Обычные методы визуализации — от фотографии до ультразвука — работают по единому принципу: волна отражается от объекта и возвращается к детектору. Однако в плотных облаках, мутной воде или биологических тканях возникает многократное рассеяние. Волна отражается не только от искомого объекта, но и от окружающей среды, причем многократно, в результате чего полезный сигнал теряется в шуме.
Физики научились видеть объекты сквозь туман, песок и ткани тела
Исследователи из французского Института Ланжевена и Венского технического университета разработали метод обнаружения скрытых объектов в полностью непрозрачных средах. Технология основана на математическом анализе характерных волновых «отпечатков» предметов и уже показала эффективность при поиске металлических объектов в песке и медицинских маркеров в тканях.
Туман. Unsplash
Многократное рассеяние волн — основная причина, по которой мы не можем видеть сквозь туман или заглядывать глубоко в биологические ткани. Когда световая или звуковая волна проходит через неоднородную среду, она отражается от множества частиц — капель воды, песчинок или клеток. После нескольких отражений исходное направление волны полностью теряется, и детектор регистрирует лишь хаотический сигнал. Именно поэтому ультразвук плохо различает мелкие структуры в плотных тканях.
«Вместо объекта вы видите только рассеянный туман — это фундаментальная проблема методов визуализации, от сонара в подводных лодках до медицинской диагностики», — объясняет Лукас Рахбауэр, соавтор исследования, опубликованного в журнале Nature Physics.
Как увидеть сквозь непрозрачную среду
Построение «отпечатка» и поиск объекта по отпечатку
Новый подход требует предварительной подготовки. Сначала объект изучают в прозрачной среде, определяя его уникальную «матрицу рассеяния» — математическое описание того, как именно он отражает волны. Затем объект помещают в непрозрачную среду, например закапывают в песок. Ультразвуковые волны проникают в песок, частично достигают скрытого объекта и возвращаются с характерными искажениями.
Слева: Металлические шарики, утопленные в мелких стеклянных бусинах. Средняя: Обычное ультразвуковое изображение. Справа: Изображение полученное с помощью новой технологии можно точно определить положение металлических сфер.
Сопоставляя измеренный сигнал с заранее известной матрицей отпечатков, алгоритм вычисляет местоположение объекта. Метод успешно протестирован на стальных шарах в песке, маркерах для мониторинга рецидивов рака молочной железы и мышечных волокнах при диагностике сердечных заболеваний. Технология применима не только для ультразвука, но и для световых волн, открывая возможности в различных областях — от промышленности до медицины.