Ученые научились видеть объекты сквозь туман, песок и ткани тела

Австрийские и французские физики разработали новый метод обнаружения объектов, скрытых в толстых слоях гранулированных сред и суспензий, опираясь на теорию случайных матриц и «отпечаток» исследуемого предмета. Математическая модель была проверена в трех экспериментах, показав высокую точность: в одном из них вероятность ложного срабатывания составила менее 10^-8. Ученые предложили использовать этот подход в медицине для диагностики заболеваний нервно-мышечной системы. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.


Для исследования объектов, находящихся в неоднородной среде, физики применяли массивы детекторов, фиксирующие прошедшие или отраженные сигналы. Так как сыпучие и пористые материалы можно рассматривать как случайные среды, исследователей поддерживала теория случайных матриц. С помощью методов формирования волнового фронта в оптике и зеркал времени в акустике ученые смогли визуализировать скрытые объекты.

Однако традиционные методы не всегда работают в сложных случаях, когда цели слабо отражают сигнал, а среда сильно хаотична. В таких условиях невозможно напрямую сопоставить собственные состояния матрицы с объектами внутри вещества.

Команда под руководством Александра Обри (Alexandre Aubry) из Высшей школы промышленной физики и химии предложила искать корреляции в рассеянных волнах вместо устранения хаотичности среды. Для этого был создан инвариантный оператор, построенный из матрицы пропускания в неоднородной среде и транспонированной матрицы эталонной среды. Применение этого оператора к «отпечатку» объекта позволяло выделить собственные состояния, которые оставались неизменными после рассеяния, что давало изображение прошедшего поля, идентичное картине баллистических волн.

Модель была проверена в трех экспериментах. В первом опыте ультразвуком визуализировали две металлические сферы диаметром 10 и 8 мм, помещенные в гранулированную суспензию из воды и стеклянных шариков 300–315 мкм. Двумерный массив из 1024 детекторов позволил точно зафиксировать объекты, а также отследить траекторию одной сферы при её погружении.

Во втором эксперименте физики использовали маркер повреждения, применяемый для мониторинга опухолей молочной железы. Маркер поместили в воду, а затем подсчитали ультразвуковой спекл, сформированный водной пеной. В третьем опыте исследователи визуализировали мышечную ткань с помощью решетки из 256 ультразвуковых преобразователей (диапазон частот 5,5–9,5 МГц), что позволило практически полностью определить пространственные характеристики каждой мышцы.

Авторы работы подчеркнули, что второй и третий эксперименты имеют высокий потенциал для медицинских приложений. Они могут использоваться для наблюдения ранних стадий нервно-мышечных заболеваний, а также нарушений миокардиальных волокон, возникающих при кардиомиопатии и фиброзе.

Читайте также: