Аппаратно-программный комплекс для цифровой биомикроскопии

Изобретение относится к области медицины, а именно к диагностике. Для исследования биологических объектов, в том числе наружных покровов тела человека, используют аппаратно-программный комплекс для цифровой биомикроскопии, включающий в себя блок обработки данных, включающий в себя компьютер с программным обеспечением, который реализует алгоритмы обработки изображений для определения цветовых характеристик и геометрических параметров изображений, анализирует стереограммы, архивирует данные, генерирует отчеты и дополнительно обеспечивает обмен данными с сервером или «облачным» ресурсом; блок фоторегистрации, включающий в себя защитный кожух, в котором смонтированы: цифровая камера; блок диффузно-рассеянного освещения, выполненный в виде разнонаправленных источников света видимого диапазона, ближнего УФ-диапазона и ближнего ИК-диапазона, имеющих матовые рассеиватели; блок бокового освещения, выполненный в виде узконаправленных источников света видимого диапазона, ближнего УФ-диапазона и ближнего ИК-диапазона, располагаемых под углом 30-45 градусов к оптической оси цифровой камеры; бесконтактный датчик определения расстояния до биообъекта; и тест-объект с допуском 0,1 мм, обеспечивающий получение стандартных калибровочных изображений с возможностью смещения тест-объекта с шагом 1 мм; и блок индикации, выполненный в виде монитора пациента, связанного с блоком обработки данных. Устройство обеспечивает расширение диагностических возможностей и контроль эффективности лечения за счет стандартизации и оптимизации условий визуализации биообъектов и использованием высокоинформативных физических методов. 1 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к диагностическим устройствам и может быть использовано для исследования биологических объектов, в том числе наружных покровов тела человека. Оценка многих состояний наружных покровов тела человека является основой для диагностики и оценки эффективности лечения многих заболеваний. Состояние вышеуказанных структур определяет такие показатели, как биологический возраст, влияние неблагоприятных факторов на организм. Имеется большое количество различных кожных реакций для диагностики аллергических и инфекционных заболеваний. Оценка результатов проб производится субъективно, чаще всего по измерению диаметра зоны реакции с помощью миллиметровой линейки. На результаты исследований влияют многие факторы: условия освещения, уровень квалификации персонала, субъективность оценки результатов. Особое значение имеет аспект наличия у медицинского эксперта офтальмологических заболеваний, влияющих на цветовосприятие, остроту зрения (катаракта, макулодистрофия, глаукома и др). Общей тенденцией в развитии диагностических методов является объективизация результатов обследования.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен дерматоскоп DELTA 20 для дерматоскопических исследований пигментных кожных образований и ранней диагностики меланом. Дерматоскопическое масло наносится на кожу для того, чтобы сделать поверхностные слои кожи более прозрачными, делает видимыми структурные изменения кожи. При помощи дерматоскопа DELTA 20 упрощается и становится более точным дифференциальный диагноз начальной стадии меланом и других патологических изменений. Оптика с высоким разрешением и системой ахроматических линз. 10×кратное увеличение, неискаженное по всей плоскости, крупное и четкое изображение. Недостатками данного устройства являются узкая направленность диагностики пигментных образований кожи. Также существенным недостатком считаем использование дерматологического масла. Любое дополнительное воздействие на кожу меняет ее оптические характеристики, затрудняет возможность сравнения результатов исследования. Также используется фиксированное увеличение в 10 крат, которое может быть не всегда достаточным для диагностики.

Известен стереоскопический дерматоскоп (патент US 2014/0088440, А1, А61В 5/0077, 2014), представляющий собой контактное устройство с оптической системой и возможностью подключения к компьютеру. Данный аналог представляют собой контактное, оптическое устройство для получения стереоскопического изображения. Недостатком данного устройства является контактная конструкция устройства, не исключающая внешних воздействий, в частности, теплового воздействия источников света ввиду близости к поверхности кожи, компрессии на поверхность кожи, которая значительно изменяет показатели локальной микроциркуляции кожи.

Также известно дерматоскопическое устройство (US 2014/019510, А1, G02B 21/36, 2014), представляющее собой оптическую систему и осветительный блок, которое устанавливается на поверхность кожи с возможностью обеспечения оптимального освещения. При этом данное устройство не лишено тех же вышеперечисленных недостатков контактной конструкции получения изображений. Также контактная конструкция требует постоянной обработки поверхности кожи специальными дезинфицирующими средствами, создает опасность переноса инфекции.

Известен ДЕРМАТОСКОП (патент РФ №№2459572, C1, А61В 5/00) - выбран за прототип. Дерматоскоп, состоящий из трех сменных и управляемых осветительных систем с использованием поляризованного света в режиме кросс-поляризации и видимом спектральном диапазоне, неполяризованного света в видимом спектральном диапазоне и неполяризованного света в ультрафиолетовом спектральном диапазоне, и регистрирующей системы, находящейся на одной оптической оси с осветительной системой и включающей в себя объектив, ПЗС-матрицу, плату управления, а также компьютер для анализа полученных изображений, документирования и хранения результатов анализа.

Недостатком аналогов и прототипа является контактный принцип использования устройств. Это создает необходимость постоянной дезинфекции поверхности кожи и самого устройства для предупреждения переноса инфекций. В ходе исследования устройство оказывает давление на поверхность кожи, что влияет на показатели кровообращения, а следовательно, цветовые характеристики, на основе которых устанавливаются диагностические критерии. Следовательно, не обеспечиваются параметры стандартизации условий проведения исследований, что в значительной степени снижает диагностические возможности метода. В прототипе указано использование компьютера для анализа полученных изображений, но не указывается, какие биофизические показатели используются в данном случае, какие именно параметры, из указанных в формуле изобретения, являются диагностическими и, как они могут быть интерпретированы.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРТЕНИЯ

Задачей изобретения и требуемым техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение точности, скорости проведения и расширения функциональных возможностей диагностических процедур бесконтактной биомикроскопии покровов тела человека.

Поставленная задача и требуемый технический результат при использовании изобретения достигаются путем использования высокоинформативных физических методов, стандартизации и оптимизации условий визуализации биообъектов на основе аппаратно-программного комплекса.

Решение задач диагностики состояния биообъектов возможно только как комплексное решение, в котором оптимизированы и стандартизированы все конструктивные элементы. В связи с этим создание отдельно функционирующих устройств, которые интегрируются с неизвестным программным обеспечением, не позволяет обеспечить стандартизацию параметров получаемой информации. Только создание единого аппаратно-программного комплекса дает возможность обеспечить решение поставленной задачи. Необходимым является создание специализированной оптической системы, осветительного блока, фоторегистрируюшего блока и блока обработки и хранения получаемой информации. Наиболее значимым этапом является выбор методов получения и анализа результатов биомикроскопии. В оценке состояния биообъектов имеет наибольшее значение стандартизация условия освещения в различных диапазонах, баланс цвета, в том числе белого цвета, характеристики фоторегистрирующего блока, выбор используемых методов цветового анализа, формы, геометрических размеров, оценки соотношения структурных элементов объекта исследования.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг. 1 представлена схема предлагаемого комплекса, который включает, в общем случае, 3 блока: А - блок фоторегистрации, Б - блок обработки данных, В - блок индикации. Составные части блоков комплекса: 1 - монитор пациента, 2 - защитный кожух, 3 - осветительный блок бокового освещения, 4 - цифровая камера, 5 - датчик определения расстояния, 6 - осветительный блок диффузно-рассеянного освещения, 7 - тест-объект, 8 - объект исследования, 9 - управляющее устройство, 10 - компьютер с программным обеспечением, 11 - сервер или «облачный» ресурс.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБЕРТЕНИЯ

Конструктивное решение выполнено в виде единого комплекса, состоящего из блока фоторегистрации (А) и блока обработки данных (Б), так же в структуре комплекса может присутствовать блок индикации (В) (в виде монитора пациента и/или громкоговорителя пациента (1)). Управляющее устройство (9) осуществляет управление отдельными компонентами блока фоторегистрации (А) и взаимосвязь между различными блоками комплекса в целом. Существенным отличием от прототипа и аналогов является бесконтактная методика получения цифровых изображений. Соответственно, исключается внешнее воздействие на объект обследования (8), повышается точность диагностики, снижается риск переноса инфекции. Использование специального защитного кожуха (2), в котором смонтированы цифровая камера (4) и блоки освещения (3 и 6), обеспечивает исключение влияния внешнего света и стандартизацию условий визуализации. Конструкция осветительного блока (3 и 6) в отличие от прототипа располагается не соосно с оптической системой, а имеет несколько компонентов, используемых последовательно и обеспечивающих повышение информативности изображения биообъектов. В прототипе источник света расположен прямонаправленно, соосно с оптической системой. Такой вариант освещения обеспечивает хорошее отражение света от исследуемого объекта. Существенным недостатком такого освещения является эффект бликования от поверхности, что создает эффект локального засвета на получаемом изображении. Кроме того, получаемое изображение является информативным только в отношении поверхностных тканей, от которых отражается свет. Близко расположенные к кожной поверхности источники света имеют эффект нагрева ткани вследствие наличия тепловой составляющей в общем световом потоке. Нагрев кожной поверхности очень сильно влияет на цветовые характеристики, вызывает локальную сосудистую реакцию, которая может быть неправильно интерпретирована. Осветительный блок заявляемого аппаратно-программного комплекса для биомикроскопии расположен на расстоянии до объекта, при котором тепловое воздействие исключается. Используемые источники света не оказывают теплового воздействия. Используется 2 последовательных варианта освещения и фоторегистрации:

- диффузно-рассеянный режим (6) обеспечивается использованием матовых рассеивателей и разнонаправленным расположением источников света. Данный тип освещения является «заполняющим», равномерно освещающим, не дающим бликующих эффектов и создающим естественную цветопередачу. Этот тип освещения является оптимальным для получения изображений с наилучшими показателями детализации и цветопередачи поверхности биообъектов;

- режим бокового освещения (3) осуществляется узконаправленным пучком света, располагающегося под углом 30-45 градусов по отношению к оптической оси фоторегистрирующего устройства. Данный тип освещения является боковым, обеспечивающим получение оптического среза биоткани. Получение оптического среза ткани возможно вследствие эффекта Тиндаля.

