Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНЪЮНКТИВАЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ

Изобретение относится к области медицинской оптики и может быть использовано для инструментального наблюдения микроциркуляции крови в сосудах конъюнктивы глазного яблока, в т.ч. в условиях удаления наблюдателя от пациента.

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 A61B 5/02, 2005).

Однако известному устройству, как и всем подобным устройствам на основе щелевых ламп, присущи и все их недостатки, а именно: известная система громоздка, стационарна, используется только для пациентов в положении сидя, требует фиксации головы пациента, что затрудняет ее применение в экстренных случаях для тяжелобольных пациентов, получение качественного изображения требует длительного времени, поскольку выбор участка конъюнктивы, установка освещения, наводка на резкость проводится оператором.

Известно также устройство для конъюнктивальной микроскопии, включающее видеокамеру с системой переноса изображений, осветитель и связанной 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 20° относительно оптической оси системы переноса изображений (см. RU №2311113, МПК A61B 3/10, A61B 3/14, 2007).

Недостатками известного устройства являются: ограничение функциональности проводным интерфейсом USB 2.0 (не более 3-х метров между видеокамерой и блоком анализа изображений на базе ЭВМ), громоздкость, используется только для пациентов в положении сидя и лежа, ее применение для тяжелобольных пациентов с вынужденной позой в условиях лечебно-профилактических учреждений затруднительно, а в чрезвычайных ситуациях (ЧС) или боевых действиях практически невозможно. Кроме того, известное устройство требует присутствия квалифицированного специалиста в непосредственной близости от пациента, где он подвергается опасности ранения или гибели, что опасно возможностью потери такого специалиста.

Задачей изобретения является создание устройства экспресс-съемки микрососудистого русла конъюнктивы глазного яблока, максимально щадящего для пациента, применение которого возможно в условиях как лечебно-профилактических учреждений, так и в экстренных случаях, чрезвычайных ситуациях, и боевых действиях, в условиях применения средств радиоэлектронной борьбы.

Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в сокращении времени диагностики и повышении достоверности оценки состояния пациента, кроме того, появилась возможность диагностики пациентов с вынужденной позой, например, пораженных в ЧС, находящихся в завалах, кроме того, исключается риск потерь квалифицированных специалистов за счет возможности их вывода из зоны проявления опасности, кроме того, исключается возможность искажения диагностической информации за счет устранения возможности воздействия помех на сигнал в процессе его передачи в диагностический центр. Среднее время обследования составляет 1 мин 23 сек.

Поставленная задача решается тем, что устройство для конъюнктивальной микроскопии, содержащее оптическую систему, включающую видеокамеру с системой переноса изображений, осветитель, содержащий два сверхярких белых светодиода, жестко закрепленных на видеокамере так, что направление их световых потоков составляет угол не менее 20° относительно оптической оси системы переноса изображений и 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, отличающийся тем, что оптическая система содержит блок питания, предпочтительно встроенный, при этом блок связи выполнен беспроводным и содержит узел беспроводной связи оптической системы и узел беспроводной связи анализатора, причем узел беспроводной связи оптической системы содержит первый элемент беспроводной трансляции изображения, первый элемент беспроводной трансляции характеристик изображения, первый элемент беспроводного контроля характеристик освещения и первый элемент беспроводного канала оповещения, при этом узел беспроводной связи анализатора содержит второй элемент беспроводной трансляции изображения, второй элемент беспроводной трансляции характеристик изображения, второй элемент беспроводного контроля характеристик освещения и второй элемент беспроводного канала оповещения, при этом узел беспроводной связи оптической системы, видеокамера и блок оповещения подключены к блоку питания оптической системы, причем вход первого элемента беспроводной трансляции изображения сообщен с выходом видеокамеры, а его выход сообщен со вторым элементом беспроводной трансляции изображения, который через буфер изображений сообщен с блоком записи изображений и блоком предварительного анализа изображений, кроме того, выход первого элемента беспроводной трансляции характеристик изображения сообщен со входом видеокамеры, а его вход сообщен с выходом второго элемента беспроводной трансляции характеристик изображения, вход которого сообщен с выходом блока управления передаточными характеристиками, который в свою очередь сообщен с выходами блоков предварительного анализа изображений и блоком ввода параметров, кроме того, выход первого элемента беспроводного контроля характеристик освещения сообщен с осветителем, а его вход сообщен с выходом второго элемента беспроводного контроля характеристик освещения, вход которого сообщен с выходом блока управления яркостью осветителей, который, в свою очередь, сообщен с блоком предварительного анализа изображений и блоком ввода параметров, кроме того, выход первого элемента беспроводного канала оповещения сообщен с блоком оповещения, а его вход сообщен со вторым элементом беспроводного канала оповещения, вход которого сообщен со счетчиком записанных кадров, который в свою очередь сообщен с блоком предварительного анализа изображений и блоком ввода параметров, кроме того, выход блока записи изображений сообщен с блоком морфологического анализа изображений, выходы которого сообщены с блоком записи результатов морфологического анализа изображений и блоком отображения видеоизображения, который также сообщен с блоком предварительного анализа изображений, при этом первый и второй элементы блоков беспроводной связи оптической системы и беспроводной связи анализатора связаны через один или несколько активных и/или пассивных ретрансляторов, или же напрямую с использованием действующих стандартов беспроводной связи, например радиосвязь стандарта IEEE 802.11 b/g/n Wi-Fi, или инфракрасная связь стандарта Infrared W-LAN или Giga-IR.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение комплекса функциональных задач.

Признаки, указывающие, что «оптическая система содержит блок питания, предпочтительно встроенный», и признаки, указывающие, что «узлы связи выполнены беспроводными», обеспечивают минимизацию ее массогабаритных параметров и возможность ее применения у тяжелобольных пациентов с вынужденной позой, что делает процедуру диагностики максимально щадящей для пациента и удобной для оператора, и обеспечивает возможность применения системы в условиях ЧС и боевых действий.

Признаки, указывающие, что «узел беспроводной связи оптической системы содержит первый элемент беспроводной трансляции изображения, первый элемент беспроводной трансляции характеристик изображения, первый элемент беспроводного контроля характеристик освещения и первый элемент беспроводного канала оповещения», описывают конструкцию узла беспроводной связи оптической системы и обеспечивают передачу видеоизображения и прием заданных характеристик осветителя, видеокамеры, а также прием сигнала, управляющего работой блока оповещения.

Признаки, указывающие, что «узел беспроводной связи анализатора содержит второй элемент беспроводной трансляции изображения, второй элемент беспроводной трансляции характеристик изображения, второй элемент беспроводного контроля характеристик освещения и второй элемент беспроводного канала оповещения», описывают конструкцию узла беспроводной связи анализатора и обеспечивают прием видеоизображения и передачу заданных характеристик осветителя, видеокамеры, и передачу сигнала, управляющего работой блока оповещения.

Признаки, указывающие, что «узел беспроводной связи оптической системы, видеокамера и блок оповещения подключены к блоку питания оптической системы» обеспечивают работоспособность названных узлов и элементов.

Признаки, указывающие, что «вход первого элемента беспроводной трансляции изображения сообщен с выходом видеокамеры, а его выход сообщен со вторым элементом беспроводной трансляции изображения, который через буфер изображений сообщен с блоком записи изображений», обеспечивают передачу видеосигнала на блок записи изображений и обеспечение возможности оценки качественных характеристик поступающего изображения.

Признаки, указывающие, что «вход первого элемента беспроводной трансляции изображения сообщен с блоком предварительного анализа изображений», обеспечивают аппаратный анализ качественных характеристик изображения.

Признаки, указывающие, что «выход первого элемента беспроводной трансляции характеристик изображения сообщен со входом видеокамеры, а его вход сообщен с выходом второго элемента беспроводной трансляции характеристик изображения, вход которого сообщен с выходом блока управления передаточными характеристиками, который в свою очередь сообщен с выходами блоков предварительного анализа изображений и блоком ввода параметров», обеспечивают динамическую обратную связь управления работой видеокамерой, позволяющую оптимизировать качество изображения по яркостным и контрастным характеристикам.

Признаки, указывающие, что «выход первого элемента беспроводного контроля характеристик освещения сообщен с осветителем, а его вход сообщен с выходом второго элемента беспроводного контроля характеристик освещения, вход которого сообщен с выходом блока управления яркостью осветителей, который в свою очередь сообщен с блоком предварительного анализа изображений и блоком ввода параметров», обеспечивают динамическую обратную связь управления работой осветителя, позволяющую динамически оптимизировать работу осветительной системы.

Признаки, указывающие, что «выход первого элемента беспроводного канала оповещения сообщен с блоком оповещения, а его вход сообщен со вторым элементом беспроводного канала оповещения, вход которого сообщен со счетчиком записанных кадров, который в свою очередь сообщен с блоком предварительного анализа изображений и блоком ввода параметров, кроме того, выход блока записи изображений сообщен с блоком морфологического анализа изображений, выходы которого сообщены с блоком записи результатов морфологического анализа изображений и блоком отображения видеоизображения, который также сообщен с блоком предварительного анализа изображений», обеспечивает оповещение оператора о запуске процедуры диагностики, после того, как достигнуто оптимальное качество изображения (высокая контрастность, резкость и яркость), и об окончании процедуры диагностики.

Признаки, указывающие, что «первый и второй элементы блоков беспроводной связи оптической системы и беспроводной связи анализатора связаны через один или несколько активных и/или пассивных ретрансляторов или же напрямую с использованием действующих стандартов беспроводной связи, например радиосвязь стандарта IEEE 802.11 b/g/n Wi-Fi, или инфракрасная связь стандарта Infrared W-LAN или Giga-IR» обеспечивают высокую помехозащищенность диагностического процесса и высокое быстродействие системы.

Заявленное решение иллюстрируется чертежом, где показана блок-схема устройства для конъюнктивальной микроскопии глаза.

На чертеже показаны видеокамера 1, система 2 переноса изображений, осветитель 3, блок 4 оповещения, блок 5 питания, конъюнктива глаза 6, световое пятно 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 результатов морфологического анализа, узел 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, узел беспроводной связи анализатора 23, второй элемент 24 беспроводной трансляции изображения, второй элемент 25 беспроводной трансляции характеристик изображения, второй элемент 26 беспроводного контроля характеристик освещения, второй элемент 27 беспроводного канала оповещения 27, блок 28 связи.

Устройство содержит видеокамеру 1 с системой 2 переноса изображений, осветитель 3, блок 4 оповещения и блок 5 питания. На корпусе видеокамеры 1 жестко закреплены два конструктивно связанных друг с другом осветителя 3. Блок 5 питания соединен с узлом 18 беспроводной связи оптической системы, блоком 4 оповещения, видеокамерой 1 и осветителем 3. Осветители 3 соединены с блоком 14 управления яркостью осветителей через первый 21 и второй 26 элементы беспроводного контроля характеристик освещения и формируют световые пятна 7 на конъюнктиве 6. Видеокамера 1 соединена с буфером 8 изображений через первый 19, второй 24 элементы беспроводной трансляции изображения, и блоком 10 управления передаточными характеристиками видеокамеры 1 через первый 20, второй 25 элементы беспроводной трансляции характеристик изображения. Блок 11 ввода параметров, а именно, количество и качество изображений, пространственный спектр, яркостные и контрастные характеристики, связан с блоком 14 управления яркостью осветителей, и блоком 12 предварительного анализа изображений, а также блоком 10 управления передаточными характеристиками, блоком 13 морфологического анализа изображений и счетчиком 15 записанных кадров. Счетчик 15 записанных кадров соединен с блоком 4 оповещения через первый 22, 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 блоком 8 буфера изображения и блоком 13 морфологического анализа, который соединен с блоком 17 записи результатов морфологического анализа изображений.

Взаимное расположение световых пятен 7 определяется расстоянием от видеокамеры 1 до конъюнктивы глаза 6. При совмещении световых пятен 7 на приемной матрице видеокамеры 1 образуется резкое изображение области конъюнктивы глаза 6, расположенной в световом пятне 7. Блок осветителей 3 установлен на корпусе видеокамеры 1 таким образом, что направление их световых потоков составляет угол не менее 20 градусов относительно оптической оси системы 2 переноса изображений, что позволяет исключить попадание света осветителей 3 на сетчатку глаза пациента.

Устройство работает следующим образом.

Оптическую систему располагают вблизи от глаза пациента таким образом, чтобы на выбранном участке конъюнктивы 6 совместились световые пятна 7 от осветителей 3. 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 передаточной характеристикой камеры, 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 с текущими, полученными из блока 12, 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. 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 сигнал для подсчета и сравнения количества записанных изображений с количеством, заданным в блоке 11. Счетчик 15 изображений при изменении своего состояния через первый 22, второй 27 элементы беспроводного канала оповещения на короткое время включает источник 4 звукового сигнала 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 изображений, рассчитывает характеристики микроциркуляции, а анализируемые изображения и результаты расчетов направляет на блок 9 отображения и в блок 17 записи результатов морфологического анализа.

Таким образом, между оптической системой и системой анализатора в реальном масштабе времени осуществляется динамическая обратная связь, обеспечивающая посредством блоков 10, 14, 15 управление характеристиками оптической системы таким образом, чтобы привести параметры изображений видеопоследовательности в соответствие с параметрами, заданными в блоке 11.

Заявляемое устройство реализовано с использованием видеокамеры высокого разрешения (1280×1024), 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 выполнены на базе сверхярких белых светодиодов, например, марки TL10W02-D. Беспроводная связь реализована с использованием высокоскоростных каналов связи, например инфракрасная связь стандарта Giga-IR на базе ПЛИС XILINX Virtex 6GTX в экранированном от радиосигналов корпусе.

Функциональные блоки 8-17, 24-27 устройства 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 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 морфологического анализа проводится детальный анализ серии записанных изображений, сохранение и отображение его результатов.

Таким образом, заявляемое устройство, включающее оптическую систему и анализатор, что позволяет отказаться от достаточно громоздкой системы на основе проводных интерфейсов (например USB 2.0), избежать перемещения головы пациента при проведении исследования, а также, при необходимости, работать с оптической системой на удалении от анализатора. Модифицированное устройство обладает большей мобильностью, широким функционалом и может быть легко доставлено в любое требуемое место, что позволяет использовать его в чрезвычайных ситуациях и для исследования тяжелобольных пациентов, значительно сокращая время исследования.

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. Звуковой сигнал означает, что оператору можно приступать к съемке. Оператор в одну руку берет оптическую систему, а другой раздвигает веки пациента и располагает видеокамеру 1 так, чтобы световые пятна 7 осветителей 3 совместились на участке конъюнктивы 6, съемка которого проводится. Далее, он плавно перемещает видеокамеру 1 в направлении оптической оси в обе стороны от этого положения на расстоянии 3-5 мм, наблюдая за световыми пятнами 7 осветителей 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 оповещения оптической системы. Весь процесс записи и анализа снимков составляет не более 1-2 мин, 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 обеспечивает экспресс-съемку конъюнктивы глаза, 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.