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

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

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

Introduzione Facoemulsificazione Matias Antonelli – Martin Gega

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Grazie per l’attenzione Fine Grazie per l’attenzione Matias Antonelli – Martin Gega