Перспективы применения устройств многоспектральной обработки для целей медицинской диагностики

Наиболее очевидным применением метода многоспектральной обработки в медицинских целях является получение субизображений гистограмм в разных длинах волн. Картина среза биологической ткани в цвете не всегда может быть адекватно интерпретирована врачами, поскольку человеческий глаз может одинаково воспринимать цвет, полученный на основании сложения базовых компонент цветового треугольника и цвет, не содержащий этих базовых компонент (красного, зеленого и синего). С точки зрения человеческого восприятия нет разницы между монохроматичным оранжевым цветом (например, с длиной волны 600 нм) и составным оранжевым цветом, включающим 255 уровней красного и 165 уровней зеленого. Между тем с точки зрения диагностики результаты могут оказаться противоположными. Поэтому многоспектральная обработка изображений гистограммы может позволить избежать серьезных, часто критических ошибок при диагностике, например, злокачественных новообразований.

Дополнительным аргументом в пользу многоспектральной обработки может послужить то, что она производится сугубо в оптическом канале без преобразования цветного изображения в видеосигнал, в котором спектральная информация (в отличие от цветовой) теряется полностью. Вместе с тем полученные субизображения, являющиеся монохромными, могут быть без существенных потерь информации преобразованы в видеосигнал и далее подвергнуты обработке в электронном канале.

Очевидными также являются преимущества многоспектральной обработки в изображающей цитометрии [2]. При этом многоспектральный метод в данной конфигурации сочетает достоинства высокой и скоростной спектральной селекции с помощью акустооптики и эффективного формирования изображений с помощью флуоресцентной микроскопии.

Можно предположить, что метод многоспектральной обработки получит широкое применение при неинвазивных методах диагностики, связанных с применением эндоскопов. Ограничением здесь, однако, является то, что эндоскоп не должен содержать видеокамеру, а изображение анализируемого объекта должно передаваться без преобразования его в видеосигнал, то есть чисто оптическим методом. Это позволит избежать потерь спектральной информации.

Возможно применение некоторых аспектов метода, особенно использование сочетания полихромного источника света с управляемым спектром и АОПФ, для исследований характеристик кровотока, что может оказаться важным для верификации результатов исследований в области электрокардиографии сверхвысокого разрешения [12](нс). Кроме того, информационный подход, основанный на теории Шеннона, примененный к описанной выше системе, может дать не только оценку технического устройства, ответственного за формирование электрокардиограммы, как канала формирования и передачи сигнала, но и сформировать модель сердечно-сосудистой системы как узла, выполняющего, помимо реализации важнейших физиологических функций, формирование набора данных о функциональном состоянии организма с некоторой достоверностью. Такая модель могла бы позволить коренным образом изменить подходы и требования к получению и интерпретации данных электрокардиографии [12](нс),[13], а также других исследований характеристик кровотока, определяющих функционирование сердечно-сосудистой системы [14](нс).

Помимо предложенных выше применений, можно также предположить, что перспективным окажется использование многоспектральной обработки в томографии. Несмотря на то, что в этом случае приходится иметь дело с множеством последовательно получаемых полихромных изображений, содержащих весьма большой объем информации, в силу быстродействия метода многоспектральной обработки все эти изображения могут быть разложены на спектральные составляющие практически в реальном масштабе времени, то есть полная обработка одного из полихромных изображений может быть реализована до начала получения следующего томографического изображения.

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