ROZWÓJ FORM ZOBRAZOWAŃ W AKUSTYCZNYCH W SYSTEMACH ECHOLOKACYJNYCH Evolution of imaging forms in acoustical echolocation systems Aleksandra Raganowicz, Lech Kilian OSA ‘04

WPROWADZENIE Najprościej: przykłady zobrazowań na monitorach aktualnie produkowanych sonarów, sodarów i ultrasonografów najwyższej klasy. Przykłady takie są dostępne, wraz z krótkimi komentarzami głównie o charakterze marketingowym, w prospektach firmowych i na stronach internetowych producentów. Szersze potraktowanie: powstawanie współczesnych, zaawansowanych form zobrazowań w aspekcie technicznych i technologicznych możliwości ich opracowania i aplikacji w produkowanym sprzęcie. Dążenie do uzyskania zobrazowań możliwie najlepszych, czyli zawierających możliwie najwięcej pożądanych informacji w najbardziej ergonomicznej, „przyjaznej” formie, jest bowiem warunkowane nie tylko konstrukcją ekranów – elementów na których zobrazowania powstają, lecz harmonicznym rozwojem możliwości we wszystkich dziedzinach naukowych, technologicznych i technicznych mających zastosowanie w konstrukcji omawianych systemów. Wiele z tych dziedzin rozwija się niezależnie od zapotrzebowań w echolokacji - np. technologie komputerowe, kilka jest specyficznych – tu przykładami mogą być konstrukcje głowic czy anten akustycznych, techniczne sposoby kształtowania pola akustycznego i elektronicznej obróbki sygnałów echa. Zawsze istotny jest też aspekt ekonomiczny i marketingowy postępu – czy użytkownicy sprzętu uznają za przydatne i skłonni będą poświęcić dostateczne środki za proponowane udoskonalenia.

ISTOTNE PARAMETRY TECHNICZNE ZOBRAZOWAŃ „human detection” Parametry charakteryzujące jakość zobrazowań w sposób obiektywny: wymiary - rozdzielczość ekranu dynamika zobrazowań – papier: analogowe, drukarki (dithering) <30dB; ekrany: oscyloskopowe typu A <40dB, monitory ~60dB; typ B (modulacja jasności) ~40dB (dynamika organu wzroku ~140dB); zobrazowania barwne ~100dB, jednakże np. w ultrasonografii barwne zobrazowania są zarezerwowane dla ekspozycji prędkości przepływów krwi. czas trwania poświaty ekranu organizacja konstrukcji obrazu na ekranie: lampy oscyloskopowe: pewna możliwość wyboru współrzędnych (kartezjańskie, biegunowe) i liczby kanałów; monitory - z góry narzucony sposób tworzenia obrazów linia po linii → wstępna pamięć obrazowa itd

TYPY ZOBRAZOWAŃ zobrazowanie typu A („amplitude”) - z liniową lub kołową podstawą czasu – ograniczenie: zmiany (np. w czasie) tylko jednego parametru sygnału (amplitudy). zobrazowanie typu PIZA A t

typu B („brightness”): panoramiczne (typ P) – często jako zobrazowania sektorowe lub konweksowe → rzeczywiste geometryczne warunki sondażu, z przetwornikiem nadawczo - odbiorczym jako centralnym punktem zobrazowania. Wada: zawężanie obrazów ech z bliskich odległości i przez to utrata precyzji określania namiaru Nowicki A. „Diagnostyka ultradźwiękowa – podstawy fizyczne ultrasonografii i metod dopplerowskich”, Wydawnictwo medyczne AKMED, Gdańsk 2000

typu B z liniową skalą kątów Podobnie wyglądają zobrazowania we współrzędnych prostokątnych (x, y) stosowane np. w ultrasonografach z głowicą liniową Nowicki A. „Diagnostyka ultradźwiękowa – podstawy fizyczne ultrasonografii i metod dopplerowskich”, Wydawnictwo medyczne AKMED, Gdańsk

histogramy – zobrazowania i rejestracje zmian wyników sondażu w dłuższych okresach czasu - na ogół ukazują zmiany wynikające z przemieszczania (ruchów) celu względem echolokatora → nazwa movie lub określa się je jako typ M. Nowicki A. „Diagnostyka ultradźwiękowa – podstawy fizyczne ultrasonografii i metod dopplerowskich”, Wydawnictwo medyczne AKMED, Gdańsk 2000

typu M sodarowe 1000m całodobowy rozkład uśrednianych przez 1min. poziomów echa (echo) 0.00 24.59 250m przez 2 min prędkości wiatru (vel) przez 2 min kierunków wiatru (alpha) http://sodar.meteo.uni.wroc.pl 0.00 24.59 0% 100% 0 15m/s N NE E SE S SW W NW N

typu M sodarowe w postaci wektorowej http.//www.remtechinc.com/sodar.htm

WYMIAROWOŚC ZOBRAZOWAŃ Niejednoznaczność przy określaniu wymiarowości obrazów (1D…n-D) - przyjmowane są w tej sprawie różne kryteria: czy obraz jest płaski (2D) czy przestrzenny (3D) → wszystkie przedstawione dotąd typy zobrazowań są dwuwymiarowe. liczba wymiarów według liczby pokazywanych parametrów → dwuwymiarowym pozostaje tylko zobrazowanie typu A a reszta jest trójwymiarowa, przestrzenne obrazy → czterowymiarowe. w ultrasonografii - inne określenia → typu A – 1D, typu B – 2D, nieruchome obrazy przestrzenne – 3D, przestrzenne obrazy ruchome – 4D. quasi-3D (KSEM) - wspomożenie operatora interpretującego wyniki sondażu: barwne zobrazowanie typu B + amplitudy echa w dodatkowym wymiarze (nałożenie zobrazowania typu A). Siemens 3-ScapeTM - http://www.siemensmedical.com → products & systems → ultrasound

ROZWÓJ FORM ZOBRAZOWAŃ Dwa wyraźnie różne okresy – okres technologii analogowych i technologii cyfrowych. W okresie dominacji układów analogowych, mimo istniejących przełomów technologicznych w rodzaju wyparcia techniki lampowej półprzewodnikową z głównymi skutkami – miniaturyzacją i skokiem niezawodności, praktycznie niemożliwe do realizacji były liczne, a obecnie - w okresie zaawansowanej techniki komputerowej - rutynowe operacje na sygnałach i sposoby organizacji ich obrazowania. W tej epoce: - proste wskaźniki w rodzaju wirującej na tle skali odległości lampki rozświetlanej odbieranym sygnałem, - rejestratory papierowe (paskowe, helikalne) ze swymi ograniczeniami co do prędkości i dynamiki, - lampy oscyloskopowe, często jednocześnie dwa rodzaje: - z długą poświatą (pamięć obrazowa na wiele pojedynczych transmisji np.do zobrazowań sektorowych mimo używania nadawczo - odbiorczych przetworników z pojedynczą kształtką dzięki mechanoelektrycznemu przekazywaniu nakierowania przetwornika do układu sterowania odchylaniem wiązki elektronów lampy oscylograficznej - bez poświaty (szybkie obrazy typu A). W hydrolokacji, gdy czas poświaty był na ogół zbyt krótki, do zobrazowań typu B stosowano lampy z jednoczesną emisją i modulacją wielu (np. 16) wiązek elektronowych. Możliwe operacje elektroniczną dotyczące zobrazowań typu A to lupa elektroniczna (zoom) i znaczniki odległości → wymiary obiektów.

Warunki aplikacji technik komputerowych: - dostateczna miniaturyzacji układów, - sensowne ceny, - dostateczna szybkości operacji cyfrowych i wykształcenia się specjalnych grup procesorów – układów DSP. - dostateczna szybkość i dynamika (na ogół w opozycji) przetworników A/C i C/A. Najwcześniej → zobrazowanie na monitorze komputerowym (TV), → zamieszczanie komunikatów czy pomocniczej grafiki. Stosunkowo łatwo → zobrazowania we współrzędnych prostokątnych. Obecnie → doskonałe warunki ekspozycji w różnych współrzędnych na monitorach + doskonalenie form sygnałów poddawanych ekspozycji - wykorzystywanie drugiej harmonicznej sygnału echa, - ogólna poprawa kontrastu czy podwyższanie kontrastu w szczególnych okolicznościach, choćby przy badaniu stanu ścianek naczyń krwionośnych.

TRENDY ROZWOJOWE multiplikacja monitorów (podstawowe, pomocnicze, oddzielne ekrany dla stanu nastaw i wskazywania sposobów ich zmian); wzbogacanie ekspozycji form pomocniczych (skal, wymiarowania, stanu nastaw, fragmentów baz danych, danych pochodzących ze współpracujących systemów i tamże przekazywanych, komunikatów i alarmów etc.); umożliwianie zmian geometrii zobrazowań (np. konweksowe → trapezowe, panorama → prostokątne itp.); jednoczesna, oddzielna ekspozycja wielu form zobrazowań. Historycznie pierwszym tzw. „fiszlupa”, współczesny przykład sonarowy, ilustrujący także trzy wymienione wcześniej trendy, na rys. obok

http://www.siemensmedical.com → products & systems → ultrasound jednoczesna, połączona ekspozycja różnych form na jednym zobrazowaniu. Typowy przykład - ekspozycja zmierzonych metodami dopplerowskimi rozkładów prędkości przepływu krwi na tle obrazu narządu („Power Doppler” PF i „Doppler kolorowy” CF); powiększanie widocznej na zobrazowaniu sondowanej powierzchni. W ultrasonografii potocznie, acz niesłusznie, zobrazowanie takie jest nazywane „panoramą”. Przykład: SieScapeTM lub Color SieScapeTM w ultrasonografach SIEMENS. Konstrukcja polega na zapamiętywaniu i składaniu w jeden obraz kolejnych „klatek” powstających przy ręcznym przesuwaniu typowej głowicy w kierunku linii jej przetworników wzdłuż interesującego organu → nieruchome, dwuwymiarowe zobrazowanie przekroju rozległych organów; http://www.siemensmedical.com → products & systems → ultrasound

upraszczanie procedur obsługowych, a przynajmniej dbanie o to, by nie rozrastały się nadmiernie. Szczególne znaczenie gdy zaangażowanie operatora w obsługę aparatury musi być minimalne, np. w aparaturze militarnej lub obsługiwanej przez pilotów, ale także przez lekarzy → niewiele manipulatorów + ekran pomocniczy z piktogramami o aktualnym statusie nastaw i sposobach postępowania w razie chęci ich zmian. Łatwość sposobu operowania urządzeniem jest w praktyce jednym z najważniejszych kryteriów oceny jakości aparatu; operowanie skalami barw → maksymalizacja dynamiki ekspozycji, → aspekt ergonomiczny. Przykładowo, przy użyciu skali barw podobnej do stosowanej w kartografii (od czerni, przez granat, błękity, żółcie po czerwień) wrażenia tak przedstawianej wielkości amplitudy sygnału echa pokrywają się z powszechnie i od dawna stosowanymi barwami zagrożeń (żółć – ostrzeżenie, czerwień – alarm – wielka amplituda echa – wielka siła celu), • przyzwyczajenia operatorów (np. do zobrazowań czarno – białych), • moda (czasem podbarwienie zielone, czasem bursztynowe). • z konieczności jedna z form jest barwna a inna musi być czarno – biała, np. tak jak to jest w przypadku „Dopplera kolorowego CF”. modułowa struktura hardweru i oprogramowania → możliwość wykonywania wersji uboższych lub lepiej wyposażonych, w zależności od przeznaczenia, wymagań i zasobności finansowej użytkownika.

REJESTRACJA ZOBRAZOWAŃ znaczna objętość informacyjna, ze względu na niezwykłe (np. w porównaniu z obrazami kinowymi) zróżnicowanie elementów, niewiele można zyskać stosując typowe sposoby kompresji. jak na razie, kłopot z ich rejestracją i transmisją a postęp jest warunkowany ogólnym rozwojem tych rodzajów technologii. Mniejszy kłopot w przypadku dość prostych i wolnozmiennych zobrazowań (takich jak np. w echosondach), jeśli daje się je onlajnowo drukować (choć wówczas elementy rejestratorów analogowych czy drukarek są jedynymi zużywającymi się i najbardziej zawodnymi). Do niedawna jedynym wyjściem było stosowanie analogowych metod rejestracji szybkozmiennych, pełnych obrazów (przy użyciu aparatów fotograficznych, magnetowidów) lub ograniczanie możliwości rejestracji, np. na twardym dysku tylko na żądanie operatora i przez niedługi czas. Teraz, w miarę wzrostu pojemności twardych dysków oraz udoskonalania technologii zapisów na nośnikach CD i DVD można te ograniczenia łagodzić. Natomiast tam, gdzie to możliwe, zamiast pełnych obrazów rejestruje się (i ewentualnie szybko transmituje do innych systemów) tylko dane dające zapisać się w prostych formatach w rodzaju ASCII, np. pozycje geograficzne celów oznaczonych markerami, czas, nastawy, itp.

PODSUMOWANIE Przedstawiony przegląd form i technik zobrazowań wyników sondażu stosowanych w akustycznych systemach echolokacyjnych wykazuje ich różnorodność i stały rozwój. Mimo ograniczenia w tytule do omawiania wizualizacji w systemach aktywnych wypada, na zakończenie, wspomnieć o wspieraniu, tam gdzie tylko to możliwe, efektów wizualnych podsłuchem sygnałów echa. Jeśli tylko pozwalają na to ludzkie warunki psychofizjologiczne, a głównie - gdy obwiednia echa jest dostatecznie wolnozmienna, wykorzystuje się doskonałe właściwości percepcyjne i analityczne organu słuchu ludzkiego także we współczesnych systemach, pamiętając o tym, że pierwsze a całkiem skuteczne hydrolokatory z czasów drugiej wojny światowej posiadały wyłącznie indykację akustyczną a dość niedawno mierniki przepływu krwi również bazowały na słuchu i doświadczeniu posługujących się nimi lekarzy. Podobnie wypada zwrócić uwagę na bogactwo form wizualizacji (i również nasłuchu wspieranego zaawansowanymi metodami obróbki sygnałów wspomagającymi odsłuch) w biernych akustycznych systemach lokacyjnych, niekiedy bardzo rozbudowanych, choć popularnie zwanych szumonamiernikami,