Современные аспекты внедрения в лечебную практику и учебный процесс инновационных медицинских визуализационных цифровых технологий
- Авторы: Аронов А.М.1, Пастушенко В.Л.1, Иванов Д.О.2, Рудин Я.В.3, Дрыгин А.Н.2
-
Учреждения:
- АО «ЛОМО»
- ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский университет» Минздрава России
- Институт оптико-цифровых систем Университета ИТМО
- Выпуск: Том 9, № 4 (2018)
- Страницы: 5-11
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.eco-vector.com/pediatr/article/view/10399
- DOI: https://doi.org/10.17816/PED945-11
- ID: 10399
Цитировать
Аннотация
Приведены результаты разработки и характеристики цифрового аппаратно-программного комплекса, обеспечивающего автоматическое формирование, регистрацию и обработку изображений биомедицинских объектов в целях неинвазивной диагностики на основе методов цифровой микроскопии и эндоскопии. Цифровой аппаратно-программный комплекс осуществляет сбор, предварительный анализ и сжатие видеоинформации для передачи по телекоммуникационным каналам. Подобные комплексы позволяют создать основу для разработки и внедрения новых перспективных медицинских технологий, к которым можно отнести визуально-цифровые базы данных, с целью разработки учебных программ и атласов распознавания патологических клеток и состояний. В этом направлении для начала выбрана агрегация систем клинической и лабораторной диагностики, использующих в качестве медицинских данных изображения, получаемые с выходов цифровых микровизионных и видеоэндоскопических систем, реализованная в виде комплексов оптико-цифровой диагностики. Микровизионная цифровая система мультиспектральных исследований обеспечивает формирование и визуализацию микроизображений биотканей и медицинских препаратов. Видеоэндоскопическая система предназначена для проведения эндоскопических обследований желудочно-кишечного тракта с обеспечением формирования и визуализации эндоскопических изображений, документирования и архивирования данных. Связь с сетевой системой поддерживается по протоколу TCP/IP. Микровизионная и видеоэндоскопическая системы предоставляют возможность дистанционного доступа к изображениям и функциям управления для удаленных пользователей, работающих в локальной сети или через веб-интерфейс.
Полный текст
В последние годы компьютерные и телекоммуникационные технологии обеспечили качественный скачок в развитии дистанционных медицинских технологий. Это привело к улучшению, особенно в сложных клинико-диагностических случаях, достоверности диагностики, более широкому охвату слоев населения доступными и качественными диагностическими медицинскими услугами и обеспечило снижение стоимости медицинских манипуляций в педиатрии.
Рядом ведущих компаний мира разработаны и выпускаются автоматизированные анализаторы микроизображений, такие как Coolscope (фирма Nikon), BioZero и BioRevo (фирма Keyence), телемедицинские комплексы для ультразвуковой и рентгенографической диагностики, электрокардиографии, компьютерной томографии и др. [7–9]. Широкое распространение в мире получили переносные телемедицинские терминалы, позволяющие проводить долговременный мониторинг состояния сердечно-сосудистой системы пациентов, измерять уровень сахара в крови, контролировать другие жизненно важные показатели гомеостаза организма человека. По сведениям Всемирной организации здравоохранения, в настоящее время в мире реализуются несколько сотен проектов в области телемедицины, среди которых, кроме клинических и информационных, выделяют также образовательные, связанные с телеобучением специалистов в области медицины. Одной из задач, стоящих перед современной телемедициной, является развитие методов медицинской информатики, стандартизация регистрации и формализации медицинских данных, создание специализированных медицинских учреждений, способных оказывать телемедицинские услуги. Для решения этих задач необходимо разработать и внедрить в медицинскую практику алгоритмы подготовки информации, определить стандартные формы обмена информацией как на уровне исходных данных, так и на уровне формирования отчета, ведения медицинской документации в детских медицинских учреждениях и перинатальных центрах.
В России дистанционные медицинские технологии в последние годы развиваются весьма интенсивно. В течение последнего десятилетия в нашей стране организован координационный совет Минздрава по телемедицине, утверждена концепция развития телемедицинских технологий, разработан и принят первый национальный стандарт в области медицинской информатики 1, который устанавливает общие положения для разработки требований к организации создания, сопровождения и использования информационных систем типа «электронная история болезни», разработаны и серийно выпускаются биологические цифровые микроскопы нового поколения — микровизоры, обладающие расширенными телекоммуникационными возможностями [5].
Однако отечественное аппаратное обеспечение телемедицины отстает от мирового уровня, что связано с отсутствием специального оборудования для клинической и лабораторной диагностики, а также отсутствием медицинско-правовых форм для организации специализированных медицинских учреждений, способных оказывать телемедицинские услуги.
Вышесказанное, а также развитие цифровых и компьютерных технологий во всех областях науки и техники послужило толчком к разработке отечественных автоматизированных телемедицинских систем. Первым шагом в этом направлении стала агрегация систем клинической и лабораторной диагностики, использующих в качестве медицинских данных изображения, получаемые с выходов цифровых микровизионных и видеоэндоскопических систем, реализованная в виде комплексов оптико-цифровой диагностики для телемедицины (цифровые диагностические комплексы). Подобные комплексы позволяют не только расширить функциональные возможности существующих методик, но и заложить основу для разработки и внедрения новых перспективных медицинских технологий, к которым можно отнести создание визуально-цифровых баз данных для программ и атласов распознавания патологических клеток и состояний.
Основное назначение разрабатываемого комплекса заключается в создании инфраструктурного базиса для развития телемедицинских услуг на основе открытой информационной технологии сетевого взаимодействия различных диагностических устройств. Они должны, с нашей точки зрения, иметь форму консультативно-диагностических центров, созданных на базе медицинских вузов, перинатальных центров и ведущих лечебных учреждений города и страны. Вышеуказанные центры смогут осуществлять свою деятельность как в режиме онлайн-консультаций, так и/или на основе визуально-цифровых баз данных.
Хорошо известно, что успешное лечение многих заболеваний определяется точным и своевременно поставленным диагнозом. Достоверность диагностики зависит от большого набора разнообразных факторов, в число которых входит в первую очередь квалификация врача-диагноста. Однако одного опыта и врачебной интуиции специалиста не всегда достаточно, нужны точные методики и приборы для их реализации, необходимы долговременный профессиональный мониторинг состояния здоровья человека и максимально возможная полная база данных разнообразных анализов.
Медицинские записи анализов и результатов обследования пациентов в виде бумажных историй болезни велись медиками на протяжении многих лет, но физические и практические ограничения традиционных технологий хранения и организации большого объема разнородных данных в настоящее время совершенно очевидны.
Один из возможных вариантов структуры сетевого применения цифровых диагностических комплексов представлен на рис. 1. На схеме (в нижней части рисунка) в качестве примера показаны два комплекса, размещенные в лечебно-диагностическом медицинском учреждении и связанные локальной сетью с сервером верхнего уровня типа «электронный госпиталь». Каждый комплекс включает в себя три функционально связанных системы.
Рис. 1. Структура сетевого применения диагностического комплекса. Для этих целей ЛОМО создало первый отечественный многофункциональный диагностический комплекс для телемедицины, использующий достижения отечественной микровизионной и видеоэндоскопической техники в сочетании с современными компьютерными и телекоммуникационными технологиями
Fig. 1. Network mode diagnostic complex application. LOMO company has elaborated the first multifunctional telemedical diagnostic complex that utilizes the achievements of Russian micro-visional and video-endoscopic techniques in combination with up-to-date computer and telecommunication technologies
Микровизионная цифровая система мультиспектральных исследований обеспечивает формирование и визуализацию микроизображений биотканей и медицинских препаратов.
Видеоэндоскопическая система предназначена для проведения эндоскопических обследований желудочно-кишечного тракта с обеспечением формирования и визуализации эндоскопических изображений, документирования и архивирования данных.
Сетевая система служит для документирования и архивирования данных, сжатия информации для передачи по телекоммуникационным каналам, анализа микроизображений при комплексном использовании данных, содержащихся в изображениях различного вида, на основе применения компьютерных технологий. Эта система совместима с современными видеотелеконференционными системами, что открывает возможность проведения консультаций и консилиумов, высокопроизводительного обмена медицинскими данными в локальных, региональных и глобальных телекоммуникационных сетях.
