Диагностический оптико-цифровой комплекс для телемедицины

8 Октября 2015
Н.Р. Белашенков, ОАО «ЛОМО» (Санкт-Петербург)
Приведены результаты разработки и характеристики оптико-цифрового комплекса, обеспечивающего автоматическое формирование, регистрацию и обработку изображений биомедицинских объектов в целях неинвазивной диагностики на основе методов цифровой микроскопии и эндоскопии. Комплекс обеспечивает сбор, предварительный анализ и сжатие видеоинформации для передачи по телекоммуникационным каналам.
Диагностический оптико-цифровой комплекс для телемедицины

Приведены результаты разработки и характеристики оптико-цифрового комплекса, обеспечивающего автоматическое формирование, регистрацию и обработку изображений биомедицинских объектов в целях неинвазивной диагностики на основе методов цифровой микроскопии и эндоскопии. Комплекс обеспечивает сбор, предварительный анализ и сжатие видеоинформации для передачи по телекоммуникационным каналам.

Совместный проект Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО) и ОАО «ЛОМО» в рамках реализации постановления правительства РФ от 9 апреля 2010 г. № 218 посвящен разработке и созданию высокотехнологичного производства оптико-цифрового диагностического комплекса для телемедицины.
За рубежом 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. По данным 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. В числе главных задач, стоящих перед современной телемедициной, – развитие методов медицинской информатики, стандартизация регистрации и формализации медицинских данных. Для решения этих задач необходимо создать и внедрить в медицинскую практику алгоритмы сжатия информации, определить стандартные формы обмена информацией как на уровне исходных данных, так и на уровне истории болезни.
В России телемедицинские 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, 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. В целом, однако, отечественное аппаратное обеспечение телемедицины отстает от мирового уровня, что связано с отсутствием специального оборудования для клинической и лабораторной диагностики.
Целью разработки являлось создание первого отечественного многофункционального диагностического комплекса для телемедицины, использующего достижения микровизионной и видеоэндоскопической техники в сочетании с современными компьютерными и телекоммуникационными технологиями.

Назначение и состав комплекса
Развитие цифровых и компьютерных технологий во всех областях науки и техники послужило толчком к разработке автоматизированных медицинских систем. Одним из наиболее перспективных вариантов организации системы информационного обеспечения медицинской диагностики является создание комплексов оптико-цифровой диагностики для телемедицины (КОЦДТ). Подобные комплексы позволяют не только расширить функциональные возможности существующих методик, но и создать основу для разработки и внедрения новых перспективных медицинских технологий.
Основным назначением разрабатываемого комплекса является создание инфраструктурного базиса для развития телемедицинских услуг на основе открытой информационной технологии сетевого взаимодействия различных диагностических устройств. 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.
Хорошо известно, что успешное лечение многих заболеваний определяется в том числе точным и свое­временно поставленным диагнозом. Достоверность диагностики зависит от большого набора разнообразных факторов, в первую очередь от квалификации врача-диагноста. Однако только опыта и интуиции специалиста недостаточно, нужны точные методики и приборы, долговременный профессиональный мониторинг состояния здоровья человека и максимально возможно полная база данных разнообразных анализов.
Записи результатов обследования пациентов в виде бумажных историй болезни осуществлялись медиками на протяжении многих лет, но ограниченные возможности традиционных технологий хранения большого объема разнородных данных, а также их ранжирования в настоящее время совершенно очевидны.
Один из возможных ­вариантов структуры сетевого ­применения КОЦДТ представлен на рисунке 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 КОЦДТ включает в себя три функционально связанных системы.
Микровизионная система обеспечивает формирование и визуализацию микроизображений биотканей и биомедицинских 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 различных видов, на основе использования компьютерных технологий. Эта система совместима с современными системами для видеотелеконференций, что позволяет проводить консультации и консилиумы, осуществлять высокопроизводительный обмен медицинскими данными в локальных, региональных и глобальных телекоммуникационных сетях.

Описание систем комплекса
Микровизионную систему КОЦДТ можно охарактеризовать 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 режимах, 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 web-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. С помощью ОЦАМ возможно проведение микроскопических исследований в режиме наблюдения люминесценции в видимом и ближнем ИК-диапазонах спектра, а также с использованием методов светлого поля в проходящем, отраженном свете и в условиях одновременного освещения объектов наблюдения проходящим и отраженным светом видимого спектра.
Оптическая схема и внешний вид ОЦАМ представлены на рисунке 2.
Оптическая схема ОЦАМ состоит из наблюдательного канала, включающего набор планахроматических объективов (1) с 5, 10, 20 и 40-кратным увеличением, блока светоделительных модулей отраженного света (2), блока фотоприемников (3), включающего тубусные линзы, видеоадаптеры, высокочувствительную охлаждаемую видеокамеру с ПЗС матрицей формата 2/3» и обзорную видеокамеру с КМОП матрицей формата 1/3», осветительного модуля проходящего света (4), включающего белый светодиод мощностью 5 Вт, набор светофильтров и конденсор, и трех осветительных модулей отраженного света (5, 6 и 7), включающих ртутную лампу, белый светодиод мощностью 20 Вт и диодный ИК-лазер с длиной волны λ=956 нм соответственно.
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.
Программное обеспечение ОЦАМ позволяет регистрировать микроизображения, включая построение панорамных X-Y изображений с автоматической сшивкой границ полей и Z-сканирование c записью изображений в режиме «глубокого фокуса», а также их предварительную обработку, компрессию и передачу для архивирования в сетевую систему комплекса. Для получения микроизображений с наилучшим качеством программное обеспечение ОЦАМ реализует автоматическую оценку контраста и резкости цифровых изображений, а также обеспечивает режим автоматической фокусировки, алгоритмы и основные параметры которых хорошо исследованы.
Видеоэндоскопическая система КОЦДТ может использоваться как рабочее место врача-эндоскописта (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 применена цветная ПЗС матрица формата 1/6» с размером пикселя 3,275 х 3,150 мкм, для которой разработан новый объектив с угловым полем зрения 140о. Этот объектив обеспечивает высокое качество цветного изображения объекта по всему полю без перефокусировки в диапазоне рабочих расстояний от 3 до 100 мм. Распределение освещенности по полю изображения (неравномерность освещенности) не превышает 25%.
На рисунке 3 показана оптическая схема объектива, а в таблице приведены расчетные значения коэффициента передачи контраста изображения для различных рабочих расстояний и пространственных частот. 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 применено светодиодное освещение. Требуемая освещенность достигнута использованием в качестве источника света сверхъ­яркого белого светодиода, широкоугольных осветительных линз и волоконно-оптических жгутов с повышенной пропускной способностью лучей.
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. Для оптимизации режима наблюдения в процессе эндоскопического обследования обеспечены возможности изменения размера 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.
В результате этого 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, возложенных на микровизионную и видеоэндоскопическую системы, для решения телемедицинских задач КОЦДТ включает 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. Сетевая система КОЦДТ 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 потокового видео, поступающего с выхода видеоэндоскопической системы, а также к персональным электронным медицинским записям пациентов, хранящимся 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.

Результат проекта
ОАО «ЛОМО» и НИУ ИТМО разработали 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 удаленных территориях – вдали от современных диагностических центров. Открытая сетевая архитектура открывает перспективы расширения области применения комплекса в медицинской практике за счет включения в его состав новых диагностических средств.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ.