Диагностический оптико-цифровой комплекс для телемедицины
УДК 681.784.8 ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ ОПТИКО-ЦИФРОВОЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ТЕЛЕМЕДИЦИНЫ
© 2012 г.
И. П. Гуров*, доктор техн. наук; В. О. Никифоров**, доктор техн. наук; А. С. Потапов*, доктор техн. наук; Н. Р. Белашенков**, канд. физ.-мат. наук; А. В. Лямин*, канд. техн. наук; Я. В. Рудин**, канд. техн. наук; А. А. Скшидлевский*, канд. техн; наук; Л. Л. Варламова**
** Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных ** технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург
** ОАО “ЛОМО”, Санкт-Петербург
** Е-mail: gurov@mail.ifmo.ru
Приведены результаты разработки и характеристики оптико-цифрового комплекса, обеспечивающего автоматическое формирование, регистрацию и обработку изображений биомедицинских объектов в целях неинвазивной диагностики на основе методов цифровой микроскопии и эндоскопии. Комплекс обеспечивает сбор, предварительный анализ и сжатие видеоинформации для передачи по телекоммуникационным каналам.
Ключевые слова: телемедицина, видеоэндоскоп, люминесцентная микроскопия, обработка цифровых изображений, сетевые технологии.
Коды OCIS: 170.2150, 170.2520, 100.2000
Поступила в редакцию 21.06.2012
Введение
Развитие кооперации промышленных предприятий и вузов России является важным фактором создания отечественной инновационной экономики. Модернизация образования и вузовской науки в сочетании с технологическим переоснащением предприятий реального сектора открывают широкие перспективы создания товаров и услуг с использованием новых знаний, воплощенных в приборы, материалы и технологии.
Совместный проект Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики и ОАО “ЛОМО” в рамках постановления Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218 посвящен разработке и созданию высокотехнологичного производства оптико-цифрового диагностического комплекса для телемедицины.
Направление работ на стыке информатики и медицины выбрано неслучайно. В последние годы компьютерные и телекоммуникационные технологии обеспечили качественный скачок в развитии медицинской техники. Повышение достоверности диагностики, охват широ-
ких слоев населения медицинскими услугами обеспечили рост средней продолжительности жизни населения. В течение последнего десятилетия в мировой медицинской практике наблюдается стремительный рост объема телемедицинских услуг. Рядом ведущих компаний мира разработаны и выпускаются автоматизированные анализаторы микроизображений, такие как Coolscope (фирма Nikon), BioZero и BioRevo (фирма Keyence), телемедицинские комплексы для ультразвуковой и рентгенографической диагностики, электрокардиографии, компьютерной томографии и другие [1–3]. Широкое распространение в мире получили переносные телемедицинские терминалы, позволяющие проводить долговременный мониторинг состояния сердечно-сосудистой системы пациентов, измерять уровень сахара в крови, контролировать другие жизненно важные показатели здоровья. По сведениям Всемирной организации здравоохранения в настоящее время в мире реализуются несколько сотен проектов в области телемедицины, среди которых кроме клинических и информационных выделяют также образовательные, связанные с телеобучением специалистов в области медицины. Одной из главных задач, стоящих
“Оптический журнал”, 79, 11, 2012
47
перед современной телемедициной, является развитие методов медицинской информатики, стандартизация регистрации и формализации медицинских данных. Для решения этих задач необходимо создать и внедрить в медицинскую практику алгоритмы сжатия информации, определить стандартные формы обмена информации как на уровне исходных данных, так и на уровне истории болезни.
В России телемедицинские технологии в последние годы развиваются весьма интенсивно. В течение последнего десятилетия в нашей стране организован координационный совет Минздрава по телемедицине, утверждена концепция развития телемедицинских технологий, разработан и принят первый национальный стандарт в области медицинской информатики [4], который устанавливает общие положения для разработки требований к организации создания, сопровождения и использования информационных систем типа “электронная история болезни”, разработаны и серийно выпускаются биологические цифровые микроскопы нового поколения – микровизоры, обладающие расширенными телекоммуникационными возможностями [5]. В целом, однако, отечественное аппаратное обеспечение телемедицины отстает от мирового уровня, что связано с отсутствием специального оборудования для клинической и лабораторной диагностики.
Целью разработки является создание первого отечественного многофункционального диагностического комплекса для телемедицины, использующего достижения микровизионной и видеоэндоскопической техники в сочетании с современными компьютерными и телекоммуникационными технологиями.
Назначение и состав комплекса
Развитие цифровых и компьютерных технологий во всех областях науки и техники послужило толчком к разработке автоматизированных медицинских систем. Одним из наиболее перспективных вариантов организации системы информационного обеспечения медицинской диагностики является создание комплексов оптико-цифровой диагностики для телемедицины (КОЦДТ). Подобные комплексы позволяют не только расширить функциональные возможности существующих методик, но и создать основу для разработки и внедрения новых перспективных медицинских технологий.
Основным назначением разрабатываемого комплекса является создание инфраструктурного базиса для развития телемедицинских услуг на основе открытой информационной технологии сетевого взаимодействия различных диагностических устройств. В качестве первого шага в этом направлении выбрана агрегация систем клинической и лабораторной диагностики, использующих в качестве медицинских данных изображения, получаемые с выходов цифровых микровизионных и видеоэндоскопических систем.
Хорошо известно, что успешное лечение многих заболеваний определяется точным и своевременно поставленным диагнозом. Достоверность диагностики определяется набором разнообразных факторов, в число которых входит в первую очередь квалификация врачадиагноста. Однако одного опыта и интуиции специалиста недостаточно, нужны точные методики и приборы для их реализации, необходимы долговременный профессиональный мониторинг состояния здоровья человека и максимально полная база данных разнообразных анализов.
Медицинские записи анализов и результатов обследования пациентов в виде бумажных историй болезни осуществлялись медиками на протяжении многих лет, но физические и практические ограничения традиционных технологий хранения и организации большого объема разнородных данных в настоящее время совершено очевидны.
Один из возможных вариантов структуры сетевого применения КОЦДТ представлен на рис. 1. На схеме (в нижней части рисунка) в качестве примера показаны два комплекса, размещенные в лечебно-диагностическом медицинском учреждении, и связанные локальной сетью с сервером верхнего уровня типа “электронный госпиталь”. Каждый КОЦДТ включает в себя три функционально связанных системы.
Микровизионная система обеспечивает формирование и визуализацию микроизображений биотканей и биомедицинских препаратов.
Видеоэндоскопическая система предназначена для проведения эндоскопических обследований желудочно-кишечного тракта с обеспечением формирования и визуализации эндоскопических изображений, документирования и архивирования данных.
Сетевая система служит для документирования и архивирования данных, сжатия информации для передачи по телекоммуникаци-
48 “Оптический журнал”, 79, 11, 2012
Участник телеконференции
Консультант
Врач
Система ВКС Сервер
Сервер верхнего уровня “Электронный госпиталь”
Сервер БД Сервер БД
Сервер
Лаборант
Врач Лаборант
Врач
Цифровой микроскоп
Видеоэндоскоп
Рис. 1. Структура сетевого применения комплекса.
Цифровой микроскоп
Видеоэндоскоп
онным каналам, анализа микроизображений при комплексном использовании данных, содержащихся в изображениях различных видов, на основе использования компьютерных технологий. Эта система совместима с современными видеотелеконференционными системами, что открывает возможность проведения консультаций и консилиумов, высокопроизводительного обмена медицинскими данными в локальных, региональных и глобальных телекоммуникационных сетях.
Описание систем комплекса
Микровизионную систему КОЦДТ можно характеризовать как систему “все-в-одном”, включающую цифровой микроскоп, анализатор изображения и компьютер с сетевым интерфейсом в одном корпусе. Система способна функционировать как в ручном, так и в автоматическом режимах, обеспечивает возможность автоматической работы с образцами (сканирование по полю, автоматическая фокусировка, смена методов освещения) по заданной программе, сохранение локальной копии результатов микроскопического исследования, возможность заполнения электронной истории болезни на месте или ее интеграцию в существующие медицинские информационные системы типа “электронный госпиталь”. Микровизионная система предоставляет возможность дистанционного доступа к изображе-
ниям и функциям управления для удаленных пользователей, работающих в локальной сети или через WEB-интерфейс.
Основным компонентом микровизионной системы является оптико-цифровой анализатор микроизображений (ОЦАМ). Он представляет собой полностью автоматизированный люминесцентный микровизор со встроенным интегрированным блоком управления на базе персонального компьютера и подключенных к нему контроллеров управления исполнительными механизмами с обратной связью. ОЦАМ обеспечивает проведение микроскопических исследований в режиме наблюдения люминесценции в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра, а также методами светлого поля в проходящем и отраженном свете и в условиях одновременного освещения объектов наблюдения проходящим и отраженным светом видимого спектра. Оптическая схема и внешний вид ОЦАМ представлены на рис. 2 и 3, соответственно.
Оптическая схема ОЦАМ состоит из наблюдательного канала, включающего набор планахроматических объективов 1 с увеличениями 5, 10, 20, 40 крат, блока светоделительных модулей отраженного света 2, блока фотоприемников 3, включающего тубусные линзы, видеоадаптеры, высокочувствительную охлаждаемую видеокамеру с ПЗС матрицей формата 2/3” и обзорную видеокамеру с КМОП матрицей формата 1/3”, осветительного модуля про-
“Оптический журнал”, 79, 11, 2012
49
Плоскость видеоматрицы 2/3″
7
3
Плоскость видеоматрицы 1/3″
6
2
5
Плоскость предмета
1
Рис. 3. Оптико-цифровой анализатор микроизображений.
4
Рис. 2. Оптическая схема оптико-цифрового анализатора микроизображений. 1 – блок сменных микрообъективов; 2 – блок спектроделителей; 3 – блок фотоприемников; 4 – светодиодный осветитель проходящего света; 5 – осветительный модуль ртутной лампы; 6 – светодиодный осветитель отраженного света; 7 – лазерный осветительный модуль.
ходящего света 4, включающего белый светодиод мощностью 5 Вт, набор светофильтров, конденсор и трех осветительных модулей отраженного света 5, 6 и 7, включающих ртутную лампу, белый светодиод мощностью 20 Вт и диодный ИК лазер с длиной волны 956 нм.
Для работы в автоматическом режиме ОЦАМ содержит следующие управляемые моторизованные устройства перемещения: двухкоординатный предметный стол, фокусировочный механизм, блок светофильтров проходящего света, диафрагму осветителя проходящего света, револьвер с объективами, блок светоделительных модулей отраженного света, узел включения ИК-канала осветителя отраженного света, узел включения светодиодного осветителя отраженного света, заслонку и устройство перемещения коллектора ртутной лампы.
В режиме дистанционного управления основными функциями ОЦАМ поддерживает сетевой протокол TCP/IP.
Программное обеспечение ОЦАМ позволяет проводить регистрацию микроизображений,
включая построение панорамных X-Y изображений с автоматической сшивкой границ полей и Z-сканирование c записью изображений в режиме “глубокого фокуса”, а также их предварительную обработку, компрессию и передачу для архивирования в сетевую систему комплекса. Для получения микроизображений с наилучшим качеством программное обеспечение ОЦАМ реализует автоматическую оценку контраста и резкости цифровых изображений, а также обеспечивает режим автоматической фокусировки, алгоритмы и основные параметры которых исследованы в работах [6–8].
Видеоэндоскопическая система КОЦДТ разработана в качестве рабочего места врача-эндоскописта и включает установленные на приборной эндоскопической стойке видеоэндоскоп с комплектом инструмента, осветительный блок, блок управления, а также видеомонитор и персональный компьютер с программным обеспечением.
Видеоэндоскопическая система создана с применением новых технических решений, направленных на повышение качества изображения, а также на улучшение потребительских свойств и эксплуатационных характеристик. В качестве приемника изображения в видеоэндоскопе применена цветная ПЗС матрица формата 1/6 с размером пикселя 3,2753,150 мкм, для которой разработан новый объектив [9] с угловым полем зрения 140. Этот объектив обеспечивает высокое качество цветного изображения объекта по всему полю без перефокусировки в диапазоне рабочих расстояний от 3 до 100 мм и имеет улучшенное распределение
50 “Оптический журнал”, 79, 11, 2012
освещенности по полю изображения (неравномерность освещенности не превышает 25%).
На рис. 4 показана оптическая схема объектива, а в таблице приведены расчетные значения коэффициента передачи контраста изображения для различных рабочих расстояний и пространственных частот. Конструкция механизма управления изгибаемой частью видеоэндоскопа и тормозных устройств выполнена герметичной, улучшены эргономические характеристики проксимальной части и рукояток управления, форма всех элементов конструкции обеспечивает комфортные условия работы врачей с различными антропометрическими данными. В осветительном канале видеоэндоскопической системы применено светодиодное освещение. Требуемая освещенность достигнута применением в качестве источника света сверхъяркого белого светодиода, широкоугольных осветительных линз и волоконно-оптических жгутов с повышенным пропусканием.
Блок управления видеоэндоскопической системой модернизирован с учетом требований улучшенного качества изображения и совместимости с сетевой системой комплекса. Для этого с помощью команд меню в блоке управления реализованы функции управления цветностью, четкостью и яркостью изображения. Для оптимизации режима наблюдения в процессе эндоскопического обследования обеспечены возможности изменения размера углового поля зрения объектива с помощью электронной маски и отображения стоп-кадра одновременно с видеоизображением (режим “картинка-вкартинке”). Связь с сетевой системой поддерживается по протоколу TCP/IP. В результате этого создан первый отечественный цифровой видеоэндоскоп для телемедицины, обеспечивающий возможность удаленного наблюдения за проведением эндоскопических процедур во время их выполнения.
Кроме важных с точки зрения медицинского применения функций диагностики, возложенных на микровизионную и видеоэндоскопическиую системы, для решения телемедицинских задач КОЦДТ включает сетевую систему. Эта система представляет собой программноаппаратный комплекс, развернутый на базе сервера НP ProLiant ML150 G6 и поддерживающий программные средства для управления базой данных диагностических исследований, поступающих на сервер с диагностических систем комплекса по протоколу DICOM (Digital
140
Плоскость апертурной дифарагмы
Плоскость матричного фотоприемника
6,845 мм
Рис. 4. Оптическая схема объектива видеоэндоскопа.
Рабочее расстояние,
мм
Расчетное значение коэффициента передачи контраста для центра поля
на пространственной частоте:
40 мм–1
50 мм–1
110 мм–1
3
0,50
0,38
—
4,5 — 0,61 —
12
—
0,59
0,27
100
—
0,65
0,33
Imaging and Communications in Medicine – отраслевой стандарт создания, хранения, передачи и визуализации медицинских изображений и документов обследованных пациентов). Достоверность диагностики по наблюдаемым изображениям обеспечивается включением в программный комплекс сетевой системы ряда оригинальных компьютерных программ для обработки медицинских изображений [10, 11]. Сетевая система КОЦДТ является открытой информационной системой, способной поддерживать программные продукты других производителей. С ее помощью удаленные пользователи, находящиеся как в локальной сети комплекса, так и вне ее, при условии авторизации могут получить доступ к функциям управления микровизионной системой, наблюдению потокового видео, поступающего с выхода видеоэндоскопической системы, а также к персональным электронным медицинским записям пациентов, хранящихся в базе данных диагностических исследований. Возможность подключения к сети Интернет, телекоммуникационные функции собственно сетевой системы определяют жесткие требования по защите персональных данных и информационной безопасности комплекса в целом.
“Оптический журнал”, 79, 11, 2012
51
Заключение
В результате работы над комплексным проектом ОАО “ЛОМО” и НИУ ИТМО разработан первый отечественный высокотехнологичный комплекс оптико-цифровой диагностики для телемедицины. Комплекс предназначен для проведения клинических и лабораторных исследований и решения актуальной задачи повышения качества медицинского обслуживания ши-
роких слоев населения России, в том числе проживающего на удаленных территориях вдали от современных диагностических центров. Открытая сетевая архитектура открывает перспективы расширения области применения комплекса в медицинской практике за счет включения в его состав новых диагностических средств.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
*****
ЛИТЕРАТУРА
1. Falconer J., Giles W., Villanueva H. Realtime ultrasound diagnosis over a widearea network WAN using off-the-shelf components // Journal of Telemedicine and Telecare. 1997. № 3. P. 28–30
2. Tsagaris M.J., Papavassiliou M.V., Chatzipantazi P.D., Danis N.D., Dendrinou M.S., Tsantoulas D.J., Ioannidis P.G. The contribution of telemedicine to cardiology // Journal of Telemedicine and Telecare. 1997. № 3. P. 63–64
3. Thrall J.H., Boland G. Telemedicine in practice // Seminars in Nuclear Medicine. 1998. V. 28. IS. 2. P. 145–157
4. ГОСТ Р 52636-2006 “Электронная история болезни. Общие положения”.
5. Белашенков Н.Р., Калинина Т.Ф., Лопатин А.И., Скобелева Н.Б., Тютрюмова Т.В. Микровизоры – новое поколение цифровых микроскопов // Оптический журнал. 2009. Т. 76. № 10. С. 52–57.
6. Беззубик В.В., Белашенков Н.Р. Устинов С.Н. Оптимизация алгоритмов автофокусировки цифрового микроскопа // Оптический журнал. 2009. Т. 76. № 10. С. 16–22.
7. Белашенков Н.Р., Беззубик В.В., Никифоров В.О. Метод количественной оценки контраста цифрового изображения // Научно-технич. вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2010. В. 6(70). С. 86–88.
8. Белашенков Н.Р., Беззубик В.В., Никифоров В.О. Анализ влияния дефокусировки и шума на качество цифрового изображения // Научно-технич. вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2011. В. 6(76). С. 59–64.
9. Сокольский М.Н., Совс И.Е., Варламова Л.Л., Богомолова Л.Е. Объектив эндоскопа // Патент России № 109875. 2011.
10. Аверкин А.Н., Потапов А.С. Применение метода восстановления глубины из фокусировки для микроскопических изображений // Оптический журнал. 2011. Т. 78. № 11. С. 52–59.
11. Дырнаев А.В. Метод подсчета эритроцитов на изображениях мазков крови // Научно-технич. вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2011. В. 2(78). С. 17–22.
52 “Оптический журнал”, 79, 11, 2012
© 2012 г.
И. П. Гуров*, доктор техн. наук; В. О. Никифоров**, доктор техн. наук; А. С. Потапов*, доктор техн. наук; Н. Р. Белашенков**, канд. физ.-мат. наук; А. В. Лямин*, канд. техн. наук; Я. В. Рудин**, канд. техн. наук; А. А. Скшидлевский*, канд. техн; наук; Л. Л. Варламова**
** Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных ** технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург
** ОАО “ЛОМО”, Санкт-Петербург
** Е-mail: gurov@mail.ifmo.ru
Приведены результаты разработки и характеристики оптико-цифрового комплекса, обеспечивающего автоматическое формирование, регистрацию и обработку изображений биомедицинских объектов в целях неинвазивной диагностики на основе методов цифровой микроскопии и эндоскопии. Комплекс обеспечивает сбор, предварительный анализ и сжатие видеоинформации для передачи по телекоммуникационным каналам.
Ключевые слова: телемедицина, видеоэндоскоп, люминесцентная микроскопия, обработка цифровых изображений, сетевые технологии.
Коды OCIS: 170.2150, 170.2520, 100.2000
Поступила в редакцию 21.06.2012
Введение
Развитие кооперации промышленных предприятий и вузов России является важным фактором создания отечественной инновационной экономики. Модернизация образования и вузовской науки в сочетании с технологическим переоснащением предприятий реального сектора открывают широкие перспективы создания товаров и услуг с использованием новых знаний, воплощенных в приборы, материалы и технологии.
Совместный проект Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики и ОАО “ЛОМО” в рамках постановления Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218 посвящен разработке и созданию высокотехнологичного производства оптико-цифрового диагностического комплекса для телемедицины.
Направление работ на стыке информатики и медицины выбрано неслучайно. В последние годы компьютерные и телекоммуникационные технологии обеспечили качественный скачок в развитии медицинской техники. Повышение достоверности диагностики, охват широ-
ких слоев населения медицинскими услугами обеспечили рост средней продолжительности жизни населения. В течение последнего десятилетия в мировой медицинской практике наблюдается стремительный рост объема телемедицинских услуг. Рядом ведущих компаний мира разработаны и выпускаются автоматизированные анализаторы микроизображений, такие как Coolscope (фирма Nikon), BioZero и BioRevo (фирма Keyence), телемедицинские комплексы для ультразвуковой и рентгенографической диагностики, электрокардиографии, компьютерной томографии и другие [1–3]. Широкое распространение в мире получили переносные телемедицинские терминалы, позволяющие проводить долговременный мониторинг состояния сердечно-сосудистой системы пациентов, измерять уровень сахара в крови, контролировать другие жизненно важные показатели здоровья. По сведениям Всемирной организации здравоохранения в настоящее время в мире реализуются несколько сотен проектов в области телемедицины, среди которых кроме клинических и информационных выделяют также образовательные, связанные с телеобучением специалистов в области медицины. Одной из главных задач, стоящих
“Оптический журнал”, 79, 11, 2012
47
перед современной телемедициной, является развитие методов медицинской информатики, стандартизация регистрации и формализации медицинских данных. Для решения этих задач необходимо создать и внедрить в медицинскую практику алгоритмы сжатия информации, определить стандартные формы обмена информации как на уровне исходных данных, так и на уровне истории болезни.
В России телемедицинские технологии в последние годы развиваются весьма интенсивно. В течение последнего десятилетия в нашей стране организован координационный совет Минздрава по телемедицине, утверждена концепция развития телемедицинских технологий, разработан и принят первый национальный стандарт в области медицинской информатики [4], который устанавливает общие положения для разработки требований к организации создания, сопровождения и использования информационных систем типа “электронная история болезни”, разработаны и серийно выпускаются биологические цифровые микроскопы нового поколения – микровизоры, обладающие расширенными телекоммуникационными возможностями [5]. В целом, однако, отечественное аппаратное обеспечение телемедицины отстает от мирового уровня, что связано с отсутствием специального оборудования для клинической и лабораторной диагностики.
Целью разработки является создание первого отечественного многофункционального диагностического комплекса для телемедицины, использующего достижения микровизионной и видеоэндоскопической техники в сочетании с современными компьютерными и телекоммуникационными технологиями.
Назначение и состав комплекса
Развитие цифровых и компьютерных технологий во всех областях науки и техники послужило толчком к разработке автоматизированных медицинских систем. Одним из наиболее перспективных вариантов организации системы информационного обеспечения медицинской диагностики является создание комплексов оптико-цифровой диагностики для телемедицины (КОЦДТ). Подобные комплексы позволяют не только расширить функциональные возможности существующих методик, но и создать основу для разработки и внедрения новых перспективных медицинских технологий.
Основным назначением разрабатываемого комплекса является создание инфраструктурного базиса для развития телемедицинских услуг на основе открытой информационной технологии сетевого взаимодействия различных диагностических устройств. В качестве первого шага в этом направлении выбрана агрегация систем клинической и лабораторной диагностики, использующих в качестве медицинских данных изображения, получаемые с выходов цифровых микровизионных и видеоэндоскопических систем.
Хорошо известно, что успешное лечение многих заболеваний определяется точным и своевременно поставленным диагнозом. Достоверность диагностики определяется набором разнообразных факторов, в число которых входит в первую очередь квалификация врачадиагноста. Однако одного опыта и интуиции специалиста недостаточно, нужны точные методики и приборы для их реализации, необходимы долговременный профессиональный мониторинг состояния здоровья человека и максимально полная база данных разнообразных анализов.
Медицинские записи анализов и результатов обследования пациентов в виде бумажных историй болезни осуществлялись медиками на протяжении многих лет, но физические и практические ограничения традиционных технологий хранения и организации большого объема разнородных данных в настоящее время совершено очевидны.
Один из возможных вариантов структуры сетевого применения КОЦДТ представлен на рис. 1. На схеме (в нижней части рисунка) в качестве примера показаны два комплекса, размещенные в лечебно-диагностическом медицинском учреждении, и связанные локальной сетью с сервером верхнего уровня типа “электронный госпиталь”. Каждый КОЦДТ включает в себя три функционально связанных системы.
Микровизионная система обеспечивает формирование и визуализацию микроизображений биотканей и биомедицинских препаратов.
Видеоэндоскопическая система предназначена для проведения эндоскопических обследований желудочно-кишечного тракта с обеспечением формирования и визуализации эндоскопических изображений, документирования и архивирования данных.
Сетевая система служит для документирования и архивирования данных, сжатия информации для передачи по телекоммуникаци-
48 “Оптический журнал”, 79, 11, 2012
Участник телеконференции
Консультант
Врач
Система ВКС Сервер
Сервер верхнего уровня “Электронный госпиталь”
Сервер БД Сервер БД
Сервер
Лаборант
Врач Лаборант
Врач
Цифровой микроскоп
Видеоэндоскоп
Рис. 1. Структура сетевого применения комплекса.
Цифровой микроскоп
Видеоэндоскоп
онным каналам, анализа микроизображений при комплексном использовании данных, содержащихся в изображениях различных видов, на основе использования компьютерных технологий. Эта система совместима с современными видеотелеконференционными системами, что открывает возможность проведения консультаций и консилиумов, высокопроизводительного обмена медицинскими данными в локальных, региональных и глобальных телекоммуникационных сетях.
Описание систем комплекса
Микровизионную систему КОЦДТ можно характеризовать как систему “все-в-одном”, включающую цифровой микроскоп, анализатор изображения и компьютер с сетевым интерфейсом в одном корпусе. Система способна функционировать как в ручном, так и в автоматическом режимах, обеспечивает возможность автоматической работы с образцами (сканирование по полю, автоматическая фокусировка, смена методов освещения) по заданной программе, сохранение локальной копии результатов микроскопического исследования, возможность заполнения электронной истории болезни на месте или ее интеграцию в существующие медицинские информационные системы типа “электронный госпиталь”. Микровизионная система предоставляет возможность дистанционного доступа к изображе-
ниям и функциям управления для удаленных пользователей, работающих в локальной сети или через WEB-интерфейс.
Основным компонентом микровизионной системы является оптико-цифровой анализатор микроизображений (ОЦАМ). Он представляет собой полностью автоматизированный люминесцентный микровизор со встроенным интегрированным блоком управления на базе персонального компьютера и подключенных к нему контроллеров управления исполнительными механизмами с обратной связью. ОЦАМ обеспечивает проведение микроскопических исследований в режиме наблюдения люминесценции в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра, а также методами светлого поля в проходящем и отраженном свете и в условиях одновременного освещения объектов наблюдения проходящим и отраженным светом видимого спектра. Оптическая схема и внешний вид ОЦАМ представлены на рис. 2 и 3, соответственно.
Оптическая схема ОЦАМ состоит из наблюдательного канала, включающего набор планахроматических объективов 1 с увеличениями 5, 10, 20, 40 крат, блока светоделительных модулей отраженного света 2, блока фотоприемников 3, включающего тубусные линзы, видеоадаптеры, высокочувствительную охлаждаемую видеокамеру с ПЗС матрицей формата 2/3” и обзорную видеокамеру с КМОП матрицей формата 1/3”, осветительного модуля про-
“Оптический журнал”, 79, 11, 2012
49
Плоскость видеоматрицы 2/3″
7
3
Плоскость видеоматрицы 1/3″
6
2
5
Плоскость предмета
1
Рис. 3. Оптико-цифровой анализатор микроизображений.