Описание систем комплекса
Микровизионную систему цифрового диагностического комплекса можно характеризовать как систему «все в одном», включающую цифровой микроскоп, анализатор изображения и компьютер с сетевым интерфейсом в одном корпусе. Эта система способна функционировать как в ручном, так и в автоматическом режиме, обеспечивает возможность автоматической работы с образцами (сканирование по полю, автоматическая фокусировка, смена методов освещения) по заданной программе, сохранение локальной копии результатов микроскопического исследования, возможность заполнения электронной истории болезни на месте или ее интеграцию в существующие медицинские информационные системы типа «электронный госпиталь». Микровизионная система предоставляет возможность дистанционного доступа к изображениям и функциям управления для удаленных пользователей, работающих в локальной сети или через веб-интерфейс.
Основным компонентом микровизионной системы является оптико-цифровой анализатор микроизображений (ОЦАМ). Он представляет собой полностью автоматизированный люминесцентный микровизор со встроенным интегрированным блоком управления на базе персонального компьютера и подключенных к нему контроллеров управления исполнительными механизмами с обратной связью. ОЦАМ обеспечивает проведение микроскопических исследований в режиме наблюдения люминесценции в видимом и ближнем ИК-диапазонах спектра, а также методами светлого поля в проходящем, отраженном свете и в условиях одновременного освещения объектов наблюдения проходящим и отраженным светом видимого спектра.
Для работы в автоматическом режиме ОЦАМ содержит следующие управляемые моторизованные устройства перемещения: двухкоординатный предметный стол, фокусировочный механизм, блок светофильтров проходящего света, диафрагму осветителя проходящего света, револьвер с объективами, блок светоделительных модулей отраженного света, узел включения ИК-канала осветителя отраженного света, узел включения светодиодного осветителя отраженного света, заслонку и устройство перемещения коллектора ртутной лампы.
В режиме дистанционного управления основными функциями ОЦАМ поддерживает сетевой протокол TCP/IP.
Благодаря программному обеспечению ОЦАМ осуществляется регистрация микроизображений, включая построение панорамных X-Y-изо бражений с автоматической сшивкой границ полей и Z-сканирование c записью изображений в режиме «глубокого фокуса», а также их предварительная обработка, компрессия и передача для архивирования в сетевую систему комплекса. Для получения микроизображений с наилучшим качеством про грам мное обеспечение ОЦАМ реализует автоматическую оценку контраста и резкости цифровых изображений, а также поддерживает режим автоматической фокусировки, алгоритмы и основные параметры которых исследованы в работах [2–4].
Видеоэндоскопическая система цифрового диагностического комплекса служит в качестве рабочего места врача-эндоскописта и включает установленные на приборной эндоскопической стойке видеоэндоскоп с комплектом инструмента, осветительный блок, блок управления, а также видеомонитор и персональный компьютер с программным обеспечением.
Видеоэндоскопическая система создана с применением ряда новых технических решений, направленных в первую очередь на повышение качества изображения, а также на улучшение потребительских свойств и эксплуатационных характеристик. В качестве приемника изображения в видеоэндоскопе используется цветная ПЗС-матрица формата 1/6´´ с размером пикселя 3,275 × 3,150 мкм, для которой разработан новый объектив2 с угловым полем зрения 140°. Этот объектив обеспечивает высокое качество цветного изображения объекта по всему полю без перефокусировки в диапазоне рабочих расстояний от 3 до 100 мм, распределения освещенности по полю изображения (неравномерность освещенности не превышает 25 %).
На рис. 2 показана оптическая схема объектива, а в табл. 1 приведены расчетные значения коэффициента передачи контраста изображения для различных рабочих расстояний и пространственных частот.
Таблица 1. Расчетные значения коэффициента передачи контраста изображения
Table 1. Contrast transfer design coefficient value
Рабочее расстояние, мм / Operative distance, mm | Расчетное значение коэффициента передачи контраста для центра поля на пространственной частоте / Contrast transfer design coefficient value for field center at spatial frequency | ||
40 мм–1 | 50 мм–1 | 110 мм–1 | |
3 | 0,50 | 0,38 | – |
4,5 | – | 0,61 | – |
12 | – | 0,59 | 0,27 |
100 | – | 0,65 | 0,33 |
Рис. 2. Оптическая схема объектива видеоэндоскопа
Fig. 2. Video-endoscope objective optical scheme
Кроме этого, конструкция механизма управления изгибаемой частью видеоэндоскопа и тормозных устройств выполнена герметичной, улучшены эргономические характеристики проксимальной части и рукояток управления, форма всех элементов конструкции обеспечивает комфортные условия работы для врачей с различными антропометрическими данными. В осветительном канале видеоэндоскопической системы предусмотрено светодиодное освещение. Требуемая освещенность достигнута путем применения в качестве источника света сверхъяркого белого светодиода, широкоугольных осветительных линз и волоконно-оптических жгутов с повышенным пропусканием (рис. 3).
Рис. 3. Оптическая схема оптико-цифрового анализатора микроизображений: 1 — блок сменных микрообъективов; 2 — блок спектроделителей; 3 — блок фотоприемников; 4 — светодиодный осветитель проходящего света; 5 — осветительный модуль ртутной лампы; 6 — светодиодный осветитель отраженного света; 7 — лазерный осветительный модуль
Fig. 3. Optical digital micro-image analyzer optical scheme: 1 – changeable micro-objectives block; 2 – spectro-diviser block; 3 – photo-receiver block; 4 – transmitted light LED; 5 – Hg-lamp lighthead, 6 – reflected light LED; 7 – laser lighthead
Блок управления видеоэндоскопической системой модернизирован с учетом требований улучшенного качества изображения и совместимости с сетевой системой комплекса. Для этого с помощью команд меню в блоке управления реализованы функции управления цветностью, четкостью и яркостью изображения. С целью оптимизации режима наблюдения в процессе эндоскопического обследования существует возможность изменять размер углового поля зрения объектива с помощью электронной маски и отображения стоп-кадра одновременно с видеоизображением (режим «картинка в картинке»). Связь с сетевой системой поддерживается по протоколу TCP/IP.
Таким образом, создан первый отечественный цифровой видеоэндоскоп для телемедицины, обеспечивающий возможность удаленного наблюдения за проведением эндоскопических процедур во время их выполнения.
Кроме важных с точки зрения медицинского применения функций диагностики, выполняемых микровизионной и видеоэндоскопической системами, для решения телемедицинских задач цифровые диагностические комплексы включают сетевую систему. Эта система представляет собой программно-аппаратный комплекс, развернутый на базе сервера НP ProLiant ML150 G6 и поддерживающий программные средства для управления базой данных диагностических исследований, поступающих на сервер с диагностических систем комплекса по протоколу DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine — отраслевой стандарт создания, хранения, передачи и визуализации медицинских изображений и документов обследованных пациентов). Достоверность диагностики по наблюдаемым изображениям обеспечивается включением в программный комплекс сетевой системы ряда оригинальных компьютерных программ для обработки медицинских изображений [1, 6]. Сетевая система цифрового диагностического комплекса является открытой информационной системой, способной поддерживать программные продукты других производителей. С ее помощью удаленные пользователи, находящиеся как в локальной сети комплекса, так и вне ее, при условии авторизации могут получить доступ к функциям управления микровизионной системой, наблюдению за потоковым видео, поступающим с выхода видеоэндоскопической системы, а также к персональным электронным медицинским записям пациентов, хранящихся в базе данных диагностических исследований. Возможность подключения к сети Интернет, телекоммуникационные функции собственно сетевой системы определяют жесткие требования по защите персональных данных и информационной безопасности комплекса в целом.
Заключение
В результате работы над совместным проектом АО «ЛОМО» и СПбНИУ «ИТМО» разработан первый отечественный высокотехнологичный комплекс оптико-цифровой диагностики для телемедицины. Комплекс предназначен для проведения клинических и лабораторных исследований и решения актуальной задачи повышения качества медицинского обслуживания широких слоев населения России, в том числе проживающего на территориях, удаленных от современных диагностических центров. Открытая сетевая архитектура предусматривает расширение области применения комплекса в медицинской практике за счет включения в его состав новых диагностических средств (рис. 4).
Рис. 4. Внешний вид оптико-цифрового анализатора микроизображений
Fig. 4. Micro-image optical digital analyzer
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
Об авторах
Александр Михайлович Аронов
АО «ЛОМО»
Автор, ответственный за переписку.
Email: lomo@lomo.sp.ru
д-р техн. наук, профессор, генеральный директор
Россия, Санкт-ПетербургВладимир Леонидович Пастушенко
АО «ЛОМО»
Email: lomo@lomo.sp.ru
д-р мед. наук, профессор, советник генерального директора
Россия, Санкт-ПетербургДмитрий Олегович Иванов
ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский университет» Минздрава России
Email: doivanov@yandex.ru
д-р мед. наук, профессор, ректор
Россия, Санкт-ПетербургЯрослав Вадимович Рудин
Институт оптико-цифровых систем Университета ИТМО
Email: yaroslav-r@mail.ru
канд. тех. наук., доцент, директор
Россия, Санкт-ПетербургАлексей Никонорович Дрыгин
ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский университет» Минздрава России
Email: 9112286592@mail.ru
д-р мед. наук, профессор, заведующий, научно-исследовательский центр
Россия, Санкт-ПетербургСписок литературы
- Аверкин А.Н., Потапов А.С. Применение метода восстановления глубины из фокусировки для микроскопических изображений // Оптический журнал. - 2011. - Т. 78. - № 11. - С. 52-59. [Averkin AN, Potapov AS. Using the method of depth reconstruction from focusing for microscope images. Opticheskiy zhurnal. 2011;78(11):52-59. (In Russ.)]
- Беззубик В.В., Белашенков Н.Р., Устинов С.Н. Оптимизация алгоритмов автофокусировки цифрового микроскопа // Оптический журнал. - 2009. - Т. 76. - № 10. - С. 16-22. [Bezzubik VV, Belashenkov NR, Ustinov SN. Optimization of algorithms for autofocusing a digital microscope. Opticheskiy zhurnal. 2009;76(10):16-22. (In Russ.)]
- Белашенков Н.Р., Беззубик В.В., Никифоров В.О. Анализ влияния дефокусировки и шума на качество цифрового изображения // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. - 2011. - № 6. - С. 59-64. [Belashenkov NR, Bezzubik VV, Nikiforov VO. Analysis of blur and noise influence on digital image quality. Nauchno-tekhnicheskiy vestnik Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo universiteta informatsionnykh tekhnologiy, mekhaniki i optiki. 2011;(6): 59-64. (In Russ.)]
- Белашенков Н.Р., Беззубик В.В., Никифоров В.О. Метод количественной оценки контраста цифрового изображения // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. - 2010. - № 6. - С. 86-88. [Belashenkov NR, Bezzubik VV, Nikiforov VO. Quantitative estimation method of digital image contrast. Nauchno-tekhnicheskiy vestnik Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo universiteta informatsionnykh tekhnologiy, mekhaniki i optiki. 2010;(6):86-88. (In Russ.)]
- Белашенков Н.Р., Калинина Т.Ф., Лопатин А.И., и др. Микровизоры - новое поколение цифровых микроскопов // Оптический журнал. - 2009. - Т. 76. - № 10. - С. 52-57. [Belashenkov NR, Kalinina TF, Lopatin AI, et al. Microviewers - the next generation of digital microscopes. Opticheskiy zhurnal. 2009;76(10):52-57. (In Russ.)]
- Дырнаев А.В. Метод подсчета эритроцитов на изображениях мазков крови // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. - 2011. - № 2. - С. 17-22. [Dyrnaev AV. Red cells count method on blood smears images. Nauchno-tekhnicheskiy vestnik Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo universiteta informatsionnykh tekhnologiy, mekhaniki i optiki. 2011;(2):17-22. (In Russ.)]
- Falconer J, Giles W, Villanueva H. Realtime ultrasound diagnosis over a wide-area network (WAN) using off-the-shelf components. J Telemed Telecare. 1997;3 Suppl 1:28-30. doi: 10.1258/1357633971930265.
- Thrall JH, Boland G. Telemedicine in practice. Semin Nucl Med. 1998;28(2):145-157. doi: 10.1016/s0001-2998(98)80004-4.
- Tsagaris MJ, Papavassiliou MV, Chatzipantazi PD, et al. The contribution of telemedicine to cardiology. J Telemed Telecare. 1997;3 Suppl 1:63-64. doi: 10.1258/1357633971930418.
Дополнительные файлы
