Беспроводное устройство для конъюнктивальной микроскопии
Владельцы патента RU 2624802:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) (RU)
Изобретение относится к медицине. Беспроводное устройство для конъюнктивальной микроскопии содержит систему управления, регистрации и анализа полученных изображений, реализованную на базе ЭВМ, блок беспроводной связи, выполненный с возможностью поддержания динамической обратной связи между блоком беспроводной связи оптической системы и блоком беспроводной связи системы управления, регистрации и анализа полученных изображений, оптическую систему, включающую видеокамеру с системой переноса изображений, осветитель с блоком переноса оптического излучения. Светодиоды осветителя отделены от видеокамеры теплоизоляционной перегородкой и сопряжены по оптической оси с торцом блока переноса оптического излучения, выполненным в виде пучка световодов из полиметилметакрилата, которые расположены вокруг оптической оси системы переноса изображений с равным шагом. Торцы блока переноса освещения жестко закреплены в корпусе устройства таким образом, что направление их выходящего светового потока составляет угол 36° относительно оптической оси системы переноса изображений. Длина волны, излучаемая каждым светодиодом, выбрана так, чтобы степень поглощения излучения различными формами гемоглобина была максимально близка 530 нм. Применение данного изобретения позволит повысить устойчивость устройства к внешнему электромагнитному излучению. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области медицинской оптики и может быть использовано для инструментального наблюдения микроциркуляции крови в сосудах конъюнктивы глазного яблока.
Известна система для мониторинга состояния микроциркуляции, включающая электрически связанные между собой видеокамеру с системой переноса изображений, оптический стенд с опорным источником облучения исследуемой зоны глаза спектром видимых световых волн, выполненный на базе щелевой лампы с галогеновым осветителем, а также систему управления, регистрации и анализа полученных изображений, выполненных на базе ЭВМ (см. RU № 46164, МПК A61B5/02, 2005).
Однако известному устройству, как и всем подобным устройствам на основе щелевых ламп, присущи и все их недостатки, а именно: известная система формирует блик на изображении, это затрудняет или делает невозможным морфологический анализ изображения, требует фиксации головы пациента, освещение точечным источником приводит к неравномерному освещению исследуемого поля, что также затрудняет количественный морфологический анализ площади микрососудистого русла по изображению, получение качественного изображения требует затрат времени, поскольку установка освещения, наводка на резкость проводится оператором.
Известно устройство для конъюнктивальной микроскопии, включающее видеокамеру с системой переноса изображений, осветитель и связанные с ней системы управления, регистрации, анализа полученных изображений, реализованной на базе ЭВМ, при этом оптическая система связана с системой управления динамической обратной связью, обеспечивающей оптимизацию качества для каждого изображения, осветитель представляет собой два конструктивно объединенных сверхярких белых светодиода, жестко закрепленных на видеокамере таким образом, что направление их световых потоков составляет угол не менее 36° относительно оптической оси системы переноса изображений (см. RU № 2311113, МПК A61B3/10, 2007).
Недостатками известного устройства также являются формирование блика на изображении, что затрудняет или делает невозможным морфологический анализ изображения, кроме того, использование двух точечных источников света приводит к неравномерному освещению исследуемого поля, что затрудняет количественный морфологический анализ площади микрососудистого русла по изображению.
Известно также беспроводное устройство для конъюнктивальной микроскопии, содержащее систему управления, регистрации и анализа полученных изображений, реализованную на базе ЭВМ, блок связи, выполненный с возможностью поддержания динамической обратной связи между оптической системой и системой управления, оптическую систему, включающую видеокамеру с системой переноса изображений, осветитель с блоком переноса оптического излучения (см. RU № 141613, МПК A61B3/10, 2014).
Недостатками этого устройства являются формирование блика на изображении, что затрудняет или делает невозможным морфологический анализ изображения, использование двух точечных источников света приводит к неравномерному освещению исследуемого поля, что затрудняет количественный морфологический анализ площади микрососудистого русла по изображению, закрепление источников света на корпусе видеокамеры снижает устойчивость устройства к внешнему электромагнитному излучению за счет длины проводников. Все это снижает достоверность диагностической информации получаемой с помощью устройства.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение достоверности диагностической информации, получаемой с помощью устройства.
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в исключении возможности появления бликов на изображении, нивелировании неоднородности освещения исследуемого поля и повышении устойчивости устройства к внешнему электромагнитному излучению.
Поставленная задача решается тем, что беспроводное устройство для конъюнктивальной микроскопии, содержащее систему управления, регистрации и анализа полученных изображений, реализованную на базе ЭВМ, блок связи, выполненный с возможностью поддержания динамической обратной связи между оптической системой и системой управления, оптическую систему, включающую видеокамеру с системой переноса изображений, осветитель с блоком переноса оптического излучения, отличается тем, что светодиоды осветителя отделены от видеокамеры, например, теплоизоляционной перегородкой и сопряжены по оптической оси с торцом блока переноса оптического излучения, выполненным в виде пучка световодов, предпочтительно из полиметилметакрилата, которые расположены вокруг оптической оси системы переноса изображений с равным шагом, при этом торцы блока переноса освещения жестко закреплены в корпусе устройства таким образом, что направление их выходящего светового потока составляет угол 36° относительно оптической оси системы переноса изображений, причем длина волны, излучаемая каждым светодиодом, выбрана так, чтобы степень поглощения излучения различными формами гемоглобина была максимально близка, предпочтительно 530 нм. Кроме того, как светодиоды осветителя использованы зеленые светодиоды с длиной волны излучения 530 нм, например, марки LUXEON LXML-PM01-0090.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
При этом признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующего комплекса функциональных задач.
Признак «...светодиоды осветителя отделены от видеокамеры например, теплоизоляционной перегородкой…» обеспечивает уменьшение влияния как теплового излучения на матрицу видеокамеры, так и снижает влияние электромагнитных полей от радиоэлектронных компонентов, благодаря чему достигается качественная радиоэлектронная совместимость компонентов устройства при оценивании собственных электромагнитных полей.
Признак «...светодиоды осветителя … сопряжены по оптической оси с торцом блока переноса оптического излучения…» обеспечивает минимальные потери мощности освещения между блоком освещения и блоком переноса излучения.
Признак, указывающий, что блок переноса оптического излучения выполнен «в виде пучка световодов, предпочтительно из полиметилметакрилата» обеспечивает проведение необходимого светового потока, обеспечивающего качественный съем данных.
Признак, указывающий, что световоды «расположены вокруг оптической оси системы переноса изображений с равным шагом», обеспечивает равномерность распределения светового потока по поверхности глаза, что позволяет избежать перегибов, и, как следствие, искажения области антиградиентного освещения.
Признаки, указывающие, что «…торцы блока переноса освещения жестко закреплены в корпусе устройства таким образом, что направление их выходящего светового потока составляет угол 36° относительно оптической оси системы переноса изображений…» обеспечивают равномерный градиент освещения в заданной области конъюнктивы, расположенной в фокусном расстоянии оптической системы.
Признаки, указывающие, что длина волны, излучаемая каждым светодиодом, выбрана «предпочтительно 530 нм» выбрана так, чтобы степень поглощения излучения различными формами гемоглобина была максимально близка, что обеспечивает контраст сосудов на изображении.
Признаки, указывающие, что «светодиоды осветителя использованы зеленые светодиоды, с длиной волны излучения 530 нм, например, марки LUXEON LXML-PM01-0090» конкретизируют тип применяемого светодиода.
На фиг.1 показана блок схема беспроводного устройства для конъюнктивальной микроскопии; на фиг.2 – схема освещенности поверхности при наклоне оптического волокна под углом к оптической оси; на фиг.3 – вид корпуса беспроводного устройства для конъюнктивальной микроскопии; на фиг.4 – общий вид подведения оптического волокна внутри корпуса (разрез по А-А на фиг.3).
На чертежах показаны видеокамера 1, система 2 переноса изображений, осветитель 3, блок 4 оповещения, блок 5 питания, конъюнктива 6 глаза, область антиградиентного освещения 7, буфер 8 изображения, блок 9 отображения видео, блок 10 управления передаточными характеристиками видеокамеры, блок 11 ввода параметров, блок 12 предварительного анализа, блок 13 морфологического анализа, блок 14 управления яркостью осветителей, счетчик 15 записанных кадров, блок 16 записи изображения, блок 17 записи морфологического результатов анализа, блок 18 беспроводной связи оптической системы, первый элемент 19 беспроводной трансляции изображения, первый элемент 20 беспроводной трансляции характеристик изображения, первый элемент 21 беспроводного контроля характеристик освещения, первый элемент 22 беспроводного канала оповещения, блок 23 беспроводной связи анализатора, второй элемент 24 беспроводной трансляции изображения, второй элемент 25 беспроводной трансляции характеристик изображения, второй элемент 26 беспроводного контроля характеристик освещения, второй 27 элемент беспроводного канала оповещения, блок 28 переноса оптического (антиградиентного) излучения.
Участок, обозначенный на фиг. 2 символом a, – зона максимальной интенсивности, обусловленная формированием блика, b – зона постепенного снижения градиента освещенности, с – зона резкого снижения уровня градиента освещенности.
Беспроводное устройство для конъюнктивальной микроскопии содержит видеокамеру 1 с системой 2 переноса изображений, осветителем 3, блоком 28 переноса оптического излучения, блок 4 оповещения и блоком 5 питания. В корпусе видеокамеры 1 жестко закреплены три конструкционно разделенные с видеокамерой, например, теплоизоляционной перегородкой, светодиоды осветителя 3, сопряженные по оптической оси с торцом блока 28 переноса оптического излучения. Блок 28 переноса оптического излучения выполнен, например, из полиметилметакрилатного (ПММА) оптоволокна. При этом оптическое волокно расположено вокруг оптической оси системы 2 переноса изображений с равным угловым шагом и второй торцевой частью жестко закреплено на блоке переноса изображений таким образом, что направление выходящего светового потока составляет угол 36° относительно оптической оси системы 2 переноса изображений, причем длина волны, излучаемая светодиодом, выбирается таким образом, чтобы степень поглощения излучения различными формами гемоглобина была максимально близкой, например, зеленые светодиоды (530 нм) марки LUXEON LXML-PM01-0090. Блок 5 питания соединен с блоком 18 беспроводной связи оптической системы, блоком 4 оповещения, видеокамерой 1 и осветителем 3. Осветители 3 соединены с блоком 14 управления яркостью осветителей 3 через первый 21 и второй 26 элементы беспроводного контроля характеристик освещения и формируют световые пятна (область антиградиентного освещения 7) на конъюнктиве 6 глаза. Видеокамера 1 соединена с буфером 8 изображений через первый 19 и второй 24 элементы беспроводной трансляции изображения и блоком 10 управления передаточными характеристиками видеокамеры 1 через первый 20 и второй 25 элементы беспроводной трансляции характеристик изображения. Блок 11 ввода параметров связан с блоком 14 управления яркостью осветителей и блоком 12 предварительного анализа изображений, а также блоком 10 управления передаточными характеристиками видеокамеры, блоком 13 морфологического анализа изображений и счетчиком 15 записанных кадров. Счетчик 15 записанных кадров соединен с блоком 4 оповещения через первый 22 и второй 27 элементы беспроводного канала оповещения. Буфер 8 изображений соединен с блоком 12 предварительного анализа и блоком 16 записи изображений, который в свою очередь соединен с блоком 13 морфологического анализа. Блок 9 отображения видеоинформации соединен с буфером 8 изображения и блоком 13 морфологического анализа, который соединен с блоком 17 записи результатов морфологического анализа изображений.
Для достижения равномерного градиента освещения применена технология рассеянного освещения.
Устройство работает следующим образом.
Оптическую систему располагают вблизи от глаза пациента таким образом, чтобы выбранный участок конъюнктивы 6 находился на фокусном расстоянии системы 2 переноса изображения, перпендикулярно оптической оси устройства, ждут автоматической регулировки яркости блока 3 освещения или производят ручную настройку через блок 11 ввода параметров.
Видеокамера 1 через первый 19, второй 24 элементы беспроводной трансляции изображения заполняет буфер 8 изображения. Блок 12 предварительного анализа изображений определяет характеристики каждого изображения из последовательности, поступившей из буфера 8, и выдает управляющие сигналы на блок 10 управления передаточными характеристиками видеокамеры, которые передаются через первый 20, второй 25 элементы беспроводной трансляции характеристик изображения на видеокамеру 1. Блок 12 предварительного анализа изображений также корректирует работу блока 14 управления яркостью осветителей. Блок 14 управления яркостью осветителей сравнивает уровни яркости, заданные в блоке 11 ввода параметров, с текущими, полученными из блока 12 предварительного анализа, и устанавливает яркость осветителей через первый 21 и второй 26 элементы беспроводного контроля характеристик освещения таким образом, чтобы уровень яркости текущего изображения соответствовал уровню яркости заданному в блоке 11 ввода параметров. При появлении в динамической последовательности изображения, соответствующего заданным в блоке 11 параметрам качества яркость, контраст, неравномерность яркости по полю изображения, частоту кадров, блок 12 предварительного анализа направляет это изображение на блок 16 записи изображений, выводит изображение на блок 9 отображения видеовывода и выдает счетчику 15 записанных кадров сигнал для подсчета и сравнения количества записанных изображений с количеством заданным в блоке 11 ввода параметров. Счетчик 15 изображений при изменении своего состояния через первый 22, второй 27 элементы беспроводного канала оповещения на короткое время включает блок 4 оповещения для информирования оператора о ходе процесса записи и анализа. Блок 10 управления передаточной характеристикой видеокамеры и блок 14 управления яркостью осветителей согласуют световой поток, попадающий на приемную матрицу видеокамеры 1 с ее передаточными характеристиками для получения изображений заданного качества. Блок 13 морфологического анализа осуществляет анализ записанных изображений конъюнктивы, поступающих из блока 17 записи морфологического результатов анализа, рассчитывает характеристики микроциркуляции, а анализируемые изображения и результаты расчетов направляет на блок 9 отображения и в блок 17 записи результатов морфологического анализа.
Таким образом, за счет блока 28 переноса оптического излучения происходит устранение бликовых пятен на поверхности конъюнктивы 6 глаза, что устраняет артефакты изображения, что уменьшает вычислительную нагрузку блока 12 предварительного анализа.
Заявляемое устройство реализовано с использованием видеокамеры высокого разрешения (1280x1024), преимущественно высокоскоростной (60 кадров/сек и выше), например, камера HERO (3) Black Edition производства фирмы «GoPro», в составе которой КМОП матрица Sony IMX117 и видеокодер Ambarella A770 с Samsung S4LL011X01. Осветители 3 выполнены на базе зеленых светодиодов, например, зеленые светодиоды (530 нм) марки LUXEON LXML-PM01-0090. Размещение электронных компонентов осветительной системы приоритетно внутри корпуса, что не несет потери качества освещения. Блок 28 переноса оптического излучения выполнен, например, из полиметилметакрилатного волокна с диаметром сердцевины 0.75 мм. Среднее время обследования составляет 1 мин. 40 сек.
Функциональные блоки 8-17, 24-27 беспроводного устройства для конъюнктивальной микроскопии реализуют в виде аппаратно программного комплекса на базе портативного компьютера. Система в реальном времени заносит изображения с видеокамеры 1 в оперативную память и отображает их на экране монитора. Программное обеспечение анализирует резкость, яркость и контрастность каждого изображения и корректирует передаточную характеристику видеокамеры 1 таким образом, чтобы максимально использовать ее динамический диапазон. Каждое изображение подвергается процедуре Фурье и Вейвлет-анализа для оценки его частотных и контрастных характеристик, и если они удовлетворяют параметрам, введенным в блок 11 ввода параметров, сохраняется в памяти или на жестком диске компьютера. Это сопровождается активацией первого 22, второго 27 элементов беспроводного канала оповещения, что вызывает изменение состояния блока 4 оповещения, что вызывает появление звукового и светового сигнала. Записанное изображение и результаты предварительной обработки могут отображаться в отдельном окне монитора. Этот процесс повторяется, пока не будет записано заданное в блоке 10 параметров количество изображений. После чего сигнал блока 4 оповещения прекращается, что служит сигналом оператору для прекращения съемки конъюнктивы. Затем в блоке 12 предварительного морфологического анализа проводится детальный анализ серии записанных изображений, сохранение и отображение его результатов.
Таким образом, беспроводное устройство для конъюнктивальной микроскопии, включающее в себя блок антиградиентного излучения, позволяет повысить количество информативных снимков, что ускоряет процесс обработки данных.
Собственно процесс съемки сосудов конъюнктивы включает следующие стадии. В компьютер, например типа ноутбук, работающий под управлением операционной системы Windows NT, MacOS или Linux с подключенным к нему блоком беспроводной связи загружается разработанная заявителем программа управления и обработки процессом измерений. Затем в интерактивном режиме вводится информация о пациенте и параметры управления процессом съемки (количество изображений, линейное увеличение камеры и т.п.). После этого при необходимости для обеспечения электробезопасности, если компьютер был подключен к сети, его отключают, и переходят на автономное питание.
Изменения в процессе съемки сосудов конъюнктивы предлагаемого устройства заключается в следующем.
Оператор в одну руку берет оптическую систему, а другой раздвигает веки пациента и располагает видеокамеру 1 так, чтобы изучаемый участок конъюнктивы 6 находился в области антиградиентного освещения 7 блока 28 переноса оптического освещения. Далее, он плавно перемещает видеокамеру 1 в направлении оптической оси в обе стороны от этого положения на расстоянии 3-5 мм вдоль оптической оси устройства, наблюдая за положением освещенной области антиградиентного освещения 7 блока 28 переноса оптического освещения излучения осветителем 3. Прекращение сигнала блока 4 оповещения информирует оператора о завершении процесса измерений. После этого пациента оставляют в покое и приступают к анализу результатов экспресс-съемки, представленных на компьютере и дублирующихся на блок 4 оповещения оптической системы. Весь процесс записи и анализа снимков составляет не более 55-100 секунд, что в несколько раз быстрее, чем с использованием известных устройств.
Для детального исследования определенной зоны можно увеличить размер снимка. На экран можно выводить сразу несколько любых изображений. Данные изображения затем могут быть отпечатаны на видеопринтере. Изображения и информация по пациенту хранятся в компьютере и могут быть записаны на любое запоминающее устройство для передачи пациенту и для создания своей видеобиблиотеки.
Заявляемое портативное устройство за счет предлагаемой компоновки составляющих его элементов, а именно использования блока проведения освещения, производит устранения артефактов изображения без усложнения программного кода процесса обработки изображения, обеспечивает экспресс съемку конъюнктивы глаза, результатом работы имеет наиболее качественные данные, полученные за меньший временной промежуток, позволяет исследовать конъюнктиву пациента, находящегося как в любом положении, в том числе вынужденном, что бывает часто необходимо в экстренных ситуациях для анализа состояний, например ожоговых больных и больных в состоянии шока, и может успешно применяться персоналом медицины катастроф в чрезвычайных ситуациях, военнослужащими в вооруженных конфликтах, например при сортировке раненых и больных.
1. Беспроводное устройство для конъюнктивальной микроскопии, содержащее систему управления, регистрации и анализа полученных изображений, реализованную на базе ЭВМ, блок связи, выполненный с возможностью поддержания динамической обратной связи между блоком беспроводной связи оптической системы и блоком беспроводной связи системы управления, регистрации и анализа полученных изображений, оптическую систему, включающую видеокамеру с системой переноса изображений, осветитель с блоком переноса оптического излучения, отличающееся тем, что светодиоды осветителя отделены от видеокамеры теплоизоляционной перегородкой и сопряжены по оптической оси с торцом блока переноса оптического излучения, выполненным в виде пучка световодов из полиметилметакрилата, которые расположены вокруг оптической оси системы переноса изображений с равным шагом, при этом торцы блока переноса освещения жестко закреплены в корпусе устройства таким образом, что направление их выходящего светового потока составляет угол 36° относительно оптической оси системы переноса изображений, причем длина волны, излучаемая каждым светодиодом, выбрана так, чтобы степень поглощения излучения различными формами гемоглобина была максимально близка 530 нм.
2. Беспроводное устройство по п. 1, отличающееся тем, что как светодиоды осветителя использованы зеленые светодиоды с длиной волны излучения 530 нм, например, марки LUXEON LXML-PM01-0090.
