Оптико-електронна система визначення параметрів руху та морфологічних портретів сперміїв

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННА СИСТЕМА ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ

РУХУ ТА МОРФОЛОГІЧНИХ ПОРТРЕТІВ СПЕРМІЇВ

05.11.17 - Медичні прилади та системи

Стрілкова Тетяна Олександрівна

УДК 621.387.62: 626.5:615.471.03

Харків - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті

радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Лагутін Михайло Федорович, Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри радіоелектронних пристроїв

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент Піротті Євген Леонідович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, професор кафедри вищої математики

кандидат технічних наук Девко Валерій Федорович, Державне українське об'єднання “Політехмед” Міністерства охорони здоров'я України, м. Київ, генеральний директор

Провідна установа:

Акціонерне товариство Науково-дослідний інститут радіотехнічних вимірювань Національного космічного агентства України, м. Харків

Захист відбудеться “_27__” __лютого_____2001 р. о __13____годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.052.05 Харківського державного технічного університету радіоелектроніки за адресою: 61726, м. Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного технічного університету радіоелектроніки за адресою: 61726, Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий “__15___” __січня_____2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Мустецов М.П.

Анотації

мікроскоп сперма кінетичний морфологічний

Стрілкова Т.О. Оптико-електронна система визначення параметрів руху та морфологічних портретів сперміїв. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.11.17 - медичні прилади і системи. - Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, Харків, 2000.

Дисертація присвячена питанням створення оптико-електронної системи визначення кінетичних і морфологічних характеристик сперміїв людину і тварин у реальному масштабі часу. Запропоновано математичну модель сигналу на виході телевізійного мікроскопа, що використовує освітлювальну систему Келера в прохідному світлі. Отримано аналітичні вирази для середнього значення сигналу, величини відношення сигнал/шум на виході телевізійного мікроскопу.

Обґрунтовано застосування первинної обробки телевізійного сигналу. На основі математичної моделі розроблені методики обробки телевізійних зображень у реальному масштабі часу.

З урахуванням запропонованих принципів побудови оптико-електронної системи розроблений варіант її технічної реалізації. Обґрунтовано можливість застосування оптико-електронної системи для вивчення рухливості і морфології інших біологічних об'єктів при мікроскопії.

Ключові слова: характеристики сперми; методи дослідження якості сперми; оптико-електронні системи; телевізійний мікроскоп; оптичні і телевізійні сигнали; пропускна здатність оптико-електронної системи.

Strelkova T.A. Optic-electronic system for spermatozoa moving parameters and morphological portraits determination. Manuscript.

The dissertation on competition of scientific degree of candidate of technical sciences by speciality 05.11.17 - Medical devices and systems. Kharkiv state technical

На основе математической модели разработана методика формирования поля координат центров изображений головок спермиев в реальном масштабе времени, основанная на суммарно-разностной обработке апертуры обособленного изображения объекта и позволяющая существенно увеличить пропускную способность оптико-электронной системы без снижения пространственного и временного разрешения. Оценены вероятностные характеристики выделения геометрических центров изображений объектов.

С учетом предложенных принципов построения оптико-электронной системы разработан вариант ее технической реализации. Особое внимание уделено блоку первичной обработки сигнала, введенному у структурную схему прибора для обеспечения формирования поля координат геометрических центров изображений объектов в реальном масштабе времени. Блок выполняет функции учета пространственной неравномерности излучения осветительной системы микроскопа, выделения обособленного изображения объекта, определения координат геометрических центров изображений объектов. Предложена структурная схема двухканального сканирующего микроскопа, позволяющего одновременно получать изображения одного и того же объекта с различными линейными коэффициентами увеличения, что дает возможность одновременного получения информации о морфологических кинетических характеристиках выбранного объекта.

Обоснована возможность применения оптико-электронной системы для изучения подвижности и морфологии других биологических объектов при микроскопии. Предложена методика повышения контрастности изображений объектов при низком отношении сигнал/шум, основанная на последетекторном накоплении бинарно квантованных видеокадров по логическому правилу “”. Показано, что при использовании адаптивного порога квантования возможна стабилизация одной из характеристик обнаружения при оптимизации другой (на примере стабилизации условной вероятности правильного обнаружения при минимизации условной вероятности появления ложной отметки в результирующем изображении). В качестве дополнительного применения разработанной оптико-электронной системы предложено использовать ее для экспресс -диагностики биологического возраста человека.

Работоспособность предложенных методик подтверждена результатами математического моделирования и экспериментальными исследованиями.

Ключевые слова: характеристики спермы; методы исследования качества спермы; оптико-электронные системы; телевизионный микроскоп; оптические и телевизионные сигналы; пропускная способность оптико-электронной системы.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Інтенсивний розвиток комп'ютерних технологій в останні десятиліття призвів до того, що персональні ЕОМ у даний час є універсальним засобом при проведенні досліджень в усіх областях науки і техніки.

При вирішенні ряду прикладних задач у медицині за допомогою персональних ЕОМ здійснюється збір, обробка і збереження інформації, яка отримана в процесі дослідження пацієнтів. Це викликано необхідністю обробки і збереження великих обсягів інформації, створення баз даних, об'єктивізації процесу медичних досліджень, підвищення точності вимірів, що проводяться при діагностиці.

Актуальною задачею є автоматизація процесу лабораторних мікроскопічних досліджень. Застосування оптико-електронних і обчислювальних засобів для одержання й обробки оптичної інформації про біологічні об'єкти, що спостерігаються при мікроскопії, дозволить підвищити точність виміру різних параметрів, виключити фактор суб'єктивності, одержувати інформацію в електронному вигляді, зручному для подальшої комп'ютерної обробки.

Однак, при спробі автоматизації деяких лабораторних досліджень виникають труднощі, які пов'язані з функціональними особливостями біологічних об'єктів, що спостерігаються. Наприклад, такими об'єктами є спермії людини і тварин. Особливістю таких клітин є їхня рухливість. Метою мікроскопії еякуляту є визначення кінетичних і морфологічних характеристик сперміїв.

Аналіз якості еякуляту є основним при діагностиці безплідності. За останнє десятиліття зниження народжуваності на Україні стало однією з важливих соціальних проблем. Це пояснюється погіршенням як соціально-економічних, так і екологічних умов. При цьому різко зріс чоловічий фактор у етіології безплідності, який досягає 50-52 %.

Важливою характеристикою чоловічих гамет, що в основній мірі визначає їхню фертильність, є кінетичні особливості клітин. Так, наприклад, при олігозооспермії різних ступенів різко знижується кількість рухливих сперміїв і змінюються параметри їхнього руху.

Також важливою характеристикою клітин сперми при оцінці якості еякуляту є їхні морфологічні портрети. При різних патологіях спермогенезу, поряд зі зміною кінетичних характеристик сперміїв, спостерігаються морфологічні зміни клітин.

Застосування оптико-електронних і обчислювальних засобів при оцінці якості еякуляту дозволить отримувати об'єктивні, документовані результати досліджень кінетичних і морфологічних характеристик сперміїв при діагностиці різних ступенів патології і коригуванні курсу лікування.

Задача оцінки якості еякуляту також актуальна при штучному заплідненні сільськогосподарських тварин, що знайшло широке застосування в останні десятиліття.

Висока точність вимірів кінетичних і морфологічних характеристик сперміїв, характерна для оптико-електронних засобів, дозволить значною мірою знизити втрати нативної сперми тварин.

Застосування оптико-електронних засобів для дослідження якості сперми дозволить за рахунок підвищення точності виміру кінетичних і морфологічних характеристик сперміїв підвищити на 25 - 30 % вихід якісної спермопродукції з підвищеною біологічною активністю і запліднюючою здатністю.

Це дасть можливість підвищити запліднення на 18 %, що в масштабах України, з урахуванням вартості племінних тварин, витрат на утримання, корми, приміщення, обслуговуючий персонал, може дати прибуток до 75 млн. доларів США на рік.

Зростання числа вітчизняних і закордонних публікацій, присвячених методам оцінки якості сперми людини і тварин, свідчить про великий інтерес до створення нових високоточних, об'єктивних, автоматичних методів дослідження життєздатності біологічних об'єктів.

В даний час на Україні для оцінки якості сперми людини і тварин найбільше поширення набули візуальний і фотографічний методи. Однак суб'єктивні погрішності і тривалий час проведення аналізу знижують ефективність застосування цих методів.

Застосування оптико-електронних засобів при мікроскопії біологічних об'єктів засновано на обробці телевізійного зображення проби. Експериментальні результати показали, що безпосередня обробка відеопотоку вимагає великого об'єму пам'яті і високої швидкодії ПЕОМ.

Відомі розроблені в США системи контролю якості сперми, об'єднані під спільною назвою CASA - систем (Computer Aided Semen Analysis). Робота CASA - системи заснована на попередній обробці телевізійного сигналу з метою зниження об'єму інформації, що надходить у ПЕОМ для визначення кінетичних і морфологічних характеристик сперміїв. Використання попередньої обробки істотно знижує час проведення аналізу і дає можливість проведення додаткових тестів для більш повного вивчення запліднюючої здатності сперміїв у досліджуваному еякуляті.

Із зазначеного випливає актуальність теми дисертаційної роботи і доцільність проведення досліджень у напрямку створення оптико-електронної системи визначення параметрів руху і морфологічних портретів сперміїв.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи зв'язана з роботами 1991-1995 р. Української академії аграрних наук “Удосконалення і впровадження Харківської технології одержання, оцінки та використання гамет і зігот великої рогатої худоби”, № 02.01.; “Створення оптико-електронного методу визначення якості сперми і розробка пристрою, який його реалізує”, затвердженої ОІРУ при ВІРТА ППО 23.10.92. №23/92

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методу обробки в реальному масштабі часу телевізійних зображень сперміїв для одержання інформації про їхню життєздатність і оптико-електронної системи, що реалізує даний метод.

Для досягнення поставленої мети був вирішений ряд задач: вивчені функціональні і морфологічні особливості сперміїв; проведено аналіз методів дослідження параметрів руху і методів одержання морфологічних портретів сперміїв; проведено аналіз існуючих оптико-електронних методів дослідження якості сперми; сформульовані медико-технічні вимоги до розроблюваної оптико-електронної системи; проведено аналіз оптичних сигналів, сформованих в оптико-електронних системах при спостереженні біологічних об'єктів, що використовують освітлювальну систему Келера в прохідному світлі; розроблено математичну модель сигналу, сформованого оптико-електронним трактом телевізійного мікроскопа; розроблено методики обробки телевізійної інформації в реальному масштабі часу; розроблено рекомендації з технічної реалізації оптико-електронної системи визначення кінетичних і морфологічних характеристик сперміїв; розроблено рекомендації з розширення функціональних можливостей оптико-електронної системи.

Об'єкт дослідження. Методи дослідження якості сперми. Оптико-електронні засоби медичної лабораторної діагностики.

Предмет дослідження. Принципи побудови оптико-електронних систем лабораторної діагностики, що використовують освітлювальну систему Келера в прохідному світлі.

Методи дослідження. У роботі застосовані теоретичні та експериментальні методи досліджень. Теоретичні дослідження ґрунтуються на корпускулярній теорії світла, теорії імовірностей, статистичній теорії випадкових потоків, теорії побудови оптико-електронних систем, теорії фільтрації, статистичній теорії виявлення сигналів. Експериментальні дослідження проводилися з використанням мікроскопа БИОЛАМ Р-11, телевізійної камери СА-20, персонального комп'ютера.

Наукова новизна отриманих результатів. Одержали подальший розвиток теоретичні і практичні питання побудови телевізійної і оптико-електронної лабораторної медичної техніки.

На основі корпускулярної теорії світла і статистичної теорії випадкових потоків розроблено математичну модель сигналу на виході телевізійного мікроскопа, що використовує освітлювальну систему Келера в прохідному світлі. Отримано аналітичні вирази щільності імовірності, середнього значення і дисперсії вихідного сигналу.

На відміну від традиційного підходу теорії побудови оптико-електронних систем, у якому сигнали описуються неперервними функціями, у запропонованій моделі сигнали описуються випадковими дискретними потоками, що дало можливість врахувати імовірнісний характер ослаблення потоку світла об'єктом, що спостерігається, елементами оптичного тракту і фотокатодом.

На основі теорії фільтрації випадкових потоків і розробленої математичної моделі сигналу розроблено просторово-часовий фільтр телевізійного сигналу, що дозволяє визначити координати геометричних центрів зображень об'єктів і істотно спростити алгоритм виявлення траєкторій. Отримано аналітичні вирази для імовірнісних характеристик виділення геометричних центрів зображень біологічних об'єктів (сперміїв).

На основі статистичної теорії виявлення сигналів і розробленої математичної моделі розроблено методику підвищення контрастності телевізійних зображень при низькому відношенні сигнал/шум. Отримано аналітичні вирази, що визначають імовірнісні характеристики виявлення при адаптивному порозі квантування.

Практичне значення отриманих результатів.

Запропонована математична модель сигналу на виході телевізійного мікроскопа дозволяє здійснювати раціональний вибір складових частин при проектуванні і розрахунку оптико-електронних систем лабораторної медичної діагностики, що використовують освітлювальну систему Келера в прохідному світлі.

Розроблений блок первинної обробки телевізійних сигналів дозволяє істотно зменшити об'єм інформації, що надходить у ПЕОМ. Блок може бути використаний як складова частина оптико-електронних систем лабораторної медичної діагностики для забезпечення проведення аналізу в реальному масштабі часу.

Розроблену оптико-електронну систему визначення параметрів руху і морфологічних портретів сперміїв можна використовувати:

у клінічній практиці лікарів - андрологів для підвищення точності й об'єктивності результатів, що одержують при оцінці якості сперми, для постановки діагнозу і коригуванні курсу лікування безплідності чоловіків;

у технології штучного запліднення сільськогосподарських тварин. Використання оптико-електронної системи в племінних господарствах дозволить підвищити вихід якісної спермопродукції з підвищеними біологічною активністю і запліднюючою здатністю за рахунок підвищення точності виміру кінетичних морфологічних характеристик сперміїв (Акт про реалізацію).

Функціональні можливості оптико-електронної системи і розроблені алгоритми обробки телевізійної інформації дозволяють застосувати комплекс апаратури для вирішення інших задач. До них відносяться:

автоматизація цито-біофізичного методу визначення функціонального і фізіологічного стану людини. (Диплом III ступеня на виставці-ярмарку “Наука Харківщини 2000”).

спостереження малоконтрастних біологічних об'єктів при низькому відношенні сигнал/шум, наприклад, вивчення динаміки гемолізу еритроцитів.

Теоретичні і практичні питання побудови оптико-електронної системи лабораторної медичної діагностики використані в навчальному процесі ХТУРЕ за курсом “Оптико-електронні засоби медичної діагностики” при проведенні лекційних, практичних і лабораторних занять. Опубліковані матеріали дисертаційної роботи використовувалися при написанні магістерських робіт. (Акт про реалізацію в навчальний процес ХТУРЕ).

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, що складають сутність дисертаційної роботи і знайшли відображення в пунктах новизни, наукового і практичного значення отримані автором самостійно. У роботах, опублікованих у співавторстві автором, запропоновано наступне.

У роботі [2] проведено аналіз процесу взаємодії світла з нейтральним фільтром на основі моделі, що враховує імовірнісний характер послаблення потоку квантів світла (корпускул) речовиною - послабником.

У роботах [1, 6, 11-14] запропоновано просторово-часовий фільтр, що дозволяє обробляти телевізійні зображення рухомих біологічних об'єктів у реальному масштабі часу.

У роботі [3] запропоновано двохетапний алгоритм виявлення траєкторій об'єктів.

У роботах [5, 8] запропоновано методику підвищення контрастності телевізійних зображень біологічних об'єктів за рахунок бінарного квантування з відповідним порогом і подальшою статистичною обробкою.

Апробації результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на II і III Міжнародних конференціях “Теорія і техніка передачі, прийому й обробки інформації”, 1996, 1997 р., м. Туапсе; XII і XIII Міжнародних науково-практичних конференціях “Застосування лазерів у медицині і біології”, квітень 1999 р., Харків; жовтень 1999 р. Алупка; III Міжнародній конференції “Вплив людського фактора на безпеку руху на залізничному транспорті”, 1999 р., Луганськ; IV Міжнародному молодіжному форумі “Радіоелектроніка і молодь у XXI столітті”, 2000 р., Харків; Виставці-ярмарку “Наука Харківщини 2000”, 2000 р., Харків (Диплом третього ступеня).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 15 наукових праць, з яких 6 статей у наукових журналах і 9 матеріалів і тез науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, трьох розділів, висновків і додатків. Повний обсяг дисертації становить 163 сторінки, список використаних джерел містить 115 найменувань на 11 сторінках, має 58 ілюстрацій, 9 таблиць, 2 додатка на двох сторінках.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, проведено короткий огляд стану проблеми, визначені задачі дослідження, зв'язок із програмами і темами НДР, сформульовані розв'язувані науково-технічні задачі і мета роботи, визначені наукова новизна і практична значимість роботи, визначений особистий внесок здобувача в опублікованих роботах, дана інформація про апробації результатів дисертаційних досліджень і публікації.

У першому розділі розглянуті функціональні особливості сперміїв, їх морфологічні та кінетичні характеристики, вплив цих характеристик на запліднювальну здатність. Проведений аналіз методів і апаратури, які використовуються для оцінки якості еякуляту. Показано, що розробка приладів і автоматизованих систем для виміру кінетичних і морфологічних характеристик сперміїв є важливою й актуальною науково-технічною задачею.

Існуючі методи оцінки якості еякуляту дозволяють визначити основні характеристики сперми, такі як вид руху, швидкість клітин, концентрацію клітин. Однак, вони мають ряд недоліків: низька точність, суб'єктивність, тривалий час проведення аналізу - для візуального методу оцінки якості сперми за допомогою рахункових камер; тривалість часу обробки результатів, ручне знімання інформації - для фотографічних методів і методу відеомікрографії; неможливість визначення індивідуальних кінетичних характеристик і відсутність можливості морфологічних досліджень - для методу допплерівської кореляційної спектрометрії.

Розглянуто оптико-електронні методи дослідження якості сперми. Показано, що такі методи мають ряд переваг: висока точність вимірів; зниження часу проведення аналізу; можливість одержання інформації в електронному вигляді; можливість створення баз даних.

Описано комп'ютерний метод оцінки параметрів руху сперміїв, оснований на обробці телевізійного зображення проби клітин з подальшим статистичним аналізом. Обробка відеофрагмента з метою формування треків проводилася шляхом послідовного складання відеокадрів. Однак, безпосереднє складання кадрів призвело до втрати якості результуючого зображення (рис. 1).

Щоб уникнути зниження контрастності результуючого зображення, перед операцією складання проводилося бінарне квантування відеосигналу (рис. 2).

Результатом сумування бінарно квантованих кадрів є статичне зображення. При цьому рухомі об'єкти формують треки, нерухомі - відмітки іншої форми (рис. 3).

Комп'ютерний метод оцінки параметрів руху не дозволяє аналізувати велику кількість клітин у полі зору (більш 20 об'єктів), вимагає великого об'єму пам'яті і високої швидкодії ПЕОМ.

Також розглянуто спосіб визначення параметрів руху сперміїв сільськогосподарських тварин, заснований на кодуванні на чотири проекції всієї маси сперміїв з визначенням коду положення зображень сперміїв у телевізійному кадрі. Однак, спосіб не дозволяє отримувати морфологічні характеристики сперміїв, що спостерігаються, і визначати індивідуальні кінетичні характеристики клітин.

Найбільш досконалим з розглянутих оптико-електронних методів є комп'ютерний аналіз сперми - CASA. Метод заснований на виділенні контурів зображень клітин з наступним обчисленням координат центру зображення голівки спермія для подальшого аналізу індивідуальних кінетичних характеристик об'єктів, що спостерігаються. Однак, цей метод не дозволяє проводити морфологічні і кінетичні виміри одночасно для одного спермія.

Виходячи з проведеного аналізу існуючих методів дослідження якості сперми, сформульовані медико-технічні вимоги до розроблюваної в дисертаційній роботі оптико-електронної системи визначення параметрів руху і морфологічних портретів сперміїв. Система повинна забезпечувати високоточні виміри індивідуальних кінетичних характеристик сперміїв разом з морфологічними особливостями кожної клітини в реальному масштабі часу. Апаратура, що реалізує оптико-електронний метод, повинна володіти відносно невисокою вартістю у порівнянні з відомими оптико-електронними системами контролю якості сперми.

При цих умовах пропонована оптико-електронна система може знайти широке застосування в повсякденній клінічній практиці андрологів для діагностики і контролю якості лікування безплідності чоловіків і в практиці штучного запліднення сільськогосподарських тварин.

В другому розділі проведений фізико-математичний опис оптичних сигналів в оптико-електронних системах, що використовують освітлювальну систему Келера в прохідному світлі при спостереженні сперміїв (рис. 4).

При цьому використовувалися поняття й апарат геометричної оптики, а також елементи корпускулярної теорії світла і статистичної теорії випадкових потоків.

Розроблено математичну модель сигналу, сформованого оптико-електронним трактом телевізійного мікроскопу. Інформація про оптичну щільність об'єктів, що спостерігаються (сперміїв), міститься в різниці інтенсивностей променя, що пройшов через об'єкт, і променя, що пройшов через пробу в місці, де об'єкт відсутній. Тому за основу взята схема проходження променів у двоканальному фотометрі, яка показана на рис. 5.

Вважалося, що кожен промінь є потоком корпускул (фотонів), і тому що потік фотонів від слабкого некогерентного джерела володіє трьома властивостями - стаціонарність, ординарність і відсутності наслідку, то він є пуассонівським. При складанні моделі був врахований імовірнісний характер взаємодії світла з речовиною при проходженні оптичних сигналів через досліджуваний об'єкт і елементи оптико-електронного тракту.

Шлях проходження променів розбитий на елементарні області (від “0” до “6”). Така розбивка дозволила описати взаємодію світла з речовиною в кожній області за допомогою одного механізму. Потоки фотонів в областях “1”, “2” і “3” взаємодіють з об'єктом, нейтральним фільтром і фотокатодом імовірнісним образом і залишаються пуассонівськими. При цьому зв'язок потоків фотонів у першій області з потоком фотонів нульової області для променя, що пройшов через об'єкт із коефіцієнтом пропускання визначається наступними співвідношеннями:

, (1)

, (2)

, (3)

де , - реалізації потоків фотонів;

і - середні значення числа фотонів в одиницю часу.

Вирази (2) і (3) обумовлені імовірнісним характером взаємодії світла з речовиною. Аналогічні співвідношення мають місце і для елементарних областей “2” і “3”.

Показано, що сигнал на виході схеми (точка С на рис. 5) може бути апроксимований гауссовим законом. Отримано вирази для середнього значення і дисперсії цього сигналу. Отримано вираз для величини відношення сигнал/шум .

, (4)

де - квантова ефективність фотокатода;

- площа фотокатода;

- час накопичення;

- коефіцієнт ослаблення нейтрального фільтру (НФ);

.

Вираз (4) описує оптико-електронну систему, що має необмежений динамічний діапазон.

Розроблена математична модель була використана для опису процесів формування сигналів в оптико-електронних системах, що мають обмежений динамічний діапазон (наприклад, побудованих на телевізійних трубках типу “відікон”, або на ПЗЗ - структурах).

Отримано вирази для середнього значення сигналу і величини відношення сигнал/шум для елементарної чарунки (піксела) фотокатода. Їх залежності від величини інтенсивності випромінювання освітлювальної системи мікроскопа представлені на рис. 6 і 7.

На підставі розробленої математичної моделі, що описує процес формування сигналу в оптико-електронних системах з необмеженим і обмеженим динамічним діапазоном, і отриманих виразів для сигналів і величини відношення сигнал/шум на виході цих систем зроблені насаступні висновки.

1. Величина відношення сигнал/шум визначається контрастністю об'єктів, що спостерігаються, характеристиками передавальної телевізійної трубки, динамічним діапазоном передавальної телевізійної трубки.

2. Збільшення інтенсивності випромінювання підсвітлення вище граничного значення приводить до зменшення величини сигналу і величини відношення сигнал/шум , тобто погіршує характеристики оптико-електронної системи цілому.

3. Застосування нейтральних фільтрів погіршує характеристики оптико-електронної системи в цілому. Цей ефект не може бути скомпенсований шляхом застосування підсилювачів.

Отримані вирази для величини сигналу і величини відношення сигнал/шум справедливі для одного елемента розрішення передавальної телевізійної трубки (піксела). При цьому передбачалося, що процес є стаціонарним і однорідним.

Однак, експериментальні результати показали, що процес формування сигналу на фотокатоді передавальної телевізійної трубки не є однорідним (стаціонарним по простору). Гістограми напруги, формованої елементарними фотоприймачами (пікселами) під дією оптичного випромінювання, що пройшло через досліджувану пробу, яка містить об'єкти, що спостерігаються (спермії), показані на рис. 8. Для наочності фрагмент приведений у негативі.

З використанням відомої методики отримано вираз для передатної функції оптимального лінійного фільтра, що повинна приймати малі значення в областях низьких і високих частот.

Для збільшення пропускної здатності оптико-електронної апаратури без зниження часового і просторового розрішення, а також для збільшення можливої кількості супроводжуваних сперміїв, розроблена методика формування поля координат геометричних центрів зображень об'єктів, що спостерігаються, у телевізійному кадрі для побудови траєкторій і оцінки параметрів руху об'єктів у реальному масштабі часу.

При розробці цієї методики були використані відомі в радіолокації принципи супроводження об'єктів по кутових координатах, що використовують сумарно-різницевий метод визначення кутових координат об'єктів.

Структурна схема, що пояснює методику визначення координат геометричного центру зображення об'єктів (сперміїв), показана на рис. 9.

На телевізійне зображення накладається сформований віртуальний строб, що складається з чотирьох квадрантів . Цей строб переміщується зі швидкістю сканування променя передавальної телевізійної камери по телевізійному кадру. При збігу центра строба з центром зображення, тобто коли на виході віднімаючих пристроїв 1 і 2 формуються сигнали, які дорівнюють нулю, а - напруга з виходу суматора 3 перевищує поріг на пороговій схемі 6, на виході схеми збігу 8 формується сигнал “1”. За цим сигналом визначаються телевізійні координати й об'єкта, що спостерігається. Вибором величини порога можна забезпечити низьку умовну імовірність помилкової тривоги при заданій умовній імовірності правильного виявлення центру зображення об'єкта.

У третьому розділі приведено результати розробки практичних рекомендацій з апаратурної реалізації оптико-електронної системи визначення в реальному масштабі часу параметрів руху і морфологічних портретів сперміїв.

Розглянуто структурну схему оптико-електронного приладу для дослідження кінетичних і морфологічних характеристик клітин. Особлива увага приділена блоку первинної обробки сигналу, введеному в структурну схему для забезпечення формування поля координат геометричних центрів зображень об'єктів у реальному масштабі часу.

Блок первинної обробки сигналу виконує наступні функції:

врахування просторової нерівномірності випромінювання освітлювальної системи мікроскопу;

виділення відособленого зображення об'єкта;

визначення координат геометричних центрів зображень об'єктів.

Для реалізації функції врахування просторової нерівномірності випромінювання освітлювальної системи мікроскопу запропонована структурна схема блоку, в результаті роботи якого відбувається центрування фонової складової та інвертування сигнальної компоненти.

Запропоновано структурні схеми блоків, що реалізують функції виділення відособленого зображення і визначення координат геометричних центрів зображень сперміїв.

Виконання операцій по формуванню поля координат розділено на три етапи. На першому етапі формується строб, що переміщується по телевізійному кадру зі швидкістю сканування електронного променя передавальної телевізійної трубки (рис. 10). На другому етапі відбувається виділення відособленого зображення, що знаходиться в стробі, сформованому на першому етапі, за умови, що хоча б одна точка цього зображення сполучається з центром строба. На третьому етапі на основі сумарно-різницевої обробки апертури відособленого зображення визначаються телевізійні координати геометричного центру об'єкта (рис. 11).

При формуванні поля координат враховані особливості форми, розмірів, параметрів руху і виду траєкторій сперміїв, а також структура сигналу в телевізійному мікроскопі, що використовує освітлювальну систему Келера в прохідному світлі. Введено умови, виконання яких дозволяє проводити пеленгацію об'єктів, розміри зображень яких лежать у заданих межах, істотно знизити імовірність появи помилкової відмітки в полі координат, і тим самим, спростити алгоритми виявлення траєкторій об'єктів.

Запропоновано структурну схему двоканального скануючого мікроскопа, що дозволяє одночасно одержувати зображення одного і того ж об'єкта з різними коефіцієнтами збільшення, що дає можливість одночасного одержання інформації про морфологічні і кінетичні характеристики обраного об'єкта.

Розглянуто шляхи розширення функціональних можливостей оптико-електронної системи визначення параметрів руху і морфологічних портретів сперміїв і варіанти її додаткового застосування.

Розроблено методику спостереження малоконтрастних об'єктів оптико-електронними засобами, що використовують освітлювальну систему Келера в прохідному світлі при низькому відношенні сигнал/шум. Запропонована методика заснована на логічному накопиченні бінарно квантованих телевізійних кадрів за правилом . На рис. 12 представлені залежності умовних ймовірностей правильного виявлення і появи помилкової відмітки в результуючому зображенні від при .

Для стабілізації однієї з характеристик виявлення (наприклад, умовної імовірності правильного виявлення) на заданому рівні й оптимізації іншої характеристики, запропоновано проводити квантування з адаптивним порогом. Вибір порога квантування визначається заданою величиною характеристики, що стабілізується в результуючому зображенні. Залежності імовірнісних характеристик виявлення від при в результуючому зображенні при використанні адаптивного порога квантування.

На рис. 14 приведено результати математичного моделювання. На рис. 14 а) приведено вихідне зображення модельних об'єктів; б) - телевізійний кадр із накладеною шумовою складовою (відношення сигнал/шум ); в) - результуюче зображення, отримане шляхом сумування бінарно квантованих кадрів з неадаптивним порогом за логічним правилом ; г) - результуюче зображення, отримане при обробці кадрів, квантованих з адаптивним порогом (при , ).

Рис. 14 Результат математичного моделювання телевізійного кадру.

Як видно з рис. 14, застосування методики, основаної на бінарному квантуванні відеосигналу з адаптивним порогом, дозволило підвищити контрастність вихідного зображення при низькому відношенні сигнал/шум. При цьому досягається істотне зниження кількості помилкових відміток у порівнянні з післядетекторним накопиченням за логічним правилом .

Запропонована методика використана при дослідженні процесу гемолізу еритроцитів. У роботі представлені результати експериментальних досліджень тіней еритроцитів.

Як додаткове застосування оптико-електронної системи запропоновано використовувати її при вивченні рухливості ядер клітин буккального епітелію людини в процесі мікроелектрофорезу. Застосування системи дозволить проводити експрес діагностику фізіологічного і функціонального стану людини й одержувати додаткові параметри рухливості ядер.

У висновках сформульовані основні результати досліджень, які отримано в дисертації.

Висновки

Дисертація присвячена теоретичним і експериментальним питанням створення оптико-електронної системи визначення в реальному масштабі часу параметрів руху і морфологічних характеристик сперміїв.

Проведений аналіз вітчизняних і закордонних публікацій показав, що традиційні методи дозволяють одержувати кінетичні і морфологічні характеристики досліджуваних сперміїв. Однак вони не дають можливості одержувати в реальному масштабі часу інформацію, що дозволяє об'єктивно приймати рішення про якість еякуляту.

Зроблено висновок про доцільність розробки оптико-електронної системи, яка вирішить задачу визначення характеристик сперміїв, що корелюють із запліднюючою здатністю в реальному масштабі часу, і сформульовані медико-технічні вимоги, поставлені до системи.

Теоретичні дослідження, засновані на використанні корпускулярної теорії світла, теорії імовірностей, статистичної теорії випадкових потоків, теорії побудови оптико-електронних систем, дозволили розробити математичну модель сигналу на виході телевізійного мікроскопа, що використовує освітлювальну систему Келера в прохідному світлі.

Математична модель дозволяє врахувати імовірнісний характер взаємодії світлового потоку з досліджуваним об'єктом і елементами оптико-електронного тракту телевізійного мікроскопа.

Використання математичної моделі для опису сигналів в оптико-електронній системі лабораторної медичної діагностики дозволяє оцінити такі важливі характеристики, як середнє значення сигналу, величина відношення сигнал/шум на виході телевізійного мікроскопа та оптимальним образом здійснювати вибір складових частин системи.

На основі математичної моделі розроблені методики обробки телевізійних зображень сперміїв. Застосування запропонованих методик дозволяє:

врахувати вплив низькочастотної і високочастотної складових фонового випромінювання;

на основі сумарно-різницевої обробки відособленого зображення об'єкта формувати поле координат зображень сперміїв, і при цьому забезпечити низьку умовну імовірність появи помилкової відмітки.

З урахуванням запропонованих принципів побудови оптико-електронної системи розроблений варіант її технічної реалізації. Рекомендації з апаратурної реалізації і результати математичного моделювання дозволяють зробити висновок про працездатність запропонованих методик обробки телевізійних зображень.

Спільне використання запропонованих блоків визначення координат центрів зображень сперміїв і двоканального скануючого мікроскопа дозволяють вирішувати задачу одночасної реєстрації кінетичних і морфологічних характеристик того самого об'єкта, що істотно для встановлення кореляції між параметрами рухливості і морфологією клітини.

Обґрунтовано можливість застосування оптико-електронної системи для вивчення рухливості і морфології інших біологічних об'єктів при мікроскопії.

Показано та обґрунтовано шляхом експериментальних досліджень і математичного моделювання, що застосування запропонованої в роботі методики підвищення контрастності телевізійних зображень, заснованої на післядетекторній статистичній обробці послідовності бінарно квантованих відеокадрів з адаптивним порогом квантування, дає можливість використання оптико-електронної системи для спостереження малоконтрастних об'єктів, наприклад, тіней еритроцитів, що утворюються в процесі гемолізу.

Показано можливість використання оптико-електронної системи для автоматизації цито-біофізичного методу визначення біологічного віку людини.

Розглянута в дисертаційній роботі оптико-електронна система дає можливість глибше вивчати інформативні параметри життєздатності сперміїв і може знайти широке застосування в рішенні задач лабораторної медичної діагностики.

Публікації за темою дисертаційної роботи

Стрелков А.И., Лытюга А.П., Стрелкова Т. А. Реализация цито-биофизического метода определения функционального и физиологического состояния человека оптико-электронными средствами // Радиоэлектроника и информатика. 1998. - № 2. - С. 128-130.

Стрелков А.И., Стадник А.М., Лытюга А.П., Стрелкова Т.А., Сравнительный анализ вероятностного и детерминированного методов ослабления световых потоков. // Всеукр. межвед. н.-т. сб. Радиотехника. Харьков. 1998 - № 108. - С. 27-33.

Стрелкова Т.А., Писаренок Т.Г., Лытюга А.П. Измерение параметров

движения объектов по данным оптико-электронный средств // Радиоэлектроника и информатика. 1999. - № 3. - С. 73-75.

Стрелкова Т.А. Потенциальные возможности наблюдения биологических объектов оптико-электронными средствами// Всеукр. межвед. н.-т. сб. Радиотехника. Харьков. 1999. - № 112. - С. 87 - 90.

Стрелков А.И., Осташко Ф.И., Лытюга А.П., Стрелкова Т.А. Компьютерный метод представления треков движения спермиев при оценке качества эякулята// Медицинская техника. 2000. - № 1. - С. 34-36.

Шахбазов В.Г., Стрелков А.И., Лытюга А.П., Стрелкова Т.А., Коробов А.М. Автоматизированная система определения биологического возраста человека// Фотобиология и фотомедицина. 2000. - № 1,2. - С. 132-134.

Стрелкова Т.А. Комплекс оптико-электронной и вычислительной аппаратуры для автоматического распознавания и определения индивидуальных характеристик биологических объектов в реальном масштабе времени // Труды 2-й Международной конференции “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. - Харьков-Туапсе: ХТУРЭ. - 1996. - С. 63.

Лытюга А.П., Стрелкова Т.А., Щербакова А.Б. Методика повышения контрастности телевизионных изображений при микроскопических наблюдениях биологических объектов // 4-й Международный молодежный форум “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”. - Харьков: ХТУРЭ. - 2000. С. 175-176.

Стрелков А.И., Осташко Ф.И., Лытюга А.П., Стрелкова Т.А. Оптико-электронный метод построения треков и измерение кинетических характеристик спермиев при оценке качества эякулята // Труды XII Международной научно-практической конференции “Применение лазеров в медицине и биологии” 20-23 апреля ХГУ: Харьков. - 1999. - С. 143-144.

Стрелкова Т.А. Оптико-электронный метод исследования качества эякулята человека // Труды 3-й Международной конференции “Теория и техника передачи приема и обработки информации” ХТУРЭ: Харьков- Туапсе. - 1997. - С. 312.

Стрелков А.И., Лытюга А.П., Стрелкова Т.А., Лисаченко В.М. Методика учета неравномерности подсветки при наблюдении малоконтрастных биологических объектов оптико-электронными средствами // Труды XIII Международной научно-практической конференции “Применение лазеров в медицине и биологии” 5-8 октября ХГУ: Алупка. - 1999. - С. 105-106.

Стрелков А.И., Лытюга А.П., Стрелкова Т.А. Возможности аппаратурной реализации цито-биофизического метода определения состояния организма человека // Труды 3-й Междунар. конф. “Теория и техника передачи, приема и обработки информации” ХТУРЭ: Харьков-Туапсе. - 1997. - С. 314.

Лытюга А.П., Стрелкова Т.А., Стрелкова А.И., Шахбазов В.Г. Применение оптико-электронных средств при исследовании электрических свойств клеточных ядер эпителиальных клеток человека // Труды XII Междунар. научно-

практической конф. “Применение лазеров в медицине и биологии” 20-23 апреля ХГУ: Харьков. - 1999. - С. 139.

Стрелков А.И., Лытюга А.П., Стрелкова Т.А. Метод экспресс диагностики контроля функционального и физиологического состояния человека // 3-я конф. “Вплив людського фактора на безпеку руху на залізничному транспорті” 1-3 июня. Луганск. - 1999. - С. 39.

Лытюга А.П., Стрелкова Т.А., Стрелкова А.И., Шахбазов В.Г. Применение оптико-электронных средств при исследовании электрических свойств клеточных ядер эпителиальных клеток человека // Труды XII Междунар. научно-практической конф. “Применение лазеров в медицине и биологии” 20-23 апреля Харьков: ХГУ. - 1999. - С. 139.

Размещено на Allbest.ru

...