Современные аспекты внедрения в лечебную практику и учебный процесс инновационных медицинских визуализационных цифровых технологий

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-Петербург

Владимир Леонидович Пастушенко

АО «ЛОМО»

Email: lomo@lomo.sp.ru

д-р мед. наук, профессор, советник генерального директора

Россия, Санкт-Петербург

Дмитрий Олегович Иванов

ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский университет» Минздрава России

Email: doivanov@yandex.ru

д-р мед. наук, профессор, ректор

Россия, Санкт-Петербург

Ярослав Вадимович Рудин

Институт оптико-цифровых систем Университета ИТМО

Email: yaroslav-r@mail.ru

канд. тех. наук., доцент, директор

Россия, Санкт-Петербург

Алексей 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-Петербург

Список литературы

Дополнительные файлы