4
Рис. 2. Оптическая схема оптико-цифрового анализатора микроизображений. 1 – блок сменных микрообъективов; 2 – блок спектроделителей; 3 – блок фотоприемников; 4 – светодиодный осветитель проходящего света; 5 – осветительный модуль ртутной лампы; 6 – светодиодный осветитель отраженного света; 7 – лазерный осветительный модуль.
ходящего света 4, включающего белый светодиод мощностью 5 Вт, набор светофильтров, конденсор и трех осветительных модулей отраженного света 5, 6 и 7, включающих ртутную лампу, белый светодиод мощностью 20 Вт и диодный ИК лазер с длиной волны 956 нм.
Для работы в автоматическом режиме ОЦАМ содержит следующие управляемые моторизованные устройства перемещения: двухкоординатный предметный стол, фокусировочный механизм, блок светофильтров проходящего света, диафрагму осветителя проходящего света, револьвер с объективами, блок светоделительных модулей отраженного света, узел включения ИК-канала осветителя отраженного света, узел включения светодиодного осветителя отраженного света, заслонку и устройство перемещения коллектора ртутной лампы.
В режиме дистанционного управления основными функциями ОЦАМ поддерживает сетевой протокол TCP/IP.
Программное обеспечение ОЦАМ позволяет проводить регистрацию микроизображений,
включая построение панорамных X-Y изображений с автоматической сшивкой границ полей и Z-сканирование c записью изображений в режиме “глубокого фокуса”, а также их предварительную обработку, компрессию и передачу для архивирования в сетевую систему комплекса. Для получения микроизображений с наилучшим качеством программное обеспечение ОЦАМ реализует автоматическую оценку контраста и резкости цифровых изображений, а также обеспечивает режим автоматической фокусировки, алгоритмы и основные параметры которых исследованы в работах [6–8].
Видеоэндоскопическая система КОЦДТ разработана в качестве рабочего места врача-эндоскописта и включает установленные на приборной эндоскопической стойке видеоэндоскоп с комплектом инструмента, осветительный блок, блок управления, а также видеомонитор и персональный компьютер с программным обеспечением.
Видеоэндоскопическая система создана с применением новых технических решений, направленных на повышение качества изображения, а также на улучшение потребительских свойств и эксплуатационных характеристик. В качестве приемника изображения в видеоэндоскопе применена цветная ПЗС матрица формата 1/6 с размером пикселя 3,2753,150 мкм, для которой разработан новый объектив [9] с угловым полем зрения 140. Этот объектив обеспечивает высокое качество цветного изображения объекта по всему полю без перефокусировки в диапазоне рабочих расстояний от 3 до 100 мм и имеет улучшенное распределение
50 “Оптический журнал”, 79, 11, 2012
освещенности по полю изображения (неравномерность освещенности не превышает 25%).
На рис. 4 показана оптическая схема объектива, а в таблице приведены расчетные значения коэффициента передачи контраста изображения для различных рабочих расстояний и пространственных частот. Конструкция механизма управления изгибаемой частью видеоэндоскопа и тормозных устройств выполнена герметичной, улучшены эргономические характеристики проксимальной части и рукояток управления, форма всех элементов конструкции обеспечивает комфортные условия работы врачей с различными антропометрическими данными. В осветительном канале видеоэндоскопической системы применено светодиодное освещение. Требуемая освещенность достигнута применением в качестве источника света сверхъяркого белого светодиода, широкоугольных осветительных линз и волоконно-оптических жгутов с повышенным пропусканием.
Блок управления видеоэндоскопической системой модернизирован с учетом требований улучшенного качества изображения и совместимости с сетевой системой комплекса. Для этого с помощью команд меню в блоке управления реализованы функции управления цветностью, четкостью и яркостью изображения. Для оптимизации режима наблюдения в процессе эндоскопического обследования обеспечены возможности изменения размера углового поля зрения объектива с помощью электронной маски и отображения стоп-кадра одновременно с видеоизображением (режим “картинка-вкартинке”). Связь с сетевой системой поддерживается по протоколу TCP/IP. В результате этого создан первый отечественный цифровой видеоэндоскоп для телемедицины, обеспечивающий возможность удаленного наблюдения за проведением эндоскопических процедур во время их выполнения.
Кроме важных с точки зрения медицинского применения функций диагностики, возложенных на микровизионную и видеоэндоскопическиую системы, для решения телемедицинских задач КОЦДТ включает сетевую систему. Эта система представляет собой программноаппаратный комплекс, развернутый на базе сервера НP ProLiant ML150 G6 и поддерживающий программные средства для управления базой данных диагностических исследований, поступающих на сервер с диагностических систем комплекса по протоколу DICOM (Digital
140
Плоскость апертурной дифарагмы
Плоскость матричного фотоприемника
6,845 мм
Рис. 4. Оптическая схема объектива видеоэндоскопа.
Рабочее расстояние,
мм
Расчетное значение коэффициента передачи контраста для центра поля
на пространственной частоте:
40 мм–1
50 мм–1
110 мм–1
3
0,50
0,38
—
4,5 — 0,61 —
12
—
0,59
0,27
100
—
0,65
0,33
Imaging and Communications in Medicine – отраслевой стандарт создания, хранения, передачи и визуализации медицинских изображений и документов обследованных пациентов). Достоверность диагностики по наблюдаемым изображениям обеспечивается включением в программный комплекс сетевой системы ряда оригинальных компьютерных программ для обработки медицинских изображений [10, 11]. Сетевая система КОЦДТ является открытой информационной системой, способной поддерживать программные продукты других производителей. С ее помощью удаленные пользователи, находящиеся как в локальной сети комплекса, так и вне ее, при условии авторизации могут получить доступ к функциям управления микровизионной системой, наблюдению потокового видео, поступающего с выхода видеоэндоскопической системы, а также к персональным электронным медицинским записям пациентов, хранящихся в базе данных диагностических исследований. Возможность подключения к сети Интернет, телекоммуникационные функции собственно сетевой системы определяют жесткие требования по защите персональных данных и информационной безопасности комплекса в целом.
“Оптический журнал”, 79, 11, 2012
51
Заключение
В результате работы над комплексным проектом ОАО “ЛОМО” и НИУ ИТМО разработан первый отечественный высокотехнологичный комплекс оптико-цифровой диагностики для телемедицины. Комплекс предназначен для проведения клинических и лабораторных исследований и решения актуальной задачи повышения качества медицинского обслуживания ши-
роких слоев населения России, в том числе проживающего на удаленных территориях вдали от современных диагностических центров. Открытая сетевая архитектура открывает перспективы расширения области применения комплекса в медицинской практике за счет включения в его состав новых диагностических средств.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
*****
ЛИТЕРАТУРА
1. Falconer J., Giles W., Villanueva H. Realtime ultrasound diagnosis over a widearea network WAN using off-the-shelf components // Journal of Telemedicine and Telecare. 1997. № 3. P. 28–30
2. Tsagaris M.J., Papavassiliou M.V., Chatzipantazi P.D., Danis N.D., Dendrinou M.S., Tsantoulas D.J., Ioannidis P.G. The contribution of telemedicine to cardiology // Journal of Telemedicine and Telecare. 1997. № 3. P. 63–64
3. Thrall J.H., Boland G. Telemedicine in practice // Seminars in Nuclear Medicine. 1998. V. 28. IS. 2. P. 145–157
4. ГОСТ Р 52636-2006 “Электронная история болезни. Общие положения”.
5. Белашенков Н.Р., Калинина Т.Ф., Лопатин А.И., Скобелева Н.Б., Тютрюмова Т.В. Микровизоры – новое поколение цифровых микроскопов // Оптический журнал. 2009. Т. 76. № 10. С. 52–57.
6. Беззубик В.В., Белашенков Н.Р. Устинов С.Н. Оптимизация алгоритмов автофокусировки цифрового микроскопа // Оптический журнал. 2009. Т. 76. № 10. С. 16–22.
7. Белашенков Н.Р., Беззубик В.В., Никифоров В.О. Метод количественной оценки контраста цифрового изображения // Научно-технич. вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2010. В. 6(70). С. 86–88.
8. Белашенков Н.Р., Беззубик В.В., Никифоров В.О. Анализ влияния дефокусировки и шума на качество цифрового изображения // Научно-технич. вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2011. В. 6(76). С. 59–64.
9. Сокольский М.Н., Совс И.Е., Варламова Л.Л., Богомолова Л.Е. Объектив эндоскопа // Патент России № 109875. 2011.
10. Аверкин А.Н., Потапов А.С. Применение метода восстановления глубины из фокусировки для микроскопических изображений // Оптический журнал. 2011. Т. 78. № 11. С. 52–59.
11. Дырнаев А.В. Метод подсчета эритроцитов на изображениях мазков крови // Научно-технич. вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2011. В. 2(78). С. 17–22.
52 “Оптический журнал”, 79, 11, 2012