Содержание к диссертации
Введение
Аппаратной части лазерного офтальмологического комплекса
2.1 Разработка лазерных излучателей
2.1.1 Разработка требований к лазерным излучателям
2.1.2 Модернизация инжекцнонных лазерных диодов
2.2 Разработка лазерного офтальмологического комплекса
2.2.1 Комплекс для получения и анализа лазерно-индуцированных и цветных изображении глазного дна
2.2.2 Комплекс дли получения цветных изображений сетчатки с помощью лазерного излучения
2.2.3 Комплекс для получения лазерно-мндуцнрованных флуоресцентных изображений глазного дна
Разработка программной части лазерною офтальмологического комплекса
3.1 Разработка математических моделей распространения лазерного излучения
3.2 Разработка математических моделей формирования цветного изображения
3.2.1 Моделирование формирования цветного изображения
3.2.2 Моделирование изменения цвета ткани после лазерного облучения
Разработка информационных технологий анализа и синтеза лазерно-индуцированных и цветных изображений тканей глазного дна
4.1 Информационные критерии, используемые при диагностике патологий па изображениях тканей глазного дна
4.2 Разработка информационных технологий анализа лазерно-индуцированных и
цветных изображений тканей глазного дна 4 J Разработка информационных технолої ий синтеза лазерно-индуцированных и
цветных изображений тканей глазного дна Заключение
Список использованной литературы и авторских публикаций
- Разработка лазерных излучателей
- Комплекс для получения лазерно-мндуцнрованных флуоресцентных изображений глазного дна
- Разработка математических моделей распространения лазерного излучения
- Информационные критерии, используемые при диагностике патологий па изображениях тканей глазного дна
Введение к работе
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, прежде всего фотодинамической диагностики и терапии. Долгое время в мировой практике самым распространенным для зтих целей оставался лазер на красителе с накачкой арюновым лазером Затем для накачки стали использовать лазеры на парах металлов, например, лазер накачки на парах меди Данные лазерные системы были громоздкими, требовали мощного трехфазного питания, водяного охлаждения и имели высокую стоимость Им на смену пришли лазеры на парах золота, генерирующие свет с длиной волны 628 им. В текущем десятилетии в лазерах на красителях в качестве лазера накачки стали использовать КТР-лазер Это довольно широко применяемый в хирургии и хорошо известный высокоэнергетический YAG-Nd лазер с длиной волны излучения 1064 им. За счет удвоения частоты используют зеленый свет с длиной волны 532 им. Для приспособления этого серийного хирургического лазера для целей офтальмологической фотодинамической терапии потребовалось дополнение его модулем с красителем, обеспечивающим требуемую перестраиваемую длину волны света Менее громоздкий и более удобный для клинического применения лазер на красителе с накачкой КТР-лазером оставался дороїим. Наконец, новым этапом в развитии лазерной техники для фотодинамической терапии явилось появление компактных недорогих диодных лазеров. Диодные лазеры обеспечивают адекватную для целей офтальмологической фотодинамической терапии плотность мощности Однако, для создания недорогих, компактных офтальмологических комплексов требуется создать одномодовые лазерные диоды не только адекватной мощности для генерации излучения с длиной волны 630 нм, по и лазерные диоды, обладающие малой расходимостью излучения Это одна из наиболее актуальных задач.
Лазерные офтальмолоіические комплексы должны быть оснащены не только современными лазерными излучателями, по и использовать возможности современной компьютерной техники для создания интеллектуальных систем офтальмоскопии.
Достижения в области офтальмоскопии являются несоизмеримыми и представляю і ся 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 зтої о противоречия. Все большее распространение получают системы автоматизированного ввода офтальмоскопической информации через различные тины сканеров, а также цифровых фого- и видеокамер При этом но 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 ГІЗС матрица цифровой фотокамеры обеспечивает разрешение до 3 млн. пикселей на кадр
Тем не менее, возможности интеллектуального анализа изображений с помощью компьюіеров 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 н 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 надежною анализа оцифрованной видеоинформации в специализированных архивах изображений офтальмологических центров либо в базах Интернет.
Цель диссертационной работы:
Разработка принципов создания лазерных полупроводниковых излучателей, обладающих малой расходимостью, для офтальмологических комплексов
Проведение теоретических и экспериментальных исследований по разработке методов обработки лазерно индуцированных 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:
1. Разработка принципов создания одномодовых полупроводниковых лазеров, обладающих малой расходимостью излучения
1 Разработка математической модели распространения лазерного излучения и излучения флуоресценции в биологических тканях глазного дна. 3 Разработка математической модели формирования цветною изображения тканей глазного дна с учетом неоднородного распределения оптических характеристик тканей коэффициентов рассеяния, HOI лощения и фактора анизотропии рассеяния.
4. Разработка методов анализа флуоресцентных и цветных изображений, позволяющих выявить достоверные диагностические критерии наличия патологических областей
5. Разработка методов количественной оценки степени патологии тканей, определения ее границ
6. Проведение экспериментальных и клинических исследований по верификации разработанных математических моделей и оценки чувствительности и специфичности разработанных информационных технологий.
Научили 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 диффузної о рассеяния от тканей глазною 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 диамюстические критерии наличия патологических областей, изменение формы и положения на диаірамме 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 пшюты:
В диссертационной работе решена важная научно-техническая и прикладная задача разработки лазерного офтальмологического аппаратно-программного комплекса и информационных технологий анализа и синтеза лазерно-индуцированных флуоресцентных и цветных изображений тканей глазного дна Предложены и практически реализованы:
• новые схемы диэлектрических резонаторов инжекционных лазеров и методы оценки их селективных свойств
• новые информационные критерии оценки и мониториша изменения оптических характеристик тканей глазного дна
• новые методики, алгоритмы и программы расчета распространения лазерного излучения в оптически неоднородных, рассеивающих тканях глазного дна
• новые методики, алюритмы и программы расчета формирования цвета изображения тканей глазного дна
• новые методики, алгоритмы и программы синтеза цветных этнографических изображений
• Основные результаты диссертационной работы внедрены в НИИ Глазных Болезней РАМН РФ и в учебный процесс МИРЭА.
Положения, выносимые на защиту: 1 Диэлектрические резонаторы инжекционных лазеров могут быть модернизированы без нарушения технологии их изготовления с помощью использования эффектов нарушенного Френелевского отражения
2 Используя селективные свойства модернизированных инжекционных лазеров, можно получать одномодовое излучение, требуемое для офтальмолої ических комплексов
3. Формирование цветного изображения в офтальмологическом комплексе с помощью трехцветного лазерного источника излучения создает для пациентов более комфортные условия проведения офтальмологической диагностики
4. Цветное изображение глазного дна обладает достаточной информационной емкостью для проведения диагностики заболеваний и мониторинга процесса лечения
5 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
7. Фотодинамическая лазерная диагностика и терапия являются наиболее перспективными методами диагностики и лечения многих заболеваний тканей глазного дна, включая онкологические заболевания.
Краткая аннотация по главам
Первая глава посвящена разработке аппаратной части лазерного офтальмологическою комплекса
Сформулирован перечень задач и основные технические требования к аппаратуре, реализующей новые информационные технологии. Требования касаются прежде всего источника лазерного излучения.
Показано, что терапевтическое применение лазеров при лечении заболеваний тканей глазного дна развивается в трех направлениях: фотодинамическая терапия, гипертермическая лазерная терапия, коагуляционная лазерная терапия.
Излагаются основные физические принципы и технические решения построения лазерных диагностических и терапевтических комплексов аппаратуры, предназначенной для исследования оптических свойств тканей глазного дна и проведения лазерной фотодипамической терапии
Разработан новый принцип построения лазерных инжекционных излучателей, основанный на использовании для улучшения пространственно-частотных свойств основного диэлектрическою резонатора эффекта, названного нарушенным Френелевским отражением, по аналогии с известным эффектом нарушенного полного внутреннего отражения. Показано, что с помощью нарушенного Френелевского отражения легко сформировать в резонаторе практически Гауссовы пучки излучения.
Найти точные решения для диэлектрического резонатора с границами раздела сред, у которых нарушено отражение за счет контакта с другими диэлектрическими резонаторами или волноводами, в аналитической форме практически невозможно. Поэтому проведены приближенные оценки селективных свойств таких резонаторов Их проведение основано на анализе поведения зависимостей коэффициентов отражения и пропускания границ раздела сред с нарушенным отражением от пространственной поперечной координаты, уїла падения волны, размера получаемой «мягкой диафрагмы», а также на поведении собственных функций и собственных чисел невозмушенных диэлектрических резонаторов.
Рассмотрены различные варианты построения одномодовых инжекционных лазеров и проведены оценки селективных свойств использованных резонаторов.
В работе рекомендован альтернативный способ освещения - освещение с помощью высоконаправленного лазерного излучения с размером поперечного сечения лазерного пучка гораздо меньшего размера входного отверстия зрачка.
Цветные изображения рекомендовано получать с помощью трех лазеров газовою лазера на ионах арі она с длиной волны излучения 488 им, ихчучения 532 им - второй гармоники твердотельного YAG лазера и полупроводникового диодного лазера с длиной волны излучения 670 нм.
Вторая глава посвящена разработке проірамшюй части лазерною офтальмолоіи-ческого комплекса.
Программная часть комплекса базируется на разработке математических моделей распространения лазерного излучения в биологических тканях глазною дна, разработке маїематических моделей формирования цветного изображения и моделированию распространения лазерного излучения и формирования цветного изображения тканей глазною дна
В использованной модели распространения лазерного излучения биолої ическая среда моделируется трехмерной структурой оптически связанных областей с уникальными оптическими свойствами каждой области, когда учитываются эффекты многократною рассеяния света не только между соседними, но и всеми областями.
Теоретическое рассмотрение распространения оптического излучения в сильно рассеивающих биологических средах дополнено компьютерной моделью численною расчета.
Математическая модель формирования цветного изображения учитываег спектральное распределение падающего освещающего излучения, распределение оптических параметров тканей глазного дна, спектральные характеристики приемного тракта аппаратуры регистрации К оптическим параметрам, которые учтены при расчетах, относятся толщины слоев, концентрации основных поілотителей, показатели поглощения и рассеяния, фактор анизотропии рассеяния.
Проведено моделирование формирования цветного изображения и изменения цвета тканей глазного дна при изменениях содержания меланина, концентрации окси и деокси гемоглобина в крови и изменения оптических характеристик тканей.
Продемонстрирован эффект изменения цвета ткани после воздействия терапевтического лазерною излучения, связанный с изменением степени оксигенации крови при различных концентрациях основных поглотителей меланина и гемоглобина.
Третья глава диссертации посвящена разработке информационных технологий анализа и синтеза лазернс-индуцированных и цветных изображений тканей глазного дна
На основе анализа литературных данных по офтальмоскопии выявлены диапюстические критерии определения патологических областей тканей глазного дна
Обсуждены пути повышения эффективности офтальмоскопических исследований связанные с внедрением компьютерных аналитических систем, обладающих способностью моделировать процедуру клинической диаиюстики, проводимую экспертом-человеком
Показана актуальность исследований и перспективность разработок новых информационных технологий.
Разработаны новые информационные технологии:
• сегментации изображения областей патологических тканей при лазерной терапии, в том числе с помощью корреляционного анализа
• коррекции цвета цветных изображений глазного дна
• нормирование цвета цветных изображений глазного дна
• синтез корреляционных цветных изображений
• оценки степени оксигенации крови и динамики лечения по изменению цвета изображений глазного дна
• оценки степени кровеснабжепия по скорости изменения интенсивности флуоресценции тканей глазного дна
Предложен подход к интерпретации цветных изображений глазною дна, основанный на том, что цвет ткани глазного дна отражает ее внутреннюю структуру и состав
Впервые разработаны методы цифровой фильтрация изображений, позволяющие проводить более тонкую фильтрацию, избирательно выделяя или подавляя на изображении заданные структуры тканей, когда в качестве параметра, характеризующего заданную структуру ткани, выбран ее цвет Разработан метод синтеза 3-D изображений, использованный для мониториша динамики лечения патологий тканей глазного дна
Разработаны методы анализа процессов кровоснабжения тканей глазною дна с помощью флуоресцентной ангиографии.
Для количественной оценки изменения пространственною распределения интенсивности флуоресценции предлагается синтезировать цветное изображение, іде каждой компоненте цвета соответствует флуоресцентное изображение, полученное в различное время.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Разработка лазерных излучателей
Современные достижения лазерной медицины в области хирургии, терапии и диаі поетики, прежде всего фотодинамической диагностики и терапии, особенно впечатляют в офтальмологии.
Фотодинамическая терапия (ФДТ) является принципиально новым методом лечения некоторых глазных патолоіий, в том числе злокачественных новообразований, основанным на использовании фотодинамического повреждения опухолевых клеток в ходе фотохимических реакций [21...26]. ФДТ - двухкомпонентный метод лечения Одним компонентом является фотосенсибилизатор, накапливающийся в опухоли и задерживающийся в ней дольше, чем в нормальных тканях. Другим компонентом ФДТ является световое воздействие. При локальном облучении опухоли светом определенной длины волны, соответствующей пику поглощения фот осене ибилизатора, в опухоли начинается фотохимическая реакция с образованием синглетного кислорода и кислородных свободных радикалов, оказывающих токсическое воздействие на опухолевые клетки. Опухоль резорбируется и постепенно замещается соединительной тканью.
Долі ос время в мировой практике самым распространенным для этих целей оставался аргоновый лазер и лазер на красителе с накачкой аргоновым лазером [123, 179] Затем для накачки стали использовать лазеры на парах металлов, например, лазер накачки на парах меди. Данные лазерные системы были громоздкими, требовали мощного трехфазного питания, водяного охлаждения и имели высокую стоимость. Им на смену пришли лазеры на парах золота, генерирующие свет с длиной волны 628 нм. В текущем десятилетии в лазерах на красителях в качестве лазера накачки стