Многоспектральная оптическая система скрининга состояния кожи

Размещено на http://www.allbest.ru/

МНОГОСПЕКТРАЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СКРИНИНГА СОСТОЯНИЯ КОЖИ

А.Г. Копылов (магистрант),

В.М. Строев (к.т.н., доцент)

г. Тамбов, Тамбовский государственный технический университет

С таким явлением как кожные болезни на протяжении жизни встречается каждый второй человек в мире. Заболевания кожи разнообразны и часто сложны в диагностике и лечении. Именно поэтому вопросы дерматологии настолько актуальны. Воздействия факторов окружающей среды на кожу очень разнообразны и часто бывают чрезмерными, что не может не отразиться на состоянии кожных покровов, также часто заболевания кожи могут быть проявлением патологических процессов внутри организма.

Обнаружение кожных заболеваний у школьников и студентов производится во время медицинских осмотров, время проведения которых ограниченно, а так же возможно совпадение момента осмотра и ослабления или отсутствия визуального проявления болезни, что может привести к пропуску наличия очагов поражения.

Применение цитологических, гистологических и морфологических методов [1,2] требует удаления исследуемого участка кожи, то есть сопровождается травматизацией обследуемого, что ограничивает их применение в практической медицине.

Поэтому стоит актуальная проблема обнаружения и неинвазивного выявления кожных заболеваний на разных стадиях их проявления.

В качестве неинвазивных методов в настоящее время используется следующие:

- исследование оптических свойств кожи в условиях in vivo, которое позволяет лишь косвенно судить о патоморфологических изменениях в ней, поскольку данное исследование проводится только в отраженном свете, что снижает его информативность[3,4].

- распознавание патоморфологических изменений на исследуемую поверхность воздействуют энергетическими раздражителями[5]. Однако, данный метод не дает возможности оценивать патоморфологические изменения кожного покрова в диапазонах видимой области спектра, и поэтому не позволяет фиксировать очаги поражения с высоким разрешением.

- определение патоморфологических изменений в коже согласно закономерностям их отражения оптическими параметрами кожи, регистрируемыми in vivo. Тем не менее, данный метод применим при исследованиях известных участков патоморфологических изменений, а так же предполагает проведение изгиба пораженного участка кожи.

Предполагается создать автоматизированную многоспектральную оптическую информационно-измерительную систему (АМОИИС) скрининга патоморфологических изменений состояний кожи, которая решает следующие задачи:

- обнаружение и выделение очагов поражения кожи;

- обнаружение и выделение подкожных образований;

- формирование изображений высокой четкости пораженных участков кожи и подкожных образований;

- распознавание видов поражения кожи и типов подкожных образований.

Цели создания АМОИИС:

- повышение эффективности обнаружения и распознавания патоморфологических изменений кожи и, как следствие, повышение объективности медицинского осмотра;

- уменьшение числа задействованного медицинского персонала и времени проведения скрининга состояния кожи.

В ходе проекта предполагается решить следующие задачи:

- разработать математическую модель прохождения света через кожу человека;

- разработать методику неинвазивного определения оптических параметров кожи, исключающую травматизацию обследуемого;

- разработать способы формирования изображений высокой четкости аналогичные по принципу функционирования работе зрительного анализатора;

- разработать структуру АМОИИС.

Целями создания АМОИИС является:

- повышение эффективности обнаружения и распознавания патоморфологических изменений кожи и как следствие повышение объективности медицинского осмотра;

- уменьшение числа задействованного медицинского персонала и времени проведения скрининга состояния кожи.

Задачи АМОИИС можно решить используя различие в глубине проникновения оптического излучения через слои кожи на разных длинах волн, а так же за счет применения мноспектральной оптической системы осуществляющей параллельную обработку изображений на разных длинах волн.

АМОИИС относится к классу унифицированных видеокомпьютерных комплексов автоматизированного анализа изображений. АМОИИС представляет собой информационно-измерительную систему с активным видеосенсором со спектральным разделением каналов

Новейшие разработки в области нанотехнологий и WDM технологий позволяют реализовать те методы обработки, которые раньше отбрасывались из-за сложности и громоздкости реализации. Так стало возможным построение активного видеосенсора[6], использующего единую волоконно - оптическую систему формирования изображения (ВОСФИ) для нескольких каналов формирования и предварительной обработки изображений, а также - наборы узкополосных светофильтров для разделения по каналам. Структурная схема активного видеосенсора c ВОЛС и спектральным разделением каналов представлена рисунке 1.

Рис. 1. Структурная схема активного видеосенсора c ВОЛС и спектральным разделением каналов

кожный заболевание скрининг оптический

Активный видеосенсор обладает следующими достоинствами:

- неоднородность обработки по полю изображения;

- реализация параллельной обработки в нескольких спектральных каналах;

- обработка изображений с учетом спектральных различий;

- различная чувствительность по полю изображения в зависимости от условий наблюдения;

- возможность реализации переменной разрешающей способности по полю зрения;

- возможность выделения нескольких объектов, движущихся с разными скоростями и в разных направлениях;

- уменьшенное время формирования обработанного изображения за счет осуществления параллельной обработки в ВОСФИ и, соответственно, реализация видеосенсора на основе телевизионной камеры с частотой кадров до 100 кГц.

Изображения сформированные активным видеосенсором обрабатывается микропроцессорной системой с целью определения оптических параметров кожи в каждой точке изображения.

Состояние кожи оценивается по трем коэффициентам:

- коэффициент поглощения света;

- коэффициент светопроводности кожи;

- коэффициент фотолюминисценции кожи.

Оценка коэффициентов производится на основе разработанной модели прохождения света через кожу.

Проведен эксперимент, в котором оценивалась яркость в точке на здоровом и на пораженном участке кожи.

Методика проведения эксперимента следующая:

- производится съемка фотоаппаратом здорового и больного участка кожи в видимом диапазоне длин волн при хороших солнечных условиях или искусственной подсветке;

- в среде Mathcad производится разложение полученных изображений на различные диапазоны, синий, зеленый и красный;

- определена яркость на больном и на здоровом участке кожи по обычной фотографии;

- определяется яркость той же точки по изображениям различных диапазонов;

- рассчитываются коэффициенты для больного участка кожи:

, , ,

где FS-яркость обычного изображения; FB-яркость изображения разложенного в синем диапазоне; FG- яркость изображения разложенного в зеленом диапазоне; FR- яркость изображения разложенного в красном диапазоне;

- рассчитываются коэффициенты для здоровом участке кожи;

- производится сравнение полученных коэффициентов, при отличии значений коэффициентов более 15% делается вывод о наличии поражений кожи.

В соответствии с данной методикой был проведен эксперимент с применением фотоаппарата Nikon DX-40.

Для больного участка кожи руки получены следующие результаты:

, , .

Для здорового участка кожи руки:

, , .

При сравнении коэффициентов мы видим, что первый коэффициенты вырос в 1,35 раза, второй в 1,15 раза, а третий упал на 0,81 раза.

Так же была исследована здоровая рука с участками покраснения в результате загара.

Коэффициенты в точке руки с загаром:

, , .

Коэффициенты в точке руки без загара:

, , .

При сравнении коэффициентов мы видим, что на полностью здоровых участках кожи руки с загаром и без загара коэффициенты различны, но явно видно, что эти различия не так велики, как в у первого человека, где мы сравнивали больной и здоровый участок кожи.

Вывод. Анализ коэффициентов отражения позволяет выделить невидимый невооруженным взглядом и замаскированный солнечным загаром очаг поражения. Полученные результаты, с одной стороны, подтвердили эффективность многоспектральной обработки с целью выявления очагов поражения кожи, а с другой стороны, показали необходимость увеличения числа спектральных диапазонов с целью распознавания причин появления очагов поражения.

Список литературы

1. Цветкова Г.М., Мордовцев В.Н., Патоморфологическая диагностика заболеваний кожи. М.,1986.

2. Автандилов Г.Г. Медицинская морфометрия. М., 1990

3. Утц С.Р. Физические методы исследования в дерматологии. Часть 1. Вестник дерматологии, 1995, 1.

4. Dawson J.B., Barker D.J., Grassam E. et al. Theorerical and experimental study of light absorption and scattering by in vivo skin. Phys, Med. Biol. 1980. 25.

5. Журавель В.Г. Способ определения светопроводности кожи человека. Патент СССР 1802869, 1992.

6. Куликов А.Ю., Строев В.М. Активный видеосенсор со спектральным разделением каналов (доклад), Сборник докладов IX Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования», Тамбов, 2009 г.

Размещено на Allbest.ru