На «Связь-Экспокомм'99» представлен проект «Космополис», базирующийся на последних достижениях науки, техники, медицины и космонавтики, квалификации и опыте лучших специалистов-медиков.

Задачи проекта — общедоступность медицинских услуг и обеспечение прав гражданина на высокий единый стандарт качества медицинского обслуживания независимо от его социального статуса и места жительства. Четыре крупные компании вносят следующий вклад в этот проект Всемирной телемедицинской консультационной сети:

«Ростелеком» — ресурс спутника связи LMI-1,

NEC-система малых земных станций спутниковой связи NEXTAR VSAT,

«Тана» — телемедицинское оборудование,

«Сумитомо Корпорейшн» — опыт в организации финансовой поддержки проектов от японского правительства.

На функциональной схеме телемедицинской консультационной сети: 1 — акушерство и гинекология; 2 — онкология; 3 — гематология; 4 — нейрохирургия; 5 — кардиология; 6 — гастроэнтерология; 7 — глазные болезни; 8 — неврология. А. Барсуков, журнал "ТКТ", № 7, 1999 г.

 

Ретроспектива

 

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОЧУВСТВЛЕНИЯ ДЛЯ ВНУТРИСОСУДИСТОГО МИКРОРОБОТА НА ОСНОВЕ МИНИАТЮРНОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ КАМЕРЫ (Е. М. Иванова, В. Е. Карасик, МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва); THE DEVELOPMENT OF THE SENSORY SYSTEM FOR INTRAVASCULAR MICROROBOT BASED ON THE MICRO TV-CAMERA E. M. Ivanova, V. E. Karassik, BMSTU, Moscow) По докладу на 17-й Международной научно-технической конференции «СОВРЕМЕННОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ»

Одной из актуальных проблем сердечнососудистой хирургии является совершенствование методов восстановления магистрального кровотока нарушенного вследствие атеросклеротического поражения, в том числе рассматривается малоинвазивное вмешательство с использованием микроробототехнических систем. В МГТУ им. Н.Э.Баумана разрабатывается опытный образец микроробота, движение которого внутри сосудов обуславливается периодической деформацией сильфонных оболочек.

Рисунок 1 – а) внешний вид камеры в сборе; б) вид индикатрисы излучения блока подсвета

Особое внимание при проектировании внутрисосудистого микроробота уделяется разработке системы очувствления, позволяющей адекватно оценивать положение робота внутри исследуемых сосудов и обнаруживать атеросклеротические бляшки на их стенках. В данной работе предлагается исполнение системы очувствления в виде активной системы видения, которая состоит из специальной миниатюрной видеокамеры фирмы Medigus – диаметром 1,8 мм – и источника подсвета, разработанного в МГТУ им Н. Э. Баумана, смонтированных в единый блок диаметром 4 мм. Источник подсвета представляет собой четыре светодиодных кристалла с длиной волны излучения 638 нм, расположенных на равном расстоянии вокруг объектива микрокамеры, что обеспечивает миниатюрность всей системы и позволяет сформировать индикатрису излучения типа гауссоиды (см. рисунок 1б). Внешний вид активной системы видения представлен на рисунке 1а.

Основной задачей работы является определение предельной дальности видимости в таких сильно рассеивающих средах, как кровь, и обоснование возможности диагностирования и обнаружения атеросклеротических бляшек на стенках сосуда с помощью миниатюрной активной системы видения на основе телевизионной камеры.

Анализ системы видения в мутной среде проводился в рамках классической теории переноса изображения в рассеивающих средах в малоугловом приближении. В приближении квазиоднократного рассеяния зависимость контраста от дальности наблюдения и пространственной частоты рассчитывалась в соответствии с выражением [1]:

где К0 – исходный контраст; LПОР – яркость помехи обратного рассеяния; Lобт – яркость объекта; ε – показатель экстинкции.

В рамках данной работы проведены экспериментальные исследования оптических характеристик мутных сред с модельным раствором, в качестве которого использовался раствор сухого молока в дистиллированной воде различной концентрации, так как использование и хранение натурального биоматериала представляет определенную сложность. Предложена методика определения показателя экстинкции, и экспериментально определено граничное значение оптической толщины исследуемой мутной среды, при которой справедлив закон Бугера.

Рисунок 2 – Структурная схема установки для определения показателя экстинкции и границ применимости закона Бугера

Закон Бугера выражает зависимость между отношением ослабленного и исходного потоков, показателем ослабления и геометрической толщиной мутного слоя:

I / I0 = exp (– ε l), (1)

где ε·l = τ – оптическая толщина.

При получении значений потока ослабленного и потока исходного, а также при известной длине кюветы по формуле 1 был рассчитан показатель ослабления. Данный эксперимент был проведен 10 раз и найдено среднестатистическое значение ε. Для подтверждения справедливости закона Бугера были получены значения отношения ослабленного потока к начальному потоку лазерного излучения, при этом варьируя значения оптической толщины τ, что осуществлялось изменением длины кюветы с раствором, показатель экстинкции которого известен. В результате получено, что при оптической толщине в пределах 0-7 эксперименты удачно подтверждают справедливость применения закона Бугера.

Рисунок 3 – Изображения, полученные эндоскопом (а) и микрокамерой (б)

Экспериментально найдена модуляционно-передаточная функция (МПФ) среды путем проведения анализа изображений миры, полученных через слой сильно мутной среды при погружении блока системы видения в сосуд с модельным раствором, на дне которого находилась мира. На основании МПФ рассчитан контраст изображений, формируемых активной системой видения.

Кроме того, в ходе экспериментов был проведен сравнительный анализ характеристик изображений, полученных эндоскопом FFR2-100-2 и микрокамерой (см. рисунок 3).

Очевидно, что изображение, полученное при помощи эндоскопа, не только имеет зернистую структуру из-за морфологических особенностей построения канала, но и значительно уступает с точки зрения разрешающей способности прибора, что наглядно демонстрирует график зависимости контраста изображения миры через слой мутной среды от пространственной частоты штрихов миры, приведенный на рисунке 4. Сравнительный анализ экспериментальных (сплошные кривые) и теоретических (пунктирные) результатов показал их удовлетворительную корреляцию.

Рисунок 4 – Нормированные графики зависимости контраста изображений миры, полученных с помощью эндоскопа и микрокамеры, от пространственной частоты через слой мутной среды толщиной 1 мм с показателем ослабления 3,8 мм-1

В заключение работы были проведены теоретические расчеты предельной дальности видения в мутной среде, а также получено экспериментальное подтверждение этих результатов. На рисунке 5а приведен график теоретической зависимости контраста от дальности при известных характеристиках среды, обнаруживаемого объекта и системы видения (расстояние между источником и приемником – «база» – 1,1 мм, вероятность выживания фотона Λ = 1, мгновенный угол поля зрения приемного канала αp = 0,873 рад (≈50°), средний косинус угла рассеяния для модельного раствора g = 0,98, коэффициент отражения ρ = 0,6, исходный контраст К0 = 1, размер объекта 1 мм). Пороговое значение контраста равно 0,05. Дальность видения соответствует значению абсциссы точки пересечения KПОР c графиком контраста. Предельная дальность обнаружения объекта размером 1 мм в среде с показателем экстинкции ε = 10 мм-1 равна 2 мм, при ε = 50 мм-1 – 1,1 мм, ε = 100 мм-1 – 0,9 мм, при ε = 200 мм-1 – 0,7 мм. На рисунке 5б представлено изображение миры с пространственной частотой 1 пара линий на миллиметр, полученное системой видения через миллиметровый слой цельной крови (показатель ослабления около 180 мм-1).

Контраст изображения темных и светлых штрихов миры на рисунке 5б составляет 0,055, что подтверждает хорошую корреляцию между теоретическими расчетами и экспериментальными данными.

Рисунок 5 – К определению предельной дальности видения в мутных средах;

а) теоретический график зависимости контраста от дальности

б) изображение миры с частотой 1 пара линий на миллиметр, полученное через слой цельной крови толщиной 1 мм.

Примечание: рисунки и формулы здесь не приводятся

Литература

1. Карасик В. Е., Орлов В. М. Лазерные системы видения. - М. Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001 – 160 с.