Підвищення візуальної інформативності термограм у оптоелектронних системах тепловізійної медичної діагностики

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ім. В.Є. ЛАШКАРЬОВА

ПІДВИЩЕННЯ ВІЗУАЛЬНОЇ ІНФОРМАТИВНОСТІ ТЕРМОГРАМ У ОПТОЕЛЕКТРОННИХ СИСТЕМАХ ТЕПЛОВІЗІЙНОЇ МЕДИЧНОЇ ДІАГНОСТИКИ

Спеціальність 05.12.20 - Оптоелектронні системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

БЕХТІР ОЛЕНА ВОЛОДИМИРІВНА

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова Національної академії наук України.

Науковий керівник: член_кореспондент Національної академії наук України, доктор фізико-математичних наук, професор Сизов Федір Федорович, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, завідувач відділу.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Сорокін Віктор Михайлович, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, завідувач відділу;

кандидат технічних наук, доцент Микитенко Володимир Іванович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, старший науковий співробітник кафедри оптичних та оптично-електронних приладів.

Провідна установа: Інститут проблем реєстрації інформації НАН України, відділ оптичних носіїв інформації, м. Київ

Захист відбудеться “ 24 ” березня 2006 р. о 1415 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.199.02 в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова Національної академії наук України за адресою: проспект Науки, 45, м. Київ, 03028

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова Національної академії наук України за адресою: проспект Науки, 45, м. Київ, 03028

Автореферат розісланий “ 20 ” лютого 2006 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.199.02 доктор фізико-математичних наук, професор Іщенко С.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

інфрачервоний оптоелектронний зображення термограма

Актуальність теми. Підвищення візуальної інформативності медичних термограм є актуальним завданням зважаючі на особливості теплових зображень, сформованих та візуалізованих інфрачервоними оптоелектронними системами, які працюють у спектральному діапазоні =8_14 мкм. Такі термограми характеризуються низькою контрастністю, а також можливою наявністю шуму або геометричних спотворень. Розробка сучасного медико-діагностичного обладнання потребує оптимального інформаційного узгодження вигляду зображення на екрані дисплея з властивостями зорової системи людини на всіх її рівнях (сенсорному, перцептивному та операторному).

Якість зображення, в першу чергу, визначає оптична система, яка формує зображення в площині приймача випромінювання. Подальша обробка оптичного зображення, з урахуванням основних положень іконіки^** іконіка - це науковий напрям, що вивчає загальні властивості зображень, визначає мету та задачі їх перетворень, обробки та відтворення за допомогою різних методів і засобів дозволяє значно покращити візуальну якість термограм та отримати необхідні діагностичні дані, що особливо важливо при виявленні онкологічних патологій на початкових стадіях. Розширення можливостей теплобачення в медицині становить значний науковий та практичний інтерес тому, що термографічне обстеження проводиться реєстрацією власного інфрачервоного випромінювання людського тіла (в області 10 мкм), при цьому організм не ушкоджується опроміненням та інструментальним утручанням.

Існують різні методики та алгоритми поліпшення візуальної якості зображень у рамках іконічної моделі. Оскільки оптична система тепловізора (у першому наближенні) розглядається як лінійна інваріантна, яка являє собою фільтр низьких частот (зі зростанням просторової частоти контраст падає), в основі цих схем обробки лежить Фур'є-перетворення. Але на сьогодні, характерною тенденцією при аналізі та обробці зображень є перехід до використання вейвлет-обробки і фрактального кодування, а також перетворення напівтонових зображень у кольорові.

Основні проблеми створення оптико-електронного тракту тепловізійних пристроїв та розробки методів і засобів підвищення якості формування та відтворення зображень вирішені та подані в працях: Ллойда Дж., Мірошникова М.М., Претта У., Холста Дж. та інших.

Задачі поліпшення візуальної інформативності зображень, сформованих та відтворених оптоелектронною системою тепловізійного пристрою, потребують подальших досліджень і є актуальними, оскільки їх вирішення на основі комбінації традиційних методів іконіки та фрактальних і вейвлет-технологій дає змогу максимально врахувати особливості зорового сприйняття інформації (частотно-контрастну характеристику ока, інерційність зору, просторове інтегрування, фізіологічний контраст, роздільну здатність ока, психовізуальну надлишковість, залежність гостроти зору від поєднання кольорів тощо) при відтворенні медичних термограм та відкриває нові можливості для стиснення візуальної інформації. Наявність якісних візуалізованих теплових медичних зображень дозволяє збільшити надійність виявлення патологічних станів. У зв'язку зі значним збільшенням кількості онкологічних хворих в Україні виникла необхідність пошуку нових та оптимізації існуючих шляхів підвищення візуальної інформативності медичних термограм. Саме цим визначається важливість та актуальність основного завдання даної дисертаційної роботи, яке полягає у забезпеченні максимального інформаційного узгодження вигляду термограми, візуалізованої на екрані дисплея, з особливостями зорового сприйняття інформації людиною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проведені в рамках науково-дослідної роботи за державною програмою: “Розробка та виготовлення дослідних зразків вітчизняного інфрачервоного маммографа для діагностики пухлин”, ДР № 0103U008835 від 2003 р. та інноваційного проекту: “Організація серійного виробництва портативного інфрачервоного тепловізора для медичної діагностики та контролю тепловтрат в промисловості та комунальній сфері”, ДР № 0104U005839 від 2004 р., а також науково-дослідної роботи “Комплексні дослідження електронних явищ в матеріалах та структурах інфрачервоної фотоелектроніки”, ДР № 0102U002699 від 2002-2005 рр.

Мета дисертаційної роботи - підвищення якості та забезпечення діагностичної інформативності термограм, візуалізованих оптоелектронною системою тепловізійного пристрою медичного призначення.

Для досягнення поставленої мети в роботі розв'язувалися такі задачі:

- аналіз прикладних застосувань традиційних методів іконіки і визначення способів поліпшення візуальної якості зображень у оптоелектронних системах для тепловізійної діагностики;

- визначення параметрів вейвлет-обробки та фрактального кодування для підвищення діагностичної інформативності медичних термограм;

- встановлення шляхів відновлення розмитих візуалізованих теплових медичних зображень;

- дослідження можливостей практичного використання інфрачервоних оптоелектронних систем для обстеження онкологічних хворих;

Об'єкт дослідження - візуалізація медичних термограм.

Предмет дослідження - якість та структура зображень, візуалізованих інфрачервоною оптоелектронною системою медичного призначення; підвищення діагностичної інформативності термограм; способи компресії зображень.

Методи дослідження. Використані математичний аналіз, методи перетворення матриць і цифрової обробки багатомірних сигналів - при відновленні дефокусованих та змазаних термограм; комп'ютерні методи роботи з напівтоновими та кольоровими зображеннями - при застосуванні традиційних методів іконіки до обробки теплових знімків онкологічних хворих; математичний апарат фракталів та вейвлетів - при стисненні та забезпеченні достатньої діагностичної інформативності термограм; методи статистики та теорії ймовірності - при виділенні характерних результатів візуалізації інфрачервоного випромінювання для різних нозологічних форм захворювань (нозологічна форма - це одиниця номенклатури та класифікації хвороб, тобто певна хвороба, виділена на основі встановленої причини (етіології) та особливостей розвитку (патогенезу) типових зовнішніх проявів, а також характерного ураження органів та тканин (клініко-морфологічна картина)); при практичному використанні - прикладні чисельні та математичні методи для виконання обчислювального експерименту та обробки отриманих даних.

Наукова новизна одержаних результатів:

- поширено методи деконволюції на відновлення розмитих медичних термограм, а також модернізовано традиційні методи іконіки в застосуванні до поліпшення візуальної якості теплових знімків онкологічних хворих;

- досліджено особливості вейвлет-перетворень двомірних сигналів і показано доцільність використання вейвлет-технологій для компресії та зменшення зашумлення напівтонових медичних термограм;

- уперше розповсюджено метод “фрактального збільшення” деталей зображення на випадок збільшення лінійних розмірів ділянок медичних термограм у 7-10 разів, що відкриває нові можливості для стиснення візуальної інформації, яка зберігається в пам'яті комп'ютера, та дає змогу підвищити інформативність теплових зображень, сформованих та відображених оптоелектронною системою тепловізійного пристрою;

- встановлено характерні структури термограм для ряду клінічних випадків при онкологічних захворюваннях (згідно класифікації МКХ_10: клас ІІ, групи - С16_20, С21.8, С22_26 (органи травлення), С54_57 (жіночі статеві органи), С64, С67.9, С68.9 (сечові органи), С48.0, С48.2, С48.8, С49.0, С49.1, С49.4 (м'які тканини), С50 (молочні залози)), що дозволяє розширити нозологічний діапазон застосування тепловізійної діагностики та надає лікарям-онкологам нові відомості для виявлення патологій.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблено алгоритм поліпшення візуальної якості та діагностичної інформативності медичних термограм, який дозволяє виявити певні особливості структури зображень, візуалізованих інфрачервоною оптоелектронною системою, у кожному конкретному клінічному випадку;

- розроблено методику цифрової обробки медичних термограм на основі властивостей фракталів і вейвлетів та визначено параметри фрактального кодування й вейвлет-перетворення, які забезпечують найліпшу якість оброблених зображень;

- визначено шляхи відновлення дефокусованих та змазаних візуалізованих теплових медичних зображень, що дає можливість не втрачати інформацію, яка міститься в розмитих термограмах, і не витрачати час на повторне термографічне обстеження хворого;

- запропоновано схему обробки й дослідження теплових знімків онкологічних хворих, яка дозволяє підвищити ефективність тепловізійної медичної діагностики, що підтверджено практичним використанням у Київській міській онкологічній лікарні.

Особистий внесок здобувача полягає в проведенні теоретичних та експериментальних досліджень, а також аналізі й інтерпретації отриманих результатів. Самостійно визначені та розроблені основні положення, які винесені на захист: шляхи відновлення дефокусованих та змазаних результатів роботи оптоелектронних систем при тепловізійній медичній діагностиці методами деконволюції [6]; алгоритми поліпшення візуальної якості низькоконтрастних і зашумлених напівтонових термограм (з урахуванням особливостей зорового сприйняття інформації) [4, 5] та розширення діагностичних можливостей інфрачервоної візуалізації через представлення попередньо оброблених напівтонових термограм у хроматичних псевдокольорах [7, 15]; параметри вейвлет-обробки [8, 9, 17] та фрактального кодування [9, 18] візуалізованих теплових медичних зображень; характерні структури теплових знімків онкологічних хворих при різних нозологічних формах захворювань [2, 3, 13, 14, 16]; схеми обробки та дослідження медичних термограм, а також їх практичне використання в тепловізійній діагностиці онкологічних захворювань, що дає можливість підвищити діагностичну цінність результатів термографічного обстеження.

Здобувачем також здійснено абераційний та енергетичний аналіз оптичного тракту тепловізора [10], з урахуванням особливостей розробки інфрачервоних оптоелектронних систем [12], і запропоновано алгоритми обробки візуалізованих теплових медичних зображень [4-6, 8, 9, 17, 18] на оcнові традиційних методів іконіки та із застосуванням фрактального кодування й вейвлет-технологій; встановлено фактори, які визначають величину та спектральний розподіл світлового потоку, що надходить у око, в залежності від поєднання кольорів у полі зору людини [1, 11], досліджено особливості зорового сприйняття термограм, візуалізованих оптоелектронною системою в ахроматичних та хроматичних псевдокольорах [15], запропонована методика цифрової обробки теплових зображень, що дозволяє скоротити кількість кольорів візуалізації [7]. Автор брала безпосередню участь у клінічних випробуваннях тепловізійного пристрою [13] та дослідженні перспектив практичного застосування інфрачервоних оптоелектронних систем у медицині [2], зокрема, при використанні дистанційної термографії в комплексній діагностиці онкологічних захворювань молочних залоз [16]. Здобувачем розроблені макети форм представлення термограм, термопрофілів та супровідної медичної інформації й створено базу даних на основі результатів інфрачервоної візуалізації в онкології [3, 14]. Наукові праці [2-9, 11-18] були написані здобувачем власноручно, автор також брала активну участь у обробці та узагальненні отриманих результатів при написанні та підготовці до опублікування наукових праць [1, 10].

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи було оприлюднено на Науково-практичній конференції “Асиметрія мозку у нормі та патології”, м. Київ, 1997 р.; Міжнародній науково-технічній конференції молодих учених “Optoelectronic Information-Energy Technologies”, м. Вінниця, 2001 р.; Міжнародній науково-практичній конференції “Інформаційні технології в охороні здоров'я та практичній медицині”, м. Київ, 2001 р.; ІІ Міжнародній конференції молодих учених та спеціалістів “Оптика_2001”, м. Санкт-Петербург (Росія), 2001 р.; IV Міжнародній науково-практичній конференції “Современные информационные и электронные технологии”, м. Одеса, 2003 р.; Міжнародній науково-практичній конференції “Spectroscopy in Special Application”, м. Київ, 2003 р.; II та III науково-технічних конференціях “Приладобудування: стан та перспективи”, м. Київ, 2003-2004 рр.; III з'їзді онкологів та радіологів країн СНД, м. Мінськ (Білорусь), 2004 р.; XXIV Міжнародній науково-технічній конференції “Проблемы электроники”, м. Київ, 2004 р.; V Міжнародній конференції молодих учених “Problems of Optics and High Technology Material Science”, м. Київ, 2004 р. та SPIE International Congress on “Optics and Optoelectronics”, Warsaw (Poland), 2005 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 18 робіт, у тому числі - 11 статей у наукових фахових виданнях і 7 тез доповідей у збірниках за матеріалами конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з переліку умовних скорочень, вступу, чотирьох розділів основного змісту (огляду літератури та трьох розділів оригінальних досліджень), висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи - 169 сторінок, із них 125 сторінок основного тексту, 136 рис. і 11 табл., у тому числі 123 рис. на 46 окремих аркушах і 2 табл. на 2 окремих аркушах, список використаних джерел з 161 найменування на 16 стор., 8 додатків на 28 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладено актуальність теми, обгрунтовано необхідність проведення дослідження за обраним напрямом, наведено загальну характеристику дисертації, відмічено наукову новизну та практичну цінність роботи.

Перший розділ містить аналіз літературних джерел за темою дисертаційного дослідження щодо загальних вимог до інфрачервоних оптоелектронних систем медичного призначення, можливостей дистанційної медичної термографії та існуючих методів цифрової обробки візуалізованих теплових медичних зображень.

За головний напрямок дослідження взято підвищення візуальної інформативності медичних термограм. На сьогодні існує багато підходів до розширення діагностичних можливостей інфрачервоної візуалізації, кожен з яких має свої переваги та недоліки. У результаті проведеного огляду літератури визначені такі основні напрямки обробки теплових знімків онкологічних хворих: відновлення розмитих зображень, які сформовані оптоелектронною тепловізійною системою, методами деконволюції; використання традиційних методів іконіки для підвищення контрастності, зменшення зашумлення й підсилення контурів напівтонових термограм; інфрачервона візуалізація у хроматичних псевдокольорах; застосування фрактальних та вейвлет-перетворень до компресії та поліпшення візуальної інформативності результату роботи інфрачервоної оптоелектронної системи медичного призначення.

У другому розділі подано фізико-математичну модель інфрачервоної оптоелектронної системи та загальну математичну модель візуалізованого теплового зображення, розглянуто особливості формування і візуалізації термограм, розраховано NETD та інформаційний потенціал тепловізорів з одноелементним та багатоелементним приймачами випромінювання, наведено результати досліджень застосування тепловізійної оптоелектронної системи в онкології при комплексній діагностиці захворювань та післяопераційному моніторінгу хворих. Дослідження проведені із використанням тепловізійного пристрою, розробленого в рамках НДР за темою: “Розробка та виготовлення дослідних зразків вітчизняного інфрачервоного маммографа для діагностики пухлин” і виготовленого у м. Харків (Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України). До складу даної оптоелектронної тепловізійної системи входять:

відеомодуль - забезпечує прийом сигналу від досліджуваного об'єкта (людини) та перетворення прийнятого випромінювання у відповідний електричний сигнал;

пристрій керування та обробки інформації (персональний комп'ютер типу “Notebook”).

Оптико-електронний тракт складається з інфрачервоного об'єктива, дзеркальної системи сканування та одноелементного фотоприймача на базі вузькощілинного напівпровідника CdHgTe (максимум спектральної чутливості даного приймача випромінювання на довжині хвилі =10 мкм із виявною здатністю , час життя збуджених носіїв заряду ).

Особливістю проектування інфрачервоного об'єктива є те, що за рахунок великого відносного отвору (оптична система має бути світлосильною, оскільки випромінювання досить слабке) наявні значні аберації, а при збільшенні кількості лінз зменшується коефіцієнт пропускання оптичного тракту в цілому. Діаметр кружка Ейрі (дифракційна межа) об'єктива при =10 мкм (людське тіло максимально випромінює на довжині хвилі 10 мкм) та відносному отворі становить .

В інфрачервоній оптоелектронній системі з одноелементним фотоприймачем здійснено оптико-механічне сканування по двох осях, яке забезпечує повне поле зору - 230х230. Кут миттєвого поля зору складає 0.10 ( 16 мрад), тобто немає потреби корегувати польові аберації, тому використано двохлінзовий інфрачервоний об'єктив (матеріал лінз - германій ГОСТ 16153_80, просвітлююче покриття - 29И300 ОСТ 3_1901_85: сульфід цинку нанесений випаровуванням у вакуумі при температурі 3000С) зі сферичними поверхнями, діаметр абераційної плями якого не перевищує лінійні розміри чутливої площадки приймача випромінювання, що становлять 50х50 мкм.

При проектуванні тепловізійних оптоелектронних систем медичного призначення важливо забезпечити якісне зображення при великому кутовому полі зору. Використана при дисертаційних дослідженнях тепловізійна оптоелектронна система медичного призначення (з одноелементним фотоприймачем) працює у спектральному діапазоні =8-14 мкм, має температурне розділення 0,150 і формує кадр із лінійними розмірами 256х256 пікселів за 1,4 с. Програмне забезпечення дозволяє візуалізувати термограми в ахроматичних (напівтонові зображення у градаціях сірого) та хроматичних (кольорові зображення) псевдокольорах, а також здійснювати кількісну оцінку результатів інфрачервоної візуалізації шляхом побудови термопрофілів. Як показав накопичений досвід, такі технічні характеристики тепловізійного пристрою є прийнятними для термографічного обстеження хворих та діагностики патологічних станів.

Шляхом експериментального набору термограм створено базу даних. На основі подальшого якісного (оператор, аналізуючи структуру візуалізованого теплового зображення робить певні діагностичні висновки) і кількісного аналізу результатів інфрачервоної візуалізації встановлено, що тепловізійна діагностика є інформативною при моніторінгу стану післяопераційних швів, а також як допоміжний метод неінвазійних досліджень при раку молочної залози, оцінюванні характеру росту первинної пухлини, доопераційній оцінці розмірів патологічного осередку, дослідженні ефективності радіологічного опромінення, розпізнаванні порушень лімфатичного відтоку після мастектомії. Клінічні випробування тепловізійної оптоелектронної системи проведено на базі Київської міської онкологічної лікарні (Кафедра онкології Національного медичного університету ім. О.О. Богомольця). Загалом обстежено 57 хворих із різними нозологічними формами захворювань.

У третьому розділі представлено результати відновлення дефокусованих термограм та термограм із лінійним змазом методами деконволюції; розглянуто можливості підвищення візуальної якості напівтонових зображень, які відтворені тепловізійною оптоелектронною системою в градаціях сірого, традиційними методами іконіки; наведено, розроблений у рамках іконічної моделі, алгоритм цифрової обробки медичних термограм.

У загальному випадку розмита термограма описується наступною формулою:

, (1)

де - розмите теплове медичне зображення; - функція розсіювання точки (ФРТ); - вихідне (нерозмите) зображення; - позначення операції згортки; та - позначення координат у двомірному просторі. Кінцева задача деконволюції полягає у відновленні функції при заданих функціях та ; усі величини є кінечними.

При відновленні результатів інфрачервоної візуалізації, на яких має місце лінійний змаз, найкращі результати забезпечило використання методу деконволюції на основі вінерівської фільтрації. При наявності лінійного змазу ФРТ має вигляд:

, (2)

де - довжина змазу; - дельта-функція.

Для відновлення дефокусованих теплових знімків онкологічних хворих використано метод сліпої деконволюції (наявні набори якісних та дефокусованих теплових зображень; апріорна інформація про аберації оптичної системи відсутня). Апроксимацію функції розсіювання точки здійснено за допомогою фільтрів низьких частот: усереднюючого фільтра, фільтра Гаусса, фільтра на основі кругової функції. Функція, яка описує ФРТ при апроксимації усереднюючим фільтром:

, (3)

де - радіус кружка розмиття; - координати точки.

При апроксимації ФРТ фільтром Гаусса:

, (4)

де - середньоквадратичне відхилення розподілу.

При апроксимації ФРТ круговою функцією:

, (5)

де .

Запропоновано алгоритм підвищення візуальної якості низькоконтрастних та зашумлених напівтонових зображень, сформованих і відтворених інфрачервоною оптоелектронною системою. Як показали результати проведених експериментальних досліджень, структура медичних термограм значно відрізняється від структури немедичних теплових зображень. Зокрема, у випадку медичних термограм важливо зафіксувати щонайменшу різницю температур на людському тілі, при цьому дуже важливими для діагностики є щонайменші деталі візуалізованого теплового зображення. Проблема полягає в тому, що при термографічному обстеженні окрім пацієнта в поле зору тепловізора потрапляють предмети (постіль, резинові збирачі серединно-черевного вмісту, катетери, дренажні пристосування тощо), температура яких на декілька градусів нижча за температуру людського тіла, тоді як різниця температур у межах людського тіла, яку потрібно зафіксувати, складає лише десяті долі градуса, тобто в даному випадку візуальна інформативність термограм обмежена динамічним діапазоном тепловізійного пристрою. Розроблений алгоритм поліпшення візуальної якості та інформативності медичних термограм базується на використанні традиційних методів іконіки та враховує особливості зорового сприйняття інформації людиною. Основними етапами даного алгоритму є аналіз структури термограми та виділення областей, які потребують більш детального вивчення; підвищення контрасту, що полягає в узгодженні динамічного діапазону візуалізованого теплового зображення та екрана, за допомогою якого здійснюється візуалізація; зменшення зашумлення, підсилення контурів деталей та фільтрація термограми.

Експериментально показано, що при цифровій обробці медичних термограм потрібно не лише ретельно відбирати проблемні фрагменти теплового знімка, а й важливо в ряді випадків (особливо при наявності значного градієнта яскравості в межах обраної області, яка потребує підвищення контрастності окремих її ділянок) ці фрагменти розбивати на декілька ділянок (з меншим градієнтом за яскравістю в межах кожної зони, що обробляється).

На основі експериментальних даних встановлено, що контрастність медичних термограм значно підвищує використання або методу еквалізації гістограми, або гамма-корекції. На контрастованих напівтонових теплових знімках має місце імпульсний шум, наявність якого зумовлена як завадами в оптико-електронному тракті тепловізійного пристрою, так і появою хибних контурів при підвищенні контрастності термограми. Ефективно зменшити зашумлення дозволяє локальна нерекурсивна медіанна фільтрація.

Візуалізовані теплові зображення оброблено за традиційними методами іконіки - еквалізація гістограми та наступна медіанна фільтрація (маска фільтра 3х3 пікселя).

У четвертому розділі подано методику забезпечення достатньої діагностичної інформативності результату роботи інфрачервоних оптоелектронних систем медичного призначення.

На рис. 1 наведено запропоновану схему підвищення візуальної інформативності медичних термограм при тепловізійній діагностиці.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Схема підвищення візуальної інформативності медичних термограм при тепловізійній діагностиці

Розроблена методика базується на традиційних методах іконіки, а також вейвлет-технологіях і фрактальному кодуванні.

У загальному випадку вейвлет-перетворення - це дерево високочастотних та низькочастотних фільтрів (базовою є ідея про виділення інформації на різних рівнях деталізації; деталі розглядаються як інформація про масштаб або розділення). Рівень декомпозиції термограми визначається числом вейвлетів, що використовуються при розкладанні двомірного сигналу. При збільшенні рівня декомпозиції точність реконструкції результату інфрачервоної візуалізації погіршується, але при цьому зменшується об'єм інформації. Керувати процесом стиснення та очищення від шумів при використанні вейвлет-методів можна шляхом зміни рівня декомпозиції термограми, вибору базисної функції, а також варіації кількістю коефіцієнтів грубої апроксимації.

При дослідженні можливостей та оцінці ефективності вейвлет-технології в застосуванні до обробки теплових знімків онкологічних хворих, медичні термограми оброблялися в середовищі прикладних програм за допомогою ортогональних, біортогональних та обернених біортогональних вейвлетів при різних рівнях декомпозиції зображення. Для визначення ефективності компресії розраховано кількість нульових коефіцієнтів, а для оцінки ступеня спотворення стиснених термограм використано середню піксельну помилку [а]:

, (6)

де та - число рядків і стовбців відповідно; - піксельне значення вихідного теплового зображення в му рядку та му стовбці; - піксельне значення декодованої термограми.

При дослідженнях щодо застосування вейвлет-технологій для зменшення зашумлення напівтонових контрастованих теплових медичних зображень оцінка візуальної якості обробленої термограми здійснювалася за інтегральним показником якості, який включає в себе оцінки за рівнем адаптації зорової системи, ступенем використання можливих градацій яскравості та усередненим контрастом візуалізованого теплового медичного зображення.

Експериментально показано, що задовільну візуальну якість термограм при достатньому стисненні забезпечує використання, як базисної вейвлет-функції, коіфлета 5-го порядку (`coif5') або симлета 4-го порядку (`sym4') при рівні декомпозиції зображення lev=3, а найліпшу візуальну якість відфільтрованих напівтонових контрастованих термограм дозволяє отримати вейвлет-фільтрація з такими параметрами: тип вейвлета - коіфлет 2-го порядку (`coif2') або обернений біортогональний вейвлет за номером 2.4 (`rbio2.4'); рівень декомпозиції зображення - lev=2; показник, через який задається кількість коефіцієнтів грубої апроксимації - Alpha=1,1.

Збільшення лінійних розмірів ділянок медичних термограм у 7_10 разів дозволяє значно підвищити діагностичні можливості тепловізійного обстеження онкологічних хворих, а застосування методу “фрактального збільшення” деталей теплового зображення відкриває нові можливості для стиснення візуальної інформації, яка зберігається в пам'яті комп'ютера. Фрактал - це деякий набір елементів, який залишається одним і тим же незалежно від масштабу, тобто важливою характеристикою фрактальних об'єктів є самоподібність. У відповідності до фрактальних методів кодування, термограму можна визначити як фрактальну гратку, яка складається з рангових та доменних блоків зображення й утворює квадродерево. У процесі фрактального кодування не використовується інформація про лінійні розміри вихідної (оригінальної) термограми або її фрагмента, натомість при декодуванні в зображення більшого розміру додаються деталі, які, однак, не суперечать контексту зображення, сформованого та відтвореного тепловізійною оптоелектронною системою. Зменшити час кодування та розмір файла, в якому зберігається термограма, і отримати високу візуальну якість декодованого зображення можна за допомогою фрактального кодування з використанням нейронної мережі, що самовпорядковується.

Експериментально з'ясовано, що найкращі результати при фрактальному кодуванні (у середовищі прикладних програм) теплових знімків онкологічних хворих забезпечують такі параметри нейромережі, що самовпорядковується: кількість рядків вагової гратки - 300, кількість стовбців вагової гратки - 8, початковий окіл - 4; при наступних параметрах задання базового квадродерева: глибина квадродерева - 6, горизонтальне та вертикальне перекриття - відсутнє, кількість рядків у домені - 8, кількість стовбців у домені - 8. В основі принципу роботи нейронної мережі, на базі якої здійснювалося фрактальне кодування даних медичних термограм, лежить класифікаційна схема нейронної мережі Кохонена.

Через наявність ефекту циклічності відстаней між ваговими векторами при малих околах неможливо безпосередньо застосовувати фрактальне кодування до фрагментів термограм із малими лінійними розмірами (у даному випадку 54х54 пікселя та 72х72 пікселя). Збільшення лінійних розмірів фрагментів термограм до 256х256 пікселів шляхом інтерполяції, наступне фрактальне кодування та подальше декодування з лінійними розмірами 512х512 пікселів забезпечують оптимальні результати як за візуальною якістю обробленого зображення (при застосуванні лише бікубічної інтерполяції або інтерполяції за найближчим сусідом на збільшеному зображенні наявний ефект “блочності”, при білінійній інтерполяції має місце значне падіння контрасту та деяке розмиття зображення), так і за розмірами файла, в якому воно зберігається (розмір файла в форматі *.bmp для напівтонового зображення з лінійними розмірами 256х256 пікселів складає 61666 байт і 263224 байт при 512х512 пікселів; у форматі JPEG - 14000_37000 байт у залежності від опцій кодування та статистики зображення; розмір файлів *.fbr , які отримано в результаті запропонованої обробки - 5500_15000 байт у залежності від параметрів кодування та структури зображення).

Для диференціації відмінності в яскравості оператору потрібен певний час. У середньому час сприйняття об'єкта людиною складає 1,2 с [б]. Кольорові відмінності сприймаються значно швидше [в, г], тому розглянуто відтворення теплових медичних зображень у хроматичних псевдокольорах. При первинному аналізі медичних термограм використано палітру з мінімальною кількістю хроматичних кольорів (щоб, згідно рекомендацій наведених у літературі, увага оператора не розсіювалась). Експериментально встановлено, що інфрачервона візуалізація залишається досить інформативною при використанні чотирьох або п'яти хроматичних псевдокольорів (це можливо лише після попередньої цифрової обробки теплового зображення, отриманого за допомогою тепловізійного пристрою в градаціях сірого), а при подальшому дослідженні варто попередньо оброблені медичні термограми подати в палітрі з восьми хроматичних псевдокольорів. Використання меншої кількості хроматичних псевдокольорів призводить до втрат деталей візуалізованого зображення, які важливі для правильної інтерпретації термограми. Занадто велика кількість кольорів при відтворенні теплового зображення оптоелектронною системою - це надлишкова інформація, яка не має суттєвого значення при постановці діагнозу, але викликає психологічне перенавантаження та втому оператора [в, д]. На рис. 2 подано запропоновану загальну схему обробки та дослідження теплових знімків онкологічних хворих.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Схема обробки та дослідження теплових медичних зображень онкологічних хворих

Запропоновані схеми (рис. 6_7) є практичною реалізацією розглянутих шляхів обробки та інтерпретації медичних термограм у застосуванні до забезпечення необхідної інформативності результатів роботи оптоелектронних систем при тепловізійній медичній діагностиці.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі запропоновано шляхи підвищення візуальної інформативності медичних термограм у оптоелектронних системах при тепловізійній діагностиці. Основні результати полягають у нижчезазначеному.

1. Запропонований алгоритм для вирішення прикладних задач поліпшення візуальної якості напівтонових медичних термограм, який враховує особливості зорового сприйняття інформації. Встановлено, що для підвищення контрастності доцільно використовувати або метод еквалізації гістограми, або гамма-корекцію (>1); для зменшення зашумлення теплових медичних зображень ефективна медіанна фільтрація (маска 2 х 2 або 3 х 3 пікселя). Визначено, що відображення інформації у восьми хроматичних псевдокольорах достатньо для правильної інтерпретації попередньо необроблених кольорових термограм. Запропоновано методику обробки кольорових теплових медичних зображень, яка дозволяє скоротити кількість хроматичних псевдокольорів до чотирьох, не погіршуючи при цьому загальну інформативність теплового знімка при первинному аналізі термограми (для усунення надлишкової інформації).

2. Визначено параметри вейвлет-обробки для фільтрації напівтонових термограм (тип вейвлета: коіфлет 2-го порядку або обернений біортогональний вейвлет за номером 2.4 з розмірами локальної фільтрації 9х3 пікселя; рівень декомпозиції зображення lev=2; показник, через який задається кількість коефіцієнтів грубої апроксимації Alpha=1.1) та для компресії теплових зображень (тип вевлета: коіфлет 5_го порядку або симлет 4-го порядку; рівень декомпозиції зображення lev=3). Ступінь спотворення стиснених термограм оцінено через середню піксельну помилку, яка змінювалась у межах від 0,46% до 1,81%; ефективність компресії визначено шляхом розрахунку кількості нульових коефіцієнтів, що склала 75,98%_97,95% (для різних термограм у залежності від типа вейвлета та рівня декомпозиції зображення).

3. Встановлено, що для виявлення деталей термограми при значному збільшенні (у 7_10 разів) лінійних розмірів фрагментів теплового медичного зображення доцільно комбінувати традиційні методи інтерполяції та фрактальне кодування. Показано, що найкращі результати забезпечує збільшення первинних лінійних розмірів фрагмента термограми до 256х256 пікселів методами бікубічної інтерполяції або інтерполяції за найближчим сусідом, а для подальшого збільшення лінійних розмірів необхідне фрактальне кодування з використанням нейронної мережі типу Кохонена, що самовпорядковується, і наступне декодування із заданими лінійними розмірами, досліджені розміри - 512х512 пікселів.

4. Встановлено, що при малій частоті кадрів візуалізації, яка обумовлена параметрами тепловізійної камери з одноелементним фотоприймачем (нині тепловізійні пристрої такого типу, як той, що використано в даній роботі, є найпоширенішими в дистанційній медичній термографії), найбільш розповсюдженими спотвореннями результатів роботи інфрачервоних оптоелектронних систем є лінійний змаз, що виникає при взаємному русі камери тепловізійного пристрою й пацієнта, та розфокусування. Запропоновано: відновлювати візуалізовані теплові медичні зображення з лінійним змазом деконволюцією на основі вінерівської фільтрації, задаючи функцію розсіювання точки довжиною та напрямком (кутом) змазу; а для відновлення дефокусованих термограм використовувати сліпу деконволюцію, апроксимуючи функцію розсіювання точки фільтрами низьких частот (усереднюючий фільтр, фільтр Гаусса та фільтр на основі кругової функції).

5. Визначено, що інфрачервоні оптоелектронні системи медичного призначення, які працюють у спектральному діапазоні =8_14 мкм, доцільно застосовувати в онкології на етапі безконтактних неінвазійних досліджень. Виділено характерні теплові зображення для наступних нозологічних форм захворювань: пухлини органів черевної порожнини та інтрабдомінальні пухлини, які були піддані хірургічному лікуванню (післяопераційний моніторінг); пухлини молочних залоз та м'яких тканин.

6. Запропоновано і практично реалізовано схеми обробки та дослідження теплових знімків онкологічних хворих, які стали основою покращання візуальної інформативності медичних термограм при тепловізійній діагностиці на сучасному медико-діагностичному обладнанні.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Міхеєнко Л.А., Бехтір О.В. Оцінка величини ефективного засвічування при латеральній світлотерапії // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. - 2000. - № 2. - С. 89-91.

2. Сизов Ф.Ф., Бехтір О.В., Забудський В.В., Маслов В.П., Чешук В.Є., Кравченко О.В., Ліпкевич О.В., Єфременко В.Г., Гордієнко Е.Ю., Шустакова Г.В. Дослідження можливостей дистанційної медичної термографії // Вісник національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” (Приладобудування). - 2003. - № 25. - С. 133-137.

3. Бехтір О.В., Сизов Ф.Ф., Чешук В.Є., Кравченко О.В., Носко М.М., Ліпкевич О.В. Обробка та аналіз теплових зображень в медицині // Вісник Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” (Приладобудування). - 2003. - № 26. - С. 138-144.

4. Бехтір О.В., Сизов Ф.Ф., Чешук В.Є., Носко М.М., Олійниченко Г.П. Підвищення візуальної інформативності термограм при онкологічних захворюваннях молочних залоз // Вісник НТУУ “КПІ”. (Приладобудування). - 2004. - № 27. - С. 144-150.

5. Бехтир Е.В., Сизов Ф.Ф. Улучшение визуального качества медицинских термограмм // Электроника и связь. - 2004. - Том 9, № 21. - С. 41-45.

6. Бехтир Е.В., Сизов Ф.Ф. Восстановление “дефокусированных” и “смазанных” тепловых медицинских изображений // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника (Інститут фізики напівпровідників НАН України). - 2004. - № 39. - С. 115-123.

7. Бехтир Е.В., Сизов Ф.Ф. Исследование особенностей визуализации медицинских термограмм в хроматических псевдоцветах // Український журнал медичної техніки і технології. - 2005. - № 1-2. - С. 106-115.

8. Сизов Ф.Ф., Бехтір О.В. Вейвлет-технології у застосуванні до обробки теплових медичних зображень (стиснення інформації) // Доповіді НАН України. - 2005. - № 6. - С. 77-83.

9. Бехтир Е.В., Сизов Ф.Ф. Фрактальное кодирование и вейвлет-обработка в применении к повышению диагностической информативности тепловых медицинских изображений // Электроника и связь. - 2005. - № 26. - С. 54-60.

10. Сизов Ф.Ф., Бехтір О.В., Білевич Є.О., Голенков О.Г., Гордієнко Е.Ю., Грінченко М.Т., Гуменюк-Сичевська Ж.В., Духнін С.Є., Забудський В.В., Завадський П.В., Ільницький І.І., Кравченко С.Л., Крайовий В.М., Рева В.П., Корінець С.В., Писаренко Л.О., Фоменко Ю.В., Шевчик А.В., Шустакова Г.В. Багатоелементний тепловізор з високою температурною чутливістю та телевізійною частотою кадрів // Наука та інновації. - 2005. - Т.1, № 3. - С. 22-33.

11. Бехтір О.В. Застосування сучасних інформаційних технологій для забезпечення точного дозування світлового потоку при латеральній світлотерапії // Наукові праці КМАПО: “Інформаційні технології в охороні здоров'я та практичній медицині”. - 2001. - С. 21-24.

12. Берчий О.І., Жученко М.І., Бехтір О.В. Особливості оптимізації оптичних систем з рефракційно-дифракційними елементами мікрооптики головок запису-зчитування інформації // Збірник тез доповідей міжнародної науково-технічної конференції “Optoelectronic Information-Energy Technologies”. - Вінниця (Україна). - 2001. - С. 81.

13. Забудський В.В., Маслов В.П., Кравченко С.Л., Бехтір О.В., Єфременко В.Г., Гордієнко Е.Ю., Шустакова Г.В. Дослідження отримання та обробки тепловізійних зображень злоякісних новоутворень // Труды 4-й международной научно-практической конференции “СИЭТ_2003”. - Одесса (Украина). - 2003. - С. 360.

14. Sizov F.F., Bekhtir O.V., Maslov V.P., Zabudskiy V.V., Kravchenko O.V., Lipkevich O.V., Efremenko V.G., Gordienko E.U., Shustakova G.V. Identification of thermal anomalies in medicine using infrared imager // International scientific and practical conf. “Spectroscopy in Special Application”. - Kiev (Ukraine). - 2003. P. 100.

15. Бехтір О.В., Сизов Ф.Ф. Зорове сприйняття термограм та особливості роботи з тепловими медичними зображеннями // III науково-технічна конференція “ПРИЛАДОБУДУВАННЯ: стан і перспективи”. - Київ: НТУУ “КПІ” (Україна). - 2004. - С. 159-160.

16. Бехтир Е.В., Сизов Ф.Ф., Чешук В.Е., Олийниченко Г.П., Носко М.М. Применение тепловидения в медицинских исследованиях онкологических заболеваний молочных желез // III съезд онкологов и радиологов стран СНГ. - Материалы съезда. Часть II. - Минск (Беларусь). - 2004. - С. 44.

17. Bekhtir O.V., Sizov F.F. Thermal Medical Image Compression by Wavelet-Technique // 5-th International Young Scientists Conf. “Problems of Optics and High Technology Material Science SPO_2004”. - Kiev (Ukraine). - 2004. P. 189

18. Sizov F.F., Bekhtir O.V. The possibilities of “fractal zoom” in thermal medical imaging // SPIE International Congress on “Optics and Optoelectronics”. - Warsaw (Poland). - 2005. - P. 183.

АНОТАЦІЯ

Бехтір О.В. Підвищення візуальної інформативності термограм у оптоелектронних системах тепловізійної медичної діагностики. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидита технічних наук за спеціальністю 05.12.20 - оптоелектронні системи. Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова Національної академії наук України, Київ, 2005.

Дисертація присвячена розв'язанню задачі підвищення візуальної інформативності результату роботи інфрачервоної оптоелектронної системи (тепловізійного пристрою) медичного призначення традиційними методами іконіки та за допомогою фрактальних і вейвлет-перетворень.

Визначено шляхи відновлення дефокусованих та змазаних медичних термограм. Розроблено алгоритм поліпшення візуальної інформативності медичних термограм із урахуванням особливостей зорового сприйняття. Визначено параметри вейвлет-обробки для компресії та фільтрації напівтонових теплових зображень, а також параметри фрактального кодування, що забезпечують найліпшу якість оброблених медичних термограм. Встановлено характерні структури теплових зображень для ряду клінічних випадків при різних нозологічних формах захворювань. Запропоновано схеми обробки й дослідження теплових знімків онкологічних хворих, що дозволяють підвищити ефективність тепловізійної діагностики.

Результати дисертаційної роботи використані в науково-дослідних роботах Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України (м. Київ), які проводилися спільно з Київською міською онкологічною лікарнею (м. Київ).

Ключові слова: інфрачервона оптоелектронна система, теплове зображення, медична термограма, теплові знімки онкологічних хворих, тепловізійна діагностика, візуальна інформативність, методи іконіки, фрактальне кодування, вейвлет-обробка.

АННОТАЦИЯ

Бехтир Е.В. Повышение визуальной информативности термограмм в оптоэлектронных системах тепловизионной медицинской диагностики. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.20 - оптоэлектронные системы. Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева Национальной академии наук Украины, Киев, 2005.

Диссертация посвящена решению задачи повышения визуальной информативности результата работы инфракрасной оптоэлектронной системы (тепловизионного устройства) медицинского назначения традиционными методами иконики и при помощи фрактальных и вейвлет-преобразований.

Исследованы особенности применения тепловизоров в медицине, приведены физико-математическая модель инфракрасной оптоэлектронной системы и математическая модель визуализированного теплового изображения, проанализировано влияние элементов оптоэлектронного тракта на качество формирования и визуализации термограмм, рассчитаны NETD и информационные потенциалы тепловизионных устройств с одноэлементным и многоэлементным приёмниками излучения.

Установлены причины возникновения искажений медицинских термограмм. Известные на сегодня методы деконволюции распространены на восстановление размытых тепловых снимков онкологических больных (дефокусированные и смазанные тепловые изображения обработаны по алгоритмам слепой деконволюции и деконволюции на основе винеровской фильтрации при различных функциях рассеяния точки).

Разработан алгоритм улучшения визуального качества и диагностической информативности результатов работы инфракрасных оптоэлектронных систем с учетом особенностей зрительного восприятия информации. Установлено, что при предварительном анализе медицинских термограмм целесообразно использовать палитру из четырех хроматических псевдоцветов. Разработаны рекомендации по обработке и исследованию тепловых снимков, визуализированных тепловизионной оптоэлектронной системой в градациях серого.

Определены параметры вейвлет-обработки для компресии и фильтрации полутоновых термограмм, а также параметры фрактального кодирования, которые обеспечивают наилучшее визуальное качество обработанных тепловых изображений. Установлено, что при значительном увеличении (в 7_10 раз) линейных размеров фрагментов медицинской термограммы целесообразно комбинировать традиционные методы интерполяции (в частности, бикубическую интерполяцию и интерполяцию по ближайшему соседу) с фрактальным кодированием на базе самооорганизующейся нейронной сети типа Кохонена.

Разработана методика обработки визуализированных тепловых изображений на основе комбинации алгоритмов традиционных методов иконики со свойствами фракталов и вейвлетов, которая открывает новые возможности для сжатия визуальной информации. Степень искажения сжатых по вейвлет-технологии медицинских термограмм оценивалась по средней пиксельной ошибке, а эффективность сжатия - по количеству нулевых коэффициентов. Оценка качества тепловых изображений, обработанных с целью повышения их визуальной информативности, осуществлялась при помощи интегрального показателя качества, который включает в себя оценки по уровню адаптации зрительной системы, степени использования возможных градаций яркости и уровню общего контраста изображения.

Определены характерные структуры медицинских термограмм для ряда клинических случаев при различных нозологических формах заболеваний. Установлено, что тепловизионную диагностику целесообразно использовать на этапе бесконтактных неинвазивных исследований для раннего выявления послеоперационных воспалительных осложнений, нарушений оттока лимфы после мастэктомии, оценке характера роста первичной опухоли и размеров области распространения опухоли, а также контроля длительности и эффективности радиологического облучения.

Предложены схемы обработки и исследования результатов инфракрасной визуализации, которая позволяет повысить эффективность тепловизионной медицинской диагностики. Данные схемы показывают, как при помощи обработки изображений, сформированных и отображенных инфракрасной оптоэлектронной системой, прийти к диагностическому заключению.

Результаты диссертационной работы использованы в научно-исследовательских работах Института физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины (г. Киев), которые проводились совместно с Киевской городской онкологической больницей (г. Киев).

Ключевые слова: инфракрасная оптоэлектронная система, тепловое изображение, медицинская термограмма, тепловые снимки онкологических больных, тепловизионная диагностика, визуальная информативность, методы иконики, фрактальное кодирование, вейвлет-обработка.

ABSTRACT

Bekhtir O.V. Increasing of the visual informativeness for thermograms in optoelectronic systems by thermal-vision medical diagnostics. - Manuscript.

The dissertation for the Ph.D of engineering science on the speciality 05.12.20 optoelectronic systems. Institute of Semiconductor Physics of the National Academy of Science of the Ukraine, Kiev, 2005.

The dissertation deals with the solution of problems for increasing of the visual informativeness of the outcome of activity of the infrared optoelectronic system (thermal imager) for medical application by traditional methods of iconics and with fractal and wavele transformations.

The ways of the restoration for defocused and blurred medical thermograms were determined. The algorithm based on the laws of the optic perception for improvement of the visual informativeness of the medical thermograms was developed. The parameters of the wavelet-processing for compression and filtration of the grayscale thermal images and parameters of the fractal coding which is providing with the best quality of the processing medical thermograms were determined. Typical structures of the thermal images for series clinical cases in different nozological forms of the sicknesses were defined. The diagram of the processing and investigation for thermal photo's of the oncological patients which is let to increasing of the effectiveness of the thermal-vision diagnostics was proposed.

The results of this dissertation is used in scientific research works which was fulfilled at the V. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics of NASU (Kiev) in collaboration with Kiev Oncology Hospital (Kiev).

Keywords: infrared optoelectronic system, thermal image, medical thermogram, thermal photo's of the oncological patients, thermal-vision diagnostics, visual informativeness, methods of the iconics, fractal coding, wavelet-processing.

...