Боковое освещение узкой световой щелью дает ряд преимуществ по сравнению с прототипом:

- возможность исследования поверхностных структур, наличие участков с различной прозрачностью;

- возможность получения визуализации глубжележащих структур;

- оценка профиля поверхности по отраженному свету;

- определение наличия скопления жидкости по эффекту диафаноскопии;

- при последовательном получении изображений при боковом освещении с разных сторон объекта получают стереоскопическое изображение и оценивают высоту выстояния различных участков биообъекта по отношению к иным участкам.

Фоторегистрирующий блок имеет возможность получать изображения в видимом диапазоне, ближнем УФ-диапазоне, а также в ближнем ИК-диапазоне благодаря конструкции осветительных блоков (3 и 6). Наиболее существенным отличием от прототипа является возможность анализа результатов исследования в ИК-диапазоне. Авторами выбран, в соответствии с классификацией В.В. Зарецкого и А.Г. Выховской (1976), ближний ИК-диапазон в диапазоне 0,76-1,5 мкм. Увеличение интенсивности в данном диапазоне свидетельствует об увеличении микрососудистой реакции, что имеет значение в диагностике воспалительного процесса. Наличие отечной жидкости, определяемое биомикроскопически и по диафаноскопическому свечению, также является симптомом воспалительной реакции. Нами впервые предлагается расширить диагностические возможности аппаратно-программного комплекса диагностическим алгоритмом - наличие отека и повышенная температура свидетельствуют о воспалительном процессе, наличие отека без повышения интенсивности в ИК-диапазоне свидетельствует об аллергическом процессе.

Аппаратно-программный комплекс для цифровой биомикроскопии, в отличие от прототипа, имеет возможность определения геометрических параметров биообъектов. Физической основой является получение стандартных калиброванных изображений с помощью тест-объекта (7), имеющего допуск в 0.1 мм. В тестирующем режиме производится калибровка с возможностью смещения объекта с шагом 1 мм. Также в фоторегистрирующем блоке имеется датчик определения расстояния (5) до объекта. Данный параметр вводит корректирующий коэффициент в процесс измерения геометрических параметров, в зависимости от расстояния до биообъекта (8).

Программное обеспечение вычислителя или персонального компьютера (10) в составе блока обработки данных имеет идентификатор обследуемого, обеспечивает анализ качества получаемых изображений, реализует алгоритмы обработки изображений для определения цветовых характеристик, геометрических параметров (площади, диаметров, высоты выстояния по отношению к окружающим тканям), анализа стереограмм, осуществляет архивацию данных, генерацию отчетов, передачу файлов на сервер или в «облачные» ресурсы (11).

Методика использования аппаратно-программного комплекса для цифровой биомикроскопии. Исследование производится в положении сидя. Обследуемый и исследователь располагаются друг напротив друга. Эргономика аппаратно-программного комплекса для цифровой биомикроскопии выполнена таким образом, что обследуемый фиксирует руку в фоторегистрирующем устройстве под видеоконтролем исследователя. После идентификации обследуемого и введения данных производится фоторегистрация при различных вариантах освещения. Полученные изображения контролируются программными средствами по качеству изображения. Обработка данных производится программными средствами, в частности измерением геометрических параметров. Иные показатели могут быть введены исследователем исходя из целей и задач обследования. Полученные данные в виде файла могут быть сохранены в архиве или переданы по каналам Интернет на сервер или «облачное» хранение.

Аппаратно-программный комплекс для цифровой биомикроскопии имеет расширенную область применения, а именно: педиатрия, дерматология, фтизиатрия, онкология, геронтология. Возможно получение цифровых изображений не только кожных, но и иных покровов, в частности ногтевых фаланг, волосяных покровов.

Аппаратно-программный комплекс для цифровой биомикроскопии, включающий в себя:

блок обработки данных, включающий в себя компьютер с программным обеспечением, который реализует алгоритмы обработки изображений для определения цветовых характеристик и геометрических параметров изображений, анализирует стереограммы, архивирует данные, генерирует отчеты и дополнительно обеспечивает обмен данными с сервером или «облачным» ресурсом;

блок фоторегистрации, включающий в себя защитный кожух, в котором смонтированы:

цифровая камера;

блок диффузно-рассеянного освещения, выполненный в виде разнонаправленных источников света видимого диапазона, ближнего УФ-диапазона и ближнего ИК-диапазона, имеющих матовые рассеиватели;

блок бокового освещения, выполненный в виде узконаправленных источников света видимого диапазона, ближнего УФ-диапазона и ближнего ИК-диапазона, располагаемых под углом 30-45 градусов к оптической оси цифровой камеры;

бесконтактный датчик определения расстояния до биообъекта; и

тест-объект с допуском 0,1 мм, обеспечивающий получение стандартных калибровочных изображений с возможностью смещения тест-объекта с шагом 1 мм; и

блок индикации, выполненный в виде монитора пациента, связанного с блоком обработки данных.