Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010
.pdf
Рис. 9.1. Обобщенная структурная схема АСОИЗ для микроскопического анализа
Биологический микроскоп определяется как световой микроскоп общего назначения, предназначенный для исследований преимущественно прозрачных биологических объектов в проходящем свете.
К микроскопу подсоединяется камера через специальный согласующий модуль, осуществляющий механическое и оптическое сопряжение микроскопа и телекамеры. Этот модуль обеспечивает одновременную согласованную наводку на резкость для окуляра микроскопа и камеры. Поле зрения камеры должно быть максимально приближено к полю зрения в окуляре микроскопа. Резкость изображения на камере должна быть равномерно высокой по полю зрения (недопустимы существенные искажения на краях).
Камера – устройство, преобразующее свет в электрический сигнал. В системах, работающих с изображениями гистологических препаратов, используются цветные телекамеры (с аналоговым видеосигналом на выходе) и цифровые фотоаппараты (с цифровым кодом на выходе). В цветных камерах обычно происходит процесс разложения исходного изображения на цветовые компоненты (R, G, В), производится их регистрация.
Вкачестве примера рассмотрим широко распространенные в настоящее время камеры на основе матричных приборов с зарядовой связью (ПЗС). ПЗС представляет собой матрицу одинаковых дискретных ячеек (фоточувствительный растр) со встроенным механизмом электронного сканирования, в результате которого осуществляется вывод информации последовательно со всех ячеек растра.
Основное практическое применение получили два принципа построения современных цветных камер на ПЗС: одноматричные и трехматричные.
Водноматричных цветных камерах с помощью дополнительных светофильтров обеспечивается раздельное попадание красной,
441
зеленой и синей составляющих падающего света на соответствующие светочувствительные элементы. Последнее дает возможность с помощью одного кристалла ПЗС измерить интенсивности всех трех составляющих цвета.
Втрехматричных телекамерах свет раскладывается призмой на красную, зеленую и синюю составляющие, которые затем проецируются на три отдельных ПЗС-матрицы. За счет этого достигается лучшее измерение цветовой информации, а, следовательно, лучшая цветопередача и более точный ввод изображений. Однако стоимость таких камер в десятки раз выше стоимости телекамер первого типа.
Вбольшей части современных практических систем находят применение три типа аналоговых видеосигналов, получаемых на выходе телекамер: компонентный, Super-VHS (VHS – Video Home System) и композитный. В телекамерах, построенных по компонентному принципу, сигналы цветовых компонент R, G, В передаются раздельно.
Вустройствах Super-VHS сигналы цветности и яркости передаются и записываются раздельно. Поэтому потери качества вследствие совмещения и разделения сигналов яркости и цветности практически отсутствуют.
Вкомпозитном сигнале информация об изображении передается по одному каналу. Информация о яркости объединена с информацией о цветности изображения.
Использование компонентного сигнала обеспечивает значительно лучшую (среди рассмотренных типов сигнала) цветопередачу исходного изображения. В то же время следует иметь в виду, что соответствующие телекамеры технически более сложные и дорогие. Композитный сигнал характеризуется наименьшей разрешающей способностью и худшей цветопередачей, зато телекамеры такого типа дешевле. Промежуточными показателями обладают телекамеры с выходным сигналом типа Super-VHS.
Нужно отметить, что под воздействием целого ряда влияющих факторов формируемый камерой сигнал искаженно отображает наблюдаемое изображение. Важно, чтобы эти искажения не превышали допустимых для решаемой задачи.
442
Камера выбирается в зависимости от требований, предъявляемых к системе, класса решаемых задач, характера объектной среды и др. При выборе камеры для компьютерной системы гистологической диагностики в первую очередь нужно обращать внимание на следующие основные характеристики:
разрешающая способность — характеризует способность оптической системы давать раздельные изображения двух близко расположенных точек предмета. В телекамерах, кроме того, наличие компонентного (RGB) выхода обеспечивает большую, по сравнению с композитным выходом, разрешающую способность, при этом последнюю принято определять числом зрительно различимых телевизионных линий по горизонтали;
отношение сигнал/шум характеризует способность камеры воспроизводить («видеть») слабоконтрастные объекты;
размер светочувствительного поля камеры. Для телекамер в основном используется ПЗС-матрица с размером по диагонали 1/4", 1/3", 1/2". В цифровых фотокамерах помимо матриц с указанными размерами используются еще матрицы размерами 1/1,8", 2/3", 4/3" и др.
Достоинством телекамер является возможность работы с изображениями в масштабе реального времени, однако разрешающая способность телекамер, работающих в телевизионном вещательном стандарте, ограничена: 575 активных (видимых) строк и 767 активных (видимых) элементов в строке.
Разрешение цифровых фотокамер ограничено размером матрицы ПЗС (существуют цифровые фотоаппараты с форматом
кадра 1152×864, 1524×1012, 2592×1944, 2816×2112, 3072×2304, 7216×5412 и др.). Недостатком цифровых фотокамер является существенно большее, по сравнению с телекамерами, время смены
кадра – единицы секунд и более (чем больше формат кадра, |
тем |
большее время требуется для его смены). |
|
Устройство сопряжения. Информация об изображении |
вос- |
принимается камерой, преобразуется в вид, соответствующий одному из принятых стандартов (для аналоговых телекамер, например, это может быть стандарт вещательного телевидения) и поступает на устройство сопряжения. В зависимости от того, цифровая
443
или аналоговая камера используется в системе, выбирается устройство сопряжения [13].
В системах с аналоговой камерой устройство сопряжения состоит из аналого-цифрового преобразователя (АЦП), запоминающего устройства (ЗУ) и интерфейса. В случае работы с изображениями в естественных цветах устройство сопряжения содержит три канала аналого-цифрового преобразования (на каждую из компонент R, G, В). В качестве примера на рис. 9.2 приведена структурная схема устройства сопряжения для телекамеры с компонентным (R, G, В) выходом.
Рис. 9.2. Структурная схема устройства сопряжения, используемого для телекамеры с компонентным выходом
К основным показателям качества АЦП (см. разд. 8.7) относятся разрядность и быстродействие. Как правило, в современных устройствах сопряжения для цветных телекамер используются три 8- разрядных АЦП, каждый из которых обеспечивает кодирование 256 различных градаций яркости соответствующей компоненты (R,
G, В).
Таким образом, каждая из трех составляющих цвета кодируется 8 битами, а элемент цветного изображения соответственно – 24 битами. Получаемая при этом цветовая палитра содержит около 16,8 млн. различных цветовых оттенков (256×256×256), что является достаточным для воспроизведения изображений гистологических, цитологических, гематологических препаратов.
Запоминающее устройство (ЗУ) обеспечивает запись и хранение информации, поступающей от АЦП. Например, для записи и хранения цветного изображения форматом 575×767 требуемый объем памяти составляет 10 584 600 бит (575×767×24) или пример-
но 1,26 Мб.
444
Интерфейс в рассматриваемом случае представляет совокупность средств и правил, обеспечивающих обмен данными между ЭВМ и ЗУ устройства сопряжения.
При использовании цифровой фотокамеры устройство сопряжения представляет собой специализированное устройство, которое осуществляет передачу данных от камеры к ЭВМ по определенным протоколам обмена.
Управление устройством сопряжения осуществляется программным способом. В большинстве современных устройств оцифровки видеосигнала управляющие программы работают при поддержке операционной системы Windows [1, 4, 5, 10], причем изображение просто вводится в окно на рабочей поверхности экрана.
Надо отметить, что наиболее существенным фактором выбора операционной системы является возможность управления специфическим оборудованием (устройством ввода изображений), поскольку производители современных специализированных контроллеров не дают данных о регистрах и кодах управления контроллерами, а лишь поставляют в комплекте с устройствами драйверы для управления устройствами из определенных операционных систем по общепринятым (Video for Windows для большинства устройств ввода изображений) или специально описанным протоколам. При этом драйверы для различных операционных систем, базирующихся на одной операционной платформе, не являются взаимозаменяемыми.
Компьютерный монитор является типовым решением для вывода изображений. Многие устройства позволяют также подклю-
чать отдельное видеоконтрольное устройство (ВКУ), в качестве которого можно использовать телевизор, имеющий низкочастотный вход. Видеосигнал обычно подается на сквозной вход, что позволяет контролировать настройку камеры без каких бы то ни было трудностей.
Основные технические требования при выборе компьютера связаны с его производительностью, разрядностью, емкостью памяти оперативной и внешней для размещения данных и программ. Дисплей должен обеспечить приемлемое качество отображения
445
результатов обработки данных на экране. Здесь существенными могут оказаться, например, разрешающая способность, возможность вывода полутоновых изображений, воспроизведение цветовых оттенков. Современные системы строятся на компьютерах с тактовой частотой свыше 3 ГГц, объемом оперативной памяти 8 Гб, объемом долговременной памяти 2 Тб.
Микроскоп, камера, устройство сопряжения, физическое оборудование ЭВМ составляют техническое обеспечение автоматизированной системы обработки изображений для микроскопического анализа.
Среди групп характеристик, применяемых для оценки качества систем, остановимся на технических и метрологических характеристиках. Техническая характеристика тесно связана с прямым назначением системы. Основные метрологические характеристики – диапазон измерения и погрешности средств измерения. Для АСОИЗ в число технических характеристик входят:
формат изображения – произведение числа дискретных элементов изображения по горизонтали и числа дискретных элементов изображения по вертикали растра;
время ввода кадра – время записи полного цифрового изображения в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) ЭВМ;
число градаций яркости – определяется количеством уровней квантования дискретизованного изображения.
Широкое распространение в практике проектирования компьютерных систем получило представление системы и ее окружения в виде совокупности обеспечивающих подсистем. В числе основных для современных АСОИЗ отметим математическое, техническое, программное, метрологическое, методическое, информационное и организационное обеспечения. Дадим краткое пояснение существа введенных понятий, основой большинства из которых служит ГОСТ 34.003-90 «Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Термины и определения».
Математическое обеспечение – совокупность математических методов, моделей и алгоритмов, применяемых в системе. Математическая модель здесь представляет формализованное описание
446
системы с помощью математических соотношений, отражающих процесс функционирования системы.
Техническое обеспечение – совокупность всех технических средств, используемых при функционировании системы. Включает все оборудование, в том числе подсистемы данных, предназначенные для автоматизированной обработки данных. Так, в состав технического обеспечения компьютерной системы гистологической диагностики на базе АСОИЗ входят микротом, средства окрашивания препаратов, микроскоп, согласующий модуль, камера, устройство сопряжения, ЭВМ.
Программное обеспечение (ПО) – совокупность программ на носителях данных и программных документов, предназначенных для отладки, функционирования и проверки работоспособности системы. ПО АСОИЗ подразделяется на системное, прикладное и сервисное. Типовыми примерами программ, входящих в состав системного ПО являются драйверы ввода–вывода изображений. К ним, в частности, относятся программы, обеспечивающие ввод изображений от устройства сопряжения в ЭВМ, ввод с внешних запоминающих устройств – накопителей на гибких или жестких магнитных дисках, вывода на дисплей, вывода на внешние запоминающие устройства. Прикладное ПО – это набор модулей, реализующих методы обработки микроскопических изображений и хранение результатов. Сервисное ПО включает программы, обеспечивающие визуализацию изображений, выдачу результатов измерений, предоставление справочной информации и др.
Метрологическое обеспечение – установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.
Необходимо подчеркнуть, что метрологическое обеспечение разрабатывается в тех случаях, когда работа системы основана на выполнении измерительных процедур. Характерным примером для компьютерных гистологических систем может служить измерение морфологических характеристик объектов (площадь, периметр и др.). Для этих случаев необходимо удостоверить требуемую точность измерений. Иначе говоря, измерительная система должна быть сертифицирована (метрологически аттестована). Это связано
447
с разработкой эталонов объектов, методик метрологической аттестации (ключевым этапом является процедура экспериментального исследования метрологических характеристик системы), методик поверки системы.
Методическое обеспечение – совокупность документов, описывающих технологию функционирования системы, методы выбора и применения пользователями технологических приемов для получения конкретных результатов при функционировании системы. Отметим, что значимую роль в составе методического обеспечения компьютерных систем медицинского назначения с применением АСОИЗ играют сведения об объектной среде, методы отбора
иподготовки исследуемых препаратов, методика обработки изображений и методика выполнения измерений. Отклонение от режимов подготовки препаратов, задаваемых методикой, может значительно исказить анализируемую структуру и привести к недостоверному диагнозу.
Методика выполнения измерений предусматривает требования к выбору средства измерений, процедуру подготовки средства измерений к работе, требования к условиям измерений, последовательности проведения измерений с указанием их числа, правила обработки результатов измерений, включая вычисление и введение поправок, и способы выражения погрешностей [1, 10].
Информационное обеспечение – совокупность данных, а также методов и средств для их накопления и использования. Наиболее значимую роль в составе информационного обеспечения АСОИЗ играют базы данных (БД). В зависимости от назначения БД в медицине условно делятся на справочные, диагностические, БД учета
иконтроля. Диагностические БД составляют основу экспертных систем и систем поддержки принятия решений. В них, как правило, содержатся информативные данные по различным видам диагностик (например, изображения препаратов и их описания), сведения о пациентах, электронные атласы и др. В справочных БД хранятся нормативные документы, медицинские классификации, данные литературных источников, методические материалы и т.д. БД учета
иконтроля решают задачи бухгалтерии, регистратуры, отдела кад-
ров и т.п. [11].
448
Организационное обеспечение – совокупность нормативных документов, регламентирующих деятельность административного, пользовательского и обслуживающего контингента по вопросам практического использования системы. Например, для компьютерной системы цитологической диагностики, устанавливаемой в больнице, в роли таких документов могут выступать приказы и распоряжения по больнице, касающиеся соответствующих обязанностей заместителя главного врача, заведующего отделением (администрация), врача-цитолога (пользователя), начальника отдела АСУ (обслуживание системы).
9.3. Компьютерные системы гистологической диагностики
Гистология – наука о строении, развитии и жизнедеятельности тканей человека и животных. Гистологическая диагностика дает инструмент в руки врача для оценки состояния организма в норме
ипри адаптации его к действию неблагоприятных факторов среды
ипри различных заболеваниях.
Взятие материала у больного для гистологического исследования называется биопсией. С помощью биопсий получают кусочки тканей желудка, печени, кишечника и других органов, изучив которые, можно поставить диагноз и сделать заключение о необходимости операции и характере лечения.
Гистологическая диагностика может быть плановой и срочной (экспресс-диагностика). Срочную диагностику проводят, когда хирург ждет ответа врача-диагноста во время операции (рис.9.3), а плановую – когда срочный ответ не требуется.
Основные этапы гистологической диагностики с применением компьютерных технологий включают:
анализ клинических данных из электронной истории болезни, полученной по компьютерной сети;
отбор биопсийного материала;
анализ макропрепарата с применением компьютерной
системы обработки изображений;приготовление микропрепарата;
449
