Устройство для конъюнктивальной микроскопии

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 (ПМ №46164, МПК A61B 5/02, 2005).

Однако известному устройству, как и всем подобным устройствам на основе щелевых ламп, присущи недостатки: работа такой системы в значительной мере зависит от уровня квалификации оператора, поскольку установка освещения, наводка на резкость, оценка информативности, съема параметров проводится оператором. Таким образом, исследование в значительной мере носит субъективный характер.

Известно также 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 20° относительно оптической оси системы переноса изображений (cм. RU № 58020, МПК A61B3/10, A61B3/14, 2006).

Недостатками известного устройства являются ограничения функциональности и скорости съемки изображений проводным интерфейсом USB 2.0, и ограничение пропускной способности канала передачи данных, что замедляет работу всего устройства в целом.

Известно также устройство для конъюнктивальной микроскопии, содержащее оптическую систему, включающую видеокамеру с системой переноса изображений и осветитель, содержащий светодиоды, жестко закрепленные на видеокамере, ориентированные под углом не менее 20° к оптической оси системы переноса изображений, блок питания, систему управления, систему анализа полученных изображений, реализованную на базе ЭВМ, блок связи, выполненный с возможностью поддержания динамической обратной связи между оптической системой и системой управления (см. RU 141613, МПК A61B3/10, 2014).

Данная модификация имеет жесткое ограничение пропускной способности беспроводного канала, необходимость передачи на систему морфологического анализа всех изображений, в том числе изображений

, не пригодных для анализа, что обусловлено спецификой работы системы анализа изображений. Все это снижает оперативность получения результатов съемки конъюнктивы глаза, пригодных для проведения диагностики пострадавшего.

Задачей, на решение которой направлено заявленное устройство, является повышение оперативности получения результатов съемки конъюнктивы глаза, пригодных для проведения диагностики пострадавшего.

Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении предварительной оценки качества изображений, на основе которой оперативно корректируют освещение и характеристики камеры, автоматической сортировки изображений на соответствие заявленным требованиям до их отправки на удаленный блок морфологического анализа и, тем самым, снижение нагрузки на пропускной канал связи между оптической системой и удаленной системой морфологического анализа. Кроме того, обеспечивается возможность контроля питания оптической системы.

Поставленная задача решается тем, что устройство для конъюнктивальной микроскопии, содержащее оптическую систему, включающую видеокамеру с системой переноса изображений и осветитель, содержащий светодиоды, жестко закрепленные на видеокамере, ориентированные под углом не менее 20° к оптической оси системы переноса изображений, блок питания, систему управления, систему анализа полученных изображений, реализованную на базе ЭВМ, блок связи, выполненный с возможностью поддержания динамической обратной связи между оптической системой и системой управления, отличается тем, что оптическая система выполнена с возможностью предварительной обработки изображения и на этой основе управления передаточными характеристиками камеры и контроля освещения, для чего, непосредственно в составе оптической системы размещены блок ввода параметров, блок предобработки изображений системы морфологического анализатора, ее буфер изображений и ее блок контроля съема, освещения и питания, выполненный с возможностью управления передаточными характеристиками камеры и контроля освещения, при этом в составе устройства в каждом узле беспроводной связи использованы элемент трансляции предобработанного изображения и элемент трансляции данных блока оповещения, кроме того, на корпус оптической системы выведены светодиодная индикаторная панель и кнопки блока ввода параметров.

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

При этом отличительные признаки формулы изобретения обеспечивают решение следующего комплекса функциональных задач.

Признаки, указывающие, что «оптическая система выполнена с возможностью предварительной обработки изображения и на этой основе управления передаточными характеристиками камеры и контроля освещения», обеспечивают возможность минимизации объема информации, передаваемой по беспроводному каналу связи, за счет удаления из него информационных фрагментов низкого качества, непригодных для диагностической работы.

Признак, указывающий, что «непосредственно в составе оптической системы размещен блок ввода параметров», обеспечивает минимизацию времени настройки параметров съемки и уменьшение нагрузки на канал динамической связи.

Признак, указывающий, что непосредственно в составе оптической системы размещен «блок предобработки изображений системы морфологического анализатора», обеспечивает уменьшение нагрузки на канал динамической связи за счет предварительного сепарирования изображений, содержащих артефакты изображений, уменьшающие информативность отснятых кадров.

Признак, указывающий, что непосредственно в составе оптической системы размещен «буфер изображений», обеспечивает уменьшение нагрузки на канал динамической связи за счет хранения отснятых кадров, для последующего сепарирования, непосредственно в оптической системе.

Признаки, указывающие, что непосредственно в составе оптической системы размещен «блок контроля съема, освещения и питания, выполненный с возможностью управления передаточными характеристиками камеры и контроля освещения» позволяют оперативно производить корректировку характеристик камеры и яркости осветителей, что позволяет повысить качество снимаемых изображений, снизить количество непригодных информационных фрагментов.

Признаки «...в каждом узле беспроводной связи использованы элемент трансляции предобработанного изображения и элемент трансляции данных блока оповещения…» характеризуют динамический обмен данных между оптической системой и системой морфологического анализа, обеспечивающий минимизацию объема транслируемых данных.

Признак «...на корпус оптической системы выведена светодиодная индикаторная панель …» позволяет информировать оператора о процессе съема конъюнктивального русла пациента.

Признак, указывающий, что на корпус оптической системы выведены «кнопки блока ввода параметров » обеспечивает оператору простой и свободный доступ к настройкам характеристик съема изображения.

Признак, указывающий, что в оптическую систему вводится «блок контроля съема, освещения и питания» обеспечивает минимизацию времени настройки осветителей, блока питания, благодаря отсутствию разнесения блоков между оптической системой и системой предварительного морфоанализа.

На чертеже показаны: видеокамера 1, система 2 переноса изображений, осветители 3, блок 4 оповещения, блок 5 питания, конъюнктива глаза 6, световое пятно 7, блок 8 контроля съема, освещения и питания, блок 9 ввода параметров, буфер изображений 10, блок 11 предварительной обработки изображения, блок 12 морфологического анализа, счетчик 13 записанных кадров, блок 14 отображения видео, блок 15 записи результатов морфологического анализа, узел 16 беспроводной связи оптической системы, первый элемент 17 беспроводной трансляции изображения, первый элемент 18 беспроводного канала оповещения, узел 19 беспроводной связи анализатора, второй элемент 20 беспроводной трансляции изображения, второй элемент 21 беспроводного канала оповещения.

Устройство содержит видеокамеру 1 с системой 2 переноса изображений, блок 4 оповещения и блок 5 питания. На корпусе видеокамеры 1 жестко закреплены два конструктивно связанных друг с другом осветителя 3, формирующие световые пятна 7 на конъюнктиве глаза 6. Блок 5 питания соединен с узлом 16 беспроводной связи оптической системы, блоком 4 оповещения, видеокамерой 1, блоком 9 ввода параметров и осветителями 3, блоком 11 предварительного морфологического анализа. Осветители 3 соединены с блоком 8 контроля съема, освещения и питания, выходы которого соединены с видеокамерой 1, блоком 5 питания, блоком 4 оповещения. Вход блока 8 контроля съема, освещения и питания соединен с блоком 9 ввода параметров. Видеокамера 1 соединена с блоком 11 предварительного анализа изображений через буфер изображений 10, далее через элементы узлов 16 беспроводной связи оптической системы и 19 беспроводной связи анализатора, первый 17 и второй 20 элементы беспроводной трансляции изображения, расположенные в оптической системе и системе морфологического анализа соответственно. Блок 11 предварительного анализа изображений соединен с блоком 12 морфологического анализа изображения, выход которого соединен с входами блока 15 записи результата морфологического анализа и счетчика 13 записанных кадров, который имеет вывод на блок 14 отображения видео и далее через элементы узлов 16 беспроводной связи оптической системы и 19 беспроводной связи анализатора, первый 18 и второй 21 элементы беспроводного канала оповещения, расположенные в оптической системе и системе морфологического анализа соответственно, соединен с блоком 4 оповещения.

Взаимное расположение световых пятен 7 определяется расстоянием от видеокамеры 1 до конъюнктивы глаза 6. При совмещении пятен световых и пятен 7 на приемной матрице видеокамеры 1 образуется резкое изображение области конъюнктивы глаза, 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 на сетчатку глаза пациента.

Устройство работает следующим образом.

Оптическую систему располагают вблизи от глаза пациента таким образом, чтобы на выбранном участке конъюнктивы глаза 6 совместились световые пятна 7 от осветителей 3. Видеокамера 1 передает снимки в буфер изображений 10, а далее в блок 10 предварительного анализа изображений, программное обеспечение которого циклически анализирует резкость, яркость и контрастность каждого последовательно поступившего изображения, циклическую фильтрацию изображения, несущих достоверную информацию о состоянии микроциркуляторного русла (МЦР) глаза, производит и корректирует передаточную характеристику видеокамеры 1 через блок 8 контроля съема, освещения и питания, таким образом, чтобы максимально использовать ее динамический диапазон определяющего характеристики каждого последовательного поступившего изображения, устанавливает яркость осветителей 3 таким образом, чтобы уровень яркости текущего изображения соответствовал уровню яркости заданному в блоке 9 ввода параметров. При появлении в динамической последовательности изображения в буфере изображений 10, соответствующего заданным в блоке 9 ввода параметров качества (яркость, контраст, неравномерность яркости по полю изображения, частоту кадров), блок 11 предварительного анализа направляет это изображение через первый 17 и второй 20 элементы беспроводной трансляции изображения в блок 12 морфологического анализа, далее выдает сигнал счетчику 13 записанных кадров 13 для подсчета и сравнения количества записанных изображений с количеством заданным в блоке 9 ввода параметров. Счетчик 13 изображений при изменении своего состояния через первый 18 и второй 21 элементы беспроводного канала оповещения на короткое время включает блок 4 оповещения (источник звукового сигнала) для информирования оператора о ходе процесса записи и анализа. Блок 8 контроля съема, освещения и питания согласует световой поток, попадающий на приемную матрицу видеокамеры 1 с ее передаточными характеристиками для получения изображений заданного качества. Блок 12 морфологического анализа осуществляет анализ записанных изображений конъюнктивы глаза 6, поступающих из блока 11 предварительной обработки изображения, рассчитывает характеристики микроциркуляции, а анализируемые изображения и результаты расчетов направляет на блок 14 отображения видео и в блок 15 записи результатов морфологического анализа.

Таким образом, за счет переноса блока 9 ввода параметров, блока 11 предварительной обработки изображения, буфера изображений 10 стало возможно хранить и обрабатывать изображения конъюнктивы глаза 6, что уменьшает нагрузку на блок 12 морфологического анализа и позволяет ускорить подстройку осветителей 3 благодаря их совместной компоновке с блоком 8 контроля съема, освещения и питания в оптической системе.

Заявляемое устройство реализовано с использованием видеокамеры высокого разрешения (1280x1024), преимущественно высокоскоростной (60 кадров/с 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 белых светодиодов, например, белые светодиоды марки 48120-20WN1. Среднее время обследования составляет 1 мин 20 с.

Функциональные блоки и узлы 12-15, 19-21 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. Каждое изображение подвергается процедуре Фурье и Вейвлет-анализа для оценки его частотных и контрастных характеристик, и, если они удовлетворяют параметрам, введенным в блок 9 ввода параметров, сохраняется в памяти или на жестком диске компьютера. Это сопровождается активацией первого 18 и второго 21 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 9 ввода параметров количество изображений. После чего сигнал блока 4 оповещения прекращается, что служит сигналом оператору для прекращения съемки конъюнктивы глаза 6. Затем в блоке 12 морфологического анализа проводится детальный анализ серии записанных изображений, сохранение и отображение его результатов.

Таким образом, заявляемое устройство, включающее систему предобработки изображений, позволяет отказаться от высокоскоростного и высокопропусного канала беспроводной связи, избежать загруженности используемых беспроводных каналов, что может позволить усложнить шифрование данных, а также ускоряет процесс получения систематизированных данных, полученных при обследовании пациента.

Модифицированное устройство обладает более точной диагностикой, меньшей нагрузкой и на канал беспроводной связи, повышенной защищенностью канала беспроводной связи, а также уменьшена длительность процесса диагностики.

Собственно, процесс съемки сосудов конъюнктивы глаза включает следующие стадии. В компьютер, например, типа планшет, 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.). 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 глаза 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, представленными на компьютере и дублирующийся на блок 4 оповещения оптической системы. Весь процесс записи и анализа снимков составляет не более 1 минуты, что в несколько раз быстрее, чем с использованием известных устройств, причем достигается наибольшая точность диагностирования шокового состояния пациента как в условиях чрезвычайных ситуаций, для условий боевых действий, так и в условиях клинико-лечебного стационара, где необходима максимальная достоверность анализа, при этом достигается уменьшение загруженности канала беспроводной связи и ускорение процесса постановки диагноза.

Заявляемое портативное устройство, за счет предлагаемой компоновки составляющих его элементов, обеспечивает экспресс-съемку конъюнктивы глаза, позволяет исследовать конъюнктиву пациента, находящегося в любом положении, в том числе вынужденном, при этом обеспечивает быстроту выдачи диагноза и результатом работы имеет встроенную систему фильтровки изображений, имеющих артефакты и несущих искаженные данные о состоянии микроциркуляторного русла.