуть наши права. Поэтому кто-то может пойти и обвинить создателей в том, что они ущемляют их права, ведь не каждый сможет осознать, что любой сможет увидеть все, что Вы носите под одеждой. Но знаете, это же то, самое небольшое зло, которое следует принести в жертву ради того, чтобы больше не было терактов. Просто подумайте, что Вам важнее, немного потерять в собственных правах или же свою жизнь, или жизнь близкого Вам человека?