Введение к работе
Актуальность работы
Трудно найти другую область лазерной медицины, успехи в которой за почти полувековой период развития лазерной техники были бы сравнимы с достижениями в области офтальмологии. Это, прежде всего, фантастические результаты в области хирургии, терапии и диагностики. Эти результаты стали возможными благодаря последним достижениям в квантовой электронике, в частности, создания лазерных излучателей специально предназначенных для решения задач офтальмологии. Однако, если раньше акцент делался на использовании твердотельных и газовых лазеров, то в настоящее время требуется существенно модифицировать полупроводниковые лазерные излучатели, обеспечить малую расходимость излучения для решения актуальных вопросов доставки лазерного излучения, его концентрации или получения равномерного освещения тканей глазного дна.
Лазерные офтальмологические комплексы должны быть оснащены не только современными лазерными излучателями, но и использовать возможности современной компьютерной техники для создания интеллектуальных систем офтальмоскопии.
Достижения в области офтальмоскопии являются несоизмеримыми и представляются куда более скромными. По-прежнему, врач вынужден визуально оценивать состояние тканей глазного дна при постановке диагноза. Этот дисбаланс становится все более нетерпимым в условиях возрастания потребностей в создании информационных интеллектуальных систем, приближающихся по возможностям к человеку. В развитых странах наметился значительный рост публикаций и финансирования в направлении ликвидации этого противоречия.
Все большее распространение получают системы автоматизированно-
го ввода офтальмоскопической информации через различные типы сканеров, а также цифровых фото- и видеокамер. При этом по разрешающей способности такие системы ввода вполне приближаются к зрению человека, а с учетом быстродействия ближайшей технической моделью глаза, очевидно, являются видео- и цифровые фотокамеры. Так ПЗС матрица цифровой фотокамеры обеспечивает разрешение до 3 млн. пикселей на кадр.
Тем не менее, возможности интеллектуального анализа изображений с помощью компьютеров оставляют желать большего. Необходимость углубленной их обработки и распознавания требуют, по крайней мере, две области приложений:
мониторинг изменений состояния тканей глазного дна в процессе лазерной хирургии и терапии
экспертные системы диагностики.
Интеллектуальные информационные системы, снабженные компьютерным зрением позволят сравнительно быстро определять дозы лазерного излучения в процессе проведения терапии или хирургии, определять зоны необходимого воздействия лазерного излучения, регистрировать в реальном масштабе времени изменения в тканях глазного дна, контролировать отдаленные последствия проведенных лазерных воздействий, а также обеспечивать диагностику и идентификацию патологических образований. Экспертные системы, опирающиеся на базы данных, включающие изображения патологических образований, для поиска и распознавания патологий требуют быстрого и надежного анализа оцифрованной видеоинформации в специализированных архивах изображений офтальмологических центров либо в базах Интернет.
Таким образом, назрела необходимость разработки лазерной офтальмологической аппаратуры, позволяющей комплексно решить ряд задач от разработки новых лазерных излучателей до создания аппаратно
программных средств анализа офтальмологической информации.
Цель диссертационной работы;
Модернизация лазерных полупроводниковых излучателей для комплекса офтальмологической аппаратуры, проведение теоретических и экспериментальных исследований по разработке методов обработки лазерноинду-цированных и цветных изображений биологических тканей глазного дна, которые позволили бы определить наличие патологии, выявить ее локализацию и, одновременно с этим провести оценку состояния тканей в ее глубине.
Задачи исследований;
Модернизация лазерных полупроводниковых излучателей для комплекса офтальмологической аппаратуры
Разработка математической модели распространения лазерного излучения и излучения флуоресценции в биологических тканях глазного дна.
Разработка математической модели формирования цветного изображения тканей глазного дна с учетом неоднородного распределения оптических характеристик тканей: коэффициентов рассеяния, поглощения и фактора анизотропии рассеяния.
Разработка методов анализа флуоресцентных и цветных изображений, позволяющих выявить достоверные диагностические критерии наличия патологических областей.
Разработка методов количественной оценки степени патологии тканей, определения ее границ.
Проведение экспериментальных и клинических исследований по верификации разработанных математических моделей и оценки чувствительности и специфичности разработанных информационных технологий.
Научная новизна работы:
Разработаны новые принципы построения инжекционных лазерных излучателей, использующих эффект нарушенного Френелевского отражения
Предложены новые схемы построения инжекционных лазерных излучателей, использующих эффект нарушенного Френелевского отражения, обладающие высокими селектирующими свойствами диэлектрических резонаторов
Предложены новые схемы построения систем когерентного сложения излучения нескольких инжекционных лазеров, использующих эффект нарушенного Френелевского отражения
Разработана математическая модель распространения лазерного излучения и излучения флуоресценции в биологических тканях глазного дна, позволяющая учесть пространственную неоднородность оптических свойств тканей. Проведено моделирование распространения лазерного излучения и излучения флуоресценции в биологических тканях глазного дна. Показано, что использование модели слоистой структуры тканей, в которых основными поглотителями являются меланин и гемоглобин крови, позволяет предсказать основные оптические характеристики диффузного рассеяния от тканей глазного дна.
Впервые разработана математическая модель формирования цветного изображения тканей глазного дна с учетом неоднородного распределения оптических характеристик тканей: коэффициентов рассеяния, поглощения и фактора анизотропии рассеяния. Проведено моделирование формирования цветного изображения тканей. Установлено, что основными поглотителями, определяющими цвет тканей глазного дна, являются меланин и гемоглобин крови.
Найдены информационные параметры, позволяющие выявить достоверные диагностические критерии наличия патологических областей: изменение формы и положения на диаграмме коэффициентов цветности результатов преобразования цветного изображения, изменение скорости нарастания интенсивности флуоресценции при флуоресцентной ангиографии.
Разработаны новые методы анализа и синтеза цветных и лазерно индуцированных флуоресцентных изображений. Показано, что корреляционные методы оценки распределений коэффициентов цветности позволяют находить границы и локализовать расположение патологических областей на изображениях глазного дна с более высокой чувствительностью и специфичностью по сравнению с другими методами.
Впервые проведены экспериментальные и клинические исследования по верификации разработанных математических моделей, оценки чувствительности и специфичности разработанных информационных технологий. Показано, что разработанные методы анализа цвета, могут быть использованы для диагностики заболеваний и оценки динамики лечения. Установлено, что скорость нарастания и характер временного изменения интенсивности флуоресценции также могут быть использованы для диагностики заболеваний и оценки динамики лечения.
Практическая ценность и внедрение результатов работы;
В диссертационной работе решена важная научно-техническая и прикладная задача разработки лазерного аппаратно-программного офтальмологического комплекса. Предложены и практически реализованы:
новые схемы диэлектрических резонаторов инжекционных лазеров и методы оценки их селективных свойств
новые информационные критерии оценки и мониторинга измене-
ния оптических характеристик тканей глазного дна
новые методики, алгоритмы и программы расчета распространения лазерного излучения в оптически неоднородных, рассеивающих тканях глазного дна
новые методики, алгоритмы и программы расчета формирования цвета изображения тканей глазного дна
новые методики, алгоритмы и программы синтеза цветных ангио-графических изображений.
Основные результаты диссертационной работы внедрены в ГУ НИИ Глазных Болезней РАМН РФ и в учебный процесс МИРЭА.
Положения, выносимые на защиту:
Диэлектрические резонаторы инжекционных лазеров могут быть модернизированы без нарушения технологии их изготовления с помощью использования эффектов нарушенного Френелевского отражения
Используя селективные свойства модернизированных инжекционных лазеров, можно получать одномодовое излучение, требуемое для офтальмологических комплексов
Формирование цветного изображения в офтальмологическом комплексе с помощью трехцветного лазерного источника излучения создает для пациентов более комфортные условия проведения офтальмологической диагностики
Цветное изображение глазного дна обладает достаточной информационной емкостью для проведения диагностики заболеваний и мониторинга процесса лечения
Корреляционные методы анализа цвета являются наиболее чувствительными к изменению картины распределения цвета
6. Синтез цветного изображения из ангиографических флуоресцентных изображений позволяет оценивать динамику кровеснабжения тканей глазного дна. Анализ синтезированных цветных ангиографических изображений корреляционными методами позволяет проводить диагностику заболеваний и мониторинг процесса лечения
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях:
ILLA/LTL '2003 VIII International Conference "Laser and Laser-Information Technologies", Smolyan, Bulgaria, September27- October 01, 2003
Международной научно-практической конференции «Лазерные технологии в медицинской науке и практическом здравоохранении», Москва, 7-8 октября 2004г.
IV Международной научно-технической конференции "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения" INTERMATIC-2005
IV Евро-азиатской конференции по офтальмохирургии Екатеринбург 25-27 апреля 2006г.
Публикации
Основные результаты работы опубликованы в 8 печатных работах.
Объем и структура диссертации