Результат интеллектуальной деятельности: Беспроводное устройство для конъюнктивальной микроскопии

Изобретение относится к области медицинской оптики и может быть использовано для инструментальной регистрации микроциркуляции (МЦР) крови в сосудах конъюнктивы глазного яблока определением уровня оксигенации крови МЦР.

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. патент RU № 46164, опубл. 27.06.05).

Однако известному устройству, как и всем подобным устройствам на основе щелевых ламп, присущи недостатки: известная система не позволяет производить динамическую оценку уровня оксигенации крови микроциркуляторного русла у пациента.

Известно также устройство для конъюнктивальной микроскопии, содержащее систему управления, регистрации и анализа полученных изображений, реализованную на базе ЭВМ, и оптическую систему, включающую видеокамеру и блок переноса изображений, наиболее близкое к заявляемому устройству (см. патент RU № 141613, опубл. 10.06.2014).

Данная модификация наследует недостатки, присущие предшественнику, а именно: отсутствие возможности оценки оксигенации крови микроциркуляторного русла, что обусловлено хроматической аберрацией, возникающей в линзовом блоке, а также неоднородностью спектра излучения белых светодиодов.

Задачей заявляемого устройства является создание устройства экспресс-съемки микроциркуляторного русла конъюнктивы глазного яблока с функцией динамического определения уровня оксигенации крови, применение которого возможно как в условиях лечебно-профилактических учреждений, так и в экстренных случаях, чрезвычайных ситуациях и боевых действиях, и является максимально щадящим для пациента.

Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в повышении информативности и достоверности оценки состояния способом, максимально щадящим для пациента, возможности динамического определения уровня оксигенации микроциркуляторного русла конъюнктивы глазного яблока.

Поставленная задача решается тем, что устройство для конъюнктивальной микроскопии, содержащее систему управления, регистрации и анализа полученных изображений, реализованную на базе ЭВМ, и оптическую систему, включающую видеокамеру и блок переноса изображений, отличается тем, что содержит апохроматический линзовый блок, например двусклеенный компонент, конструктивно выполненный из двух линз: двояковогнутой, изготовленной из кроноподобного материала, например полиметилметакрилата, и двояковыпуклой линзы, изготовленной из флинтоподобного оптического материала, например поликарбоната, снабженный светофильтром имеющим спектральные характеристики в диапазоне 600-1500 нм, при этом осветитель содержит две пары светодиодов, жестко закрепленных на корпусе под углом 20-36° к продольной оси устройства, каждая пара которых работает на одной длине волны, при этом излучение одной пары соответствует спектру поглощения оксигемоглобина, а излучение второй пары соответствует спектру поглощения окси-, карбоксигемоглобина, причем использованы инфракрасные и красные светодиоды. Кроме того, использованы инфракрасные светодиоды ARL2-5213UVC-100MCD и красные светодиоды GNL-513UEW-D.

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, указывающий, что блок переноса изображений содержит «апохроматический линзовый блок», обеспечивает уменьшение влияния аберраций, оказывающие влияние на качество определения уровня отраженного красного и инфракрасного излучения от сосудов конъюнктивы.

Признак, указывающий, что блок переноса изображения представляет собой «двусклеенный компонент, конструктивно выполненный из двух линз: двояковогнутой, изготовленной из кроноподобного материала, например полиметилметакрилата, и двояковыпуклой линзы, изготовленной из флинтоподобного оптического материала, например поликарбоната», что обеспечивает выполнение достаточного увеличения, необходимого для съема данных, а также устраняет дисперсию.

Признак, указывающий, что блок переноса изображения снабжен «…светофильтром, имеющим спектральные характеристики в диапазоне 600-1500 нм...», обеспечивает пропускание на матрицу оптической системы только необходимых для анализа спектров излучений.

Признак, указывающий, что «осветитель содержит две пары светодиодов, жестко закрепленных на корпусе под углом 20-36° к продольной оси устройства», обеспечивает световой поток достаточной мощности, чтобы фиксировать динамические изменения в степени оксигенации крови конъюнктивы глаза и не вызывает болезненных ощущений у пациента.

Признаки, указывающие, что каждая пара осветителей работает «на одной длине волны, при этом излучение одной пары соответствует спектру поглощения оксигемоглобина, а излучение второй пары соответствует спектру поглощения окси-, карбоксигемоглобина …», обеспечивают адекватное разнесенное по времени получение данных с конъюнктивы пациента о содержании в его крови различных форм гемоглобина.

Признаки, указывающие, что осветители выполнены на базе инфракрасных светодиодов, например ARL2-5213UVC-100MCD, и красных светодиодов, например GNL-513UEW-D, что конкретизирует тип применяемого светодиода, позволяющих решить поставленную задачу.

На фиг.1 показана блок-схема беспроводного устройства для конъюнктивальной микроскопии; на фиг.2 – схема установки осветителей 3 и 4 на торцевой части устройства по отношению к оптической оси.

Участок, обозначенный на фиг. 2, символом a – места установки инфракрасных светодиодов, b – места установки красных светодиодов.

На чертеже показаны видеокамера 1, блок 2 переноса изображений, осветители 3 и 4, блок 5 оповещения, блок 6 питания, конъюнктива 7 глаза, световое пятно 8 на конъюнктиве 7 глаза, буфер 9 изображения, блок 10 отображения видео, блок 11 управления передаточными характеристиками видеокамеры 1, блок 12 ввода параметров, блок 13 предварительного анализа изображений, блок 14 морфологического анализа, блок 15 управления яркостью осветителей, счетчик 16 записанных кадров, блок 17 записи изображения, блок 18 записи результатов морфологического анализа, узел 19 беспроводной связи оптической системы, первый элемент 20 беспроводной трансляции изображения, первый элемент 21 беспроводной трансляции характеристик изображения, первый элемент 22 беспроводного контроля характеристик освещения, первый элемент 23 беспроводного канала оповещения, узел 24 беспроводной связи анализатора, второй элемент 25 беспроводной трансляции изображения, второй элемент 26 беспроводной трансляции характеристик изображения, второй элемент 27 беспроводного контроля характеристик освещения, второй элемент 28 беспроводного канала оповещения.

Устройство для конъюнктивальной микроскопии содержит оптическую систему, систему управления, регистрации и анализа полученных изображений, реализованную на базе ЭВМ.

Оптическая система включает видеокамеру 1 и блок 2 переноса изображений, который содержит апохроматический линзовый блок, например двусклеенный компонент, конструктивно выполненный из двух линз: двояковогнутой, изготовленной из кроноподобного материала, например полиметилметакрилата, и двояковыпуклой линзы, изготовленной из флинтоподобного оптического материала, например поликарбоната, и снабжен светофильтром, имеющим спектральные характеристики в диапазоне 600-1500 нм. На корпусе видеокамеры 1 жестко закреплены четыре конструктивно связанных друг с другом осветителя 3 и 4, при этом каждый из осветителей 3 и 4 содержит две пары светодиодов, жестко закрепленных на корпусе под углом 20-36° к продольной оси устройства. Каждая пара светодиодов работает на одной длине волны, при этом излучение осветителей 3 соответствует спектру поглощения оксигемоглобина, а излучение осветителей 4 соответствует спектру поглощения окси-, карбоксигемоглобина, причем использованы инфракрасные и красные светодиоды.

Система управления включает в себя блок 11 управления передаточными характеристиками видеокамеры 1, блок 12 ввода параметров, блок 15 управления яркостью осветителей.

Система регистрации включает в себя буфер 9 изображения, счетчик 16 записанных кадров.

Система анализа включает в себя блок 10 отображения видео, блок 13 предварительного анализа, блок 14 морфологического анализа, блок 17 записи изображения, блок 18 записи морфологических результатов анализа.

Блок 6 питания соединен с узлом 19 беспроводной связи оптической системы, блоком 5 оповещения, видеокамерой 1 и осветителем 3 и 4. Осветители 3 и 4 соединены с блоком 15 управления яркостью осветителей через элементы 22, 27 беспроводного контроля характеристик освещения и формируют световые пятна 8 на конъюнктиве 7 глаза. Видеокамера 1 соединена с буфером 9 изображений через элементы 20, 25 беспроводной трансляции изображения и блоком 11 управления передаточными характеристиками видеокамеры 1 через элементы 21, 26 беспроводной трансляции характеристик изображения. Блок 12 ввода параметров, а именно количество и качество изображений, пространственный спектр, яркостные и контрастные характеристики, связан с блоком 15 управления яркостью осветителей и блоком 13 предварительного анализа изображений, а также блоком 11 управления передаточными характеристиками видеокамеры 1, блоком 14 морфологического анализа изображений и счетчиком 16 записанных кадров. Счетчик 16 записанных кадров соединен с блоком 5 оповещения через элементы 23, 28 беспроводного канала оповещения. Буфер 9 изображений соединен с блоком 13 предварительного анализа и блоком 17 записи изображений, который в свою очередь соединен с блоком 14 морфологического анализа. Блок 10 отображения видео соединен с буфером 9 изображения и блоком 14 морфологического анализа, который соединен с блоком 18 записи результатов морфологического анализа изображений.

Взаимное расположение световых пятен 8 на конъюнктиве 7 глаза определяется расстоянием от видеокамеры 1 до конъюнктивы 7 глаза. При совмещении световых пятен 8 на приемной матрице видеокамеры 1 образуется резкое изображение области конъюнктивы 7 глаза, расположенной в световом пятне 8. Блок осветителей 3 установлен на корпусе видеокамеры 1 таким образом, что направление их световых потоков составляет угол не менее 20 градусов относительно оптической оси блока 2 переноса изображений, что позволяет исключить попадание света осветителей 3 и 4 на сетчатку глаза пациента.

Перечисленные комплектующие устройства соответствуют ранее реализованному прототипу, за исключением блока освещения.

Заявляемое устройство реализовано с использованием видеокамеры высокого разрешения (1280x1024), преимущественно высокоскоростной (60 кадров/сек и выше), например камера 3 HERO Black Edition производства фирмы «GoPro», в составе которой КМОП матрица Sony IMX117 и видеокодер Ambarella A770 с Samsung S4LL011X01, с использованием в качестве оптической линзы, представленной в виде двусклеенного компонента, конструктивно выполненного из двух линз: двояковогнутой, изготовленной из кроноподобного материала, например полиметилметакрилата, и двояковыпуклой линзы, изготовленной из флинтоподобного оптического материала, снабженный светофильтром, имеющим спектральные характеристики в диапазоне 600-1500 нм. Осветители выполнены на базе инфракрасных, например марки ARL2-5213UVC-100MCD, и красных, например GNL-513UEW-D, светодиодов. Беспроводная связь реализована с использованием высокоскоростных каналов связи, например инфракрасная связь стандарта Giga-IR на базе ПЛИС XILINX Virtex 6GTX.

Функциональные блоки 9-18, 25-28 устройства реализуют в виде аппаратно-программного комплекса на базе портативного компьютера.

Устройство работает следующим образом.

Оптическую систему располагают вблизи от глаза пациента таким образом, чтобы на выбранном участке конъюнктивы 7 совместились световые пятна 8 от осветителей 3. После чего оператор выбирает параметры анализа в блоке 12 ввода параметров, и далее происходит периодическое включение осветителей 3 или 4. Видеокамера 1 через блоки 20,25 беспроводной трансляции изображения циклически заполняет буфер 9 изображения, например, таким образом, что на каждую пульсовую волну в каждом цикле на один спектр освещения приходится два изображения МЦР конъюнктивы 7 глаза, после чего происходит автоматическая смена спектров излучения и регистрация изображений.

Для получения наибольшей чувствительности и минимизации рабочего времени при анализе сигнала как оксигемоглобина, так и карбоксигемоглобина, используется для анализа только один поток данных, полученный с одного типа светочувствительных элементов КМОП матрицы, а именно чувствительный к красному диапазону, так как согласно техническим характеристикам чувствительность используемой матрицы позволяет производить спектральный анализ как в инфракрасном диапазоне, так и в красном диапазоне, это обеспечивает оптимальную спектрочувствительность устройства.

При длине волны излучения 660 нм гемоглобин поглощает примерно в 10 раз больше света, чем оксигемоглобин, а на волне 940 нм поглощение оксигемоглобина больше, чем гемоглобина. Исходя из этих данных разница в изображениях, полученных в используемых диапазонах, будет проявляться в различной степени освещенности изучаемого участка, что будет коррелировано на программном уровне в блоке 13 предварительного анализа изображений до необходимого для обработки уровня освещенности.

Проблема возникающего отклонения величины абсорбции, вызванная пульсовыми волнами, поскольку вследствие заполнения насыщенной кислородом кровью во время систолы возникает максимальное значение оксигенации, обратное происходит во время диастолы, принято использовать нормирование сигналов поглощения света, для чего в ходе морфологического анализа изображения выделяются кадры, соответствующие моментам систолического выброса, при соответствующей частоте съемки (в режимах от 120 Гц). В полученных снимках на вершине систолы принимаются значения показателей отражения в моменты диастолы. Данная процедура повторяется для каждой длины волны излучения.

После чего блок 13 предварительного анализа изображений определяет характеристики каждого изображения из последовательности, поступившей из буфера 9, и выдает управляющие сигналы на блок 11 управления передаточными характеристиками видеокамеры 1, которые передаются через узлы 21,26 беспроводной трансляции характеристик изображения на видеокамеру 1. Блок 13 предварительного анализа изображений также корректирует работу блока 15 управления яркостью осветителей. Блок 15 управления яркостью осветителей сравнивает уровни яркости, заданные в блоке 12 ввода параметров, с текущими, полученными из блока 13 предварительного анализа изображений, и устанавливает яркость осветителей 3 и 4 через узлы 22,27 беспроводного контроля характеристик освещения, и таким образом уровень яркости текущего изображения соответствует уровню яркости, заданному в блоке 12 ввода параметров. При появлении в динамической последовательности изображения, соответствующего заданным в блоке 12 параметрам качества (яркость, контраст, неравномерность яркости по полю изображения, частоту кадров), блок 13 предварительного анализа изображений направляет это изображение на блок 17 записи изображений, выводит изображение на блок 10 отображения видеовывода и выдает счетчику 16 сигнал для подсчета и сравнения количества записанных изображений с количеством заданным в блоке 12 ввода параметров. Счетчик 16 записанных кадров при изменении своего состояния через блок 23,28 беспроводного канала оповещения на короткое время включает источник 5 блока оповещения звукового сигнала для информирования оператора о ходе процесса записи и анализа. Блок 11 управления передаточными характеристиками видеокамеры 1 и блок 4 управления осветителями согласуют световой поток излучателя, попадающий на приемную матрицу видеокамеры 1 с ее передаточными характеристиками для получения изображений заданного качества. Блок 14 морфологического анализа осуществляет анализ записанных изображений конъюнктивы 7 глаза, поступающих из блока 18 записи результатов морфологического анализа, рассчитывает характеристики микроциркуляции, а также определение сравнительной интенсивности поглощения для различных излучений осветителей 3 и 4, коррелирует уровень каждого определяемого компонента от динамических характеристик микроциркуляторного русла, а анализируемые изображения и результаты расчетов, характеристики спектрального анализа, выраженные в логарифмической шкале, направляет на блок 10 отображения и в блок 18 записи результатов морфологического анализа.

Таким образом, между оптической системой и системой анализатора в реальном масштабе времени осуществляется динамическая обратная связь, обеспечивающая посредством блока 11 управления передаточными характеристиками видеокамеры 1, блока 15 управления яркостью осветителей и счетчиком 16 записанных кадров управление характеристиками оптической системы таким образом, чтобы привести параметры изображений видеопоследовательности в соответствие с параметрами, заданными в блоке 12 ввода параметров.

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. Каждый цикл изображений подвергается процедуре корреляционного анализа, и если они удовлетворяют параметрам, введенным в блок 12 ввода параметров, сохраняется в памяти или на жестком диске компьютера. Это сопровождается активацией блоков 23, 28 беспроводного канала оповещения, что вызывает изменение состояния блока 5 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 12 параметров количество изображений. После чего сигнал блока 5 оповещения прекращается, что служит сигналом оператору для прекращения съемки конъюнктивы. Затем в блоке 13 предварительного анализа изображений проводится детальный анализ серии записанных изображений, сохранение и отображение его результатов.

Таким образом, заявляемая полезная модель, включающая оптическую систему и анализатор, обеспечивает за счет использования апохроматического линзового блока устранение оптических искажений и позволяет получать информативную информацию состояния пациента в красном и инфракрасном спектральных диапазонах.

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 8 осветителей 3 совместились на участке конъюнктивы 7 глаза, 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 осветителей 3 и 4. Прекращение сигнала блока 5 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 5 оповещения оптической системы. Процесс анализа позволяет определить уровень оксигенации крови микроциркуляторного русла конъюнктивы 7 глаза, что может быть достигнуто в клинико-диагностическом стационаре только из длительного сопоставления биохимического анализа крови и морфологического анализа микроциркуляторного русла.

Для детального исследования определенной зоны можно увеличить размер снимка. На экран можно выводить сразу несколько любых изображений в различных спектрах. 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 использования корректирующего линзового блока и применения принципа работы в монохромном режиме, позволяет обеспечить проводящего обследования врача не только данными о шоковом состоянии, но и данными об оксигенации крови пациента, и установление расширенного диагноза за счет уменьшения нагрузки на матрицу. При этом за счет уменьшения электропотребления увеличивается время работы устройства на одном заряде батареи.