Многоспектральная обработка изображений биологических объектов с помощью акустооптических устройств

Многоспектральная обработка изображений биологических объектов с помощью акустооптических устройств

К.В.Зайченко, Б.С.Гуревич

Санкт-Петербургский Государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП)

 

Multispectral processing of the biological objects imaging by means of acousto-optic devices

K.V.Zaichenko, B.S.Gurevich

St.Petersburg State University of aerospace instrumentation (SUAI)

 

Аннотация. Современная клиническая диагностика ставит перед разработчиками медицинской техники задачу быстрого анализа изображений биологических объектов, который может быть осуществлен путем многоспектральной обработки. В работе рассматривается возможность формирования системы многоспектральной обработки изображения биологических объектов на базе изображающих акустооптических перестраиваемых фильтров, оцениваются предельные информационные возможности таких систем, а также обсуждаются практические перспективы их применения.

Abstract. The modern clinical diagnostics creates the problem for the medical technique designers which includes the need in fast analysis of biological objects images, and this problem can be solved by means of multispectral processing. We consider the possibility of the multispectral processing system formation intended for images of the biological objects and based on imaging acousto-optic tunable filters. The information limitations are estimated for these images, and the possibilities of their practical application are discussed.

Ключевые слова: многоспектральная обработка, программное управление спектром, акустооптический перестраиваемый фильтр, информационные характеристики

Keywords: multispectral processing, spectrum software control, acousto-optic tunable filter, information characteristics

Реферат

       Работа посвящена проблеме обработки полихромных изображений биологических объектов с минимальными потерями спектральной и пространственной информации. Эта проблема решается путем организации процедуры многоспектральной или гиперспектральной обработки изображений.

В разделе 1 –«Введение» формулируется проблема, которую надо решить и указывается целесообразный путь ее решения – многоспектральная обработка изображений.

В разделе 2 – «Принципы многоспектральной и гиперспектральной обработки изображений» дается описание принципов работы устройств многоспектральной обработки и приводятся примеры успешного применения этих принципов для обработки изображений биологических объектов, в том числе, для задач медицинской диагностики. Показана необходимость оптимизации систем обработки изображений с точки зрения исключения потерь информации.

В разделе 3 – «Акустооптические устройства для выделения спектральных компонентов изображений – изображающие АОПФ» дается описание работы акустооптических перестраиваемых фильтров (АОПФ) и показана целесообразность их использования в системах многоспектральной обработки. Подчеркнута возможность спектральной селекции изображений программным способом без применения механически движущихся частей.

В разделе 4 – «Информационные характеристики устройств многоспектральной обработки изображений» определены основные информационные характеристики таких устройств на примере АОПФ, проанализированы физические основы спектральной селективности АОПФ и сформулирован критерий спектрального разрешения, исходя из допустимой вероятности неразличения единицы информации.

В разделе 5 – «Экспериментальная установка для многоспектральной обработки изображений биологических объектов» дается описание схемы эксперимента по реализации многоспектральной обработки с использованием АОПФ и полихромного источника света с программно управляемым спектральным составом на базе набора светодиодов.

В разделе 6 – «Тонкая настройка длины волны света с помощью акустооптических устройств» дается анализ работы АОПФ, как элемента тонкой настройки спектральных линий, при том, что грубая настройка осуществляется выбором светодиода в полихромном источнике света.

В разделе 7 – «Перспективы применения устройств многоспектральной обработки для целей медицинской диагностики» перечисляются и анализируются основные задачи, относящиеся в основном к медицинской диагностике, которые могут быть решены с помощью процедур многоспектральной обработки. Среди этих задач – обработка изображений в гистологии, цитометрии, томографии и в некоторых других биомедицинских областях.

Список литературы содержит 14 ссылок на публикации в областях биомедицинских технологий и оптической обработки информации.

Summary

The paper is devoted to the problem of the biological objects polychrome images processing with minimum losses of spatial and spectral information. This problem is solved by means of multispectral or hyperspectral image processing procedure performance.

Section 1 – “Introduction” involves the basic problem formulation and selection of the solution way – multispectral processing.

Section 2 – “Principles of the images multispectral and hyperspectral processing” contains the description of multispectral processing devices operation principle and the samples of this principle successful application for the biological objects images processing including the medical diagnostics applications.

Section 3 –“Acousto-optic devices for images spectral components selection – imaging AOTFs” provides the description of acousto-optic tunable filters (AOTF) operation and demonstrates the feasibility of their application in the multispectral processing systems. It is appointed that the images spectral selection can be performed by the pure software control, without application of any mechanically moving parts.

Section 4 – “Information characteristics of the images multispectral processing devices” defines the basic information characteristics of the devices by the example of AOTF, considers the physical basis of the AOTF spectral selectivity, and gives the spectral resolving power criterion proceeding from the admissible probability of information unit undistinguishing.

Section 5 –“Experimental installation for biological objects images multispectral processing” includes the description of experimental performance for multispectral processing realization using AOTF and polychrome light source with software-controlled spectral composition on the basis of the LED set.

Section 6 – “Fine adjustment of light wavelength by means of acousto-optic devices” analyses AOTF operation as a component of spectral lines fine adjustment whereas the rough adjustment is performed by the LED selection form the set in the polychrome light source.

Section 7 – “Future development of multispectral processing devices application for medical diagnostics application” lists and analyses the problems related basically to medical diagnostics which could be solved by means of the multispectral processing procedures. Among these problems – images processing in histology, cytometry, tomography, and some other biomedical areas.

The list of references includes 14 references to the papers in biomedical technologies and optical information processing areas.

      

Введение

       Интенсивное развитие биомедицинской техники, наблюдаемое в последние десятилетия, выдвигает ряд новых требований к оптическим и оптико-электронным устройствам, используемым в новых биотехнических системах. Одним из важнейших из них является необходимость обеспечения быстрой обработки изображений биологических объектов, которая бы давала наглядные данные для надежной оперативной диагностики.

Среди способов обработки изображений биологических объектов можно выделить многоспектральную и гиперспектральную обработку, то есть мультипликацию цветных изображений в последовательность монохромных субизображений, каждое из которых соответствует определенному небольшому интервалу длин волн. Чаще всего, под многоспектральной обработкой понимают разделение полихромного изображения на субизображения по нескольким спектральным интервалам (до десятков), а под гиперспектральной – разделение по десяткам – сотням спектральных интервалов.

 

Заключение

В настоящее время метод многоспектральной обработки изображений биологических объектов с помощью быстродействующих программно управляемых акустооптических устройств реализован на уровне макета. Следующим этапом должна быть подготовка экспериментального образца устройства, которое может быть использовано в стандартных клинических лабораториях для ускорения и увеличения надежности медицинской диагностики.

       Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 13-07-00208 А.

 

Литература

1.  Gupta N., Dahmani R. Multispectral and hyperspectral imaging with AOTF for object recognition // Proceedings of SPIE. 1999. V. 3584. P. 128-135.

2. AOTF-based system for image cytometry// Rajwa B., Ahmed W., Venkatapathi M., et al. – Proceedings of SPIE. 2005. V.5694. P. 16-23.

3. 400- to 1000-nm imaging spectrometer based on acousto-optic tunable filters// Calpe-Maravilla J., Vila-Frances J., Ribes-Gomez E., et al. - Journal of Electronic Imaging. 2006. V.15, No.2, P. 023001-1 – 023001-8.

4. Зайченко К.В. Чувствительные элементы со структурной избыточностью. Л.: Изд-во Ленинградского университета. 1990.

5. Chang I.C. Noncollinear acousto-optic filter with large angular aperture// Appl. Phys. Lett. 1974. V. 25, No. 7. P. 370-372.

6. Gurevich B.S., Andreyev S.V., Akkoziev I.A., Alymkulov S.A., Belyaev A.V., Kaupinen M.V. Resolving power and information properties of acousto-optic tunable filters// Proceedings of SPIE. 1999. V. 3803, P. 81-87.

7. Шеннон К. Современные достижения теория связи// Работы по теории информации и кибернетике. М.: Изд-во иностр. лит., 1963. С. 243.

8. Гуревич С.Б., Гуревич Б.С., Жумалиев К.М. Проблемы информационной оптоэлектроники. Санкт-Петербург: Наука. 2008. 210 с.

9. Худяков Г.И. Об использовании математической теории информации в биологии и в медицине.//Настоящий сборник.

10. Gurevich B.S., Andreyev S.V., Burov P.A., Markov V.A., Sokolov V.N. Gray scale levels transmission by acousto-optic devices// Proceedings of SPIE. 1997. V. 3160, P.178-186.

11. Kamshilin A.A., Nippolainen E., Belyaev A.V., Andreev S.V., Gurevich B.S., Raita E.. A novel light source for precise spectral color imaging//Technical Digest of the Sixth Japan-Finland Joint Symposium on Optics in Engineering/Eds J.Uozumi, T. Yatagai, and K.-E. Pelponen, Hokkai-Gakuen University, Sapporo, Japan, Sept. 2005, Р. 53-54.

12. Зайченко К.В., Галагудза М.М.//Настоящий сборник.

13. Зайченко К.В., Сергеев Т.В. Исследование электрокардиосигналов сверхвысокого разрешения в процессе развития кардиопатологий//Биомедицинская радиоэлектроника. 2013. № 1. С. 13-15.

14. Поясов И.З. Применение метода амплитудно-частотной модуляции при исследовании сосудистых функций системы кровообращения//Настоящий сборник.

Краткие сведения об авторе

Зайченко Кирилл Вадимович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой медицинской радиоэлектроники Санкт-Петербургского университета аэрокосмического приборостроения, 190000, Санкт-Петербург, Большая Морская ул., 6, тел. [phone], e-mail [e-mail]

 

Гуревич Борис Симхович, доктор технических наук, профессор кафедры медицинской радиоэлектроники Санкт-Петербургского университета аэрокосмического приборостроения, 190000, Санкт-Петербург, Большая Морская ул., 67 тел. [phone], e-mail [e-mail]

 

Author ’ s data

Zaichenko Kirill Vadimovich, Doctor of Science (Technology), professor, head of the department of medical radioelectronics of St.Petersburg State University of aerospace instrumentation, 190000, St.Petersburg, 67 Bolshaya Morskaya str., tel. [phone], e-mail [e-mail]

 

Gurevich Boris Simkhovich, Doctor of.Science (Technology), professor of the department of medical radioelectronics of St.Petersburg State University of aerospace instrumentation, 190000, St.Petersburg, 67 Bolshaya Morskaya str., tel. [phone], e-mail [e-mail]

 

[*](нс) – настоящий сборник

 

Многоспектральная обработка изображений биологических объектов с помощью акустооптических устройств

К.В.Зайченко, Б.С.Гуревич

Санкт-Петербургский Государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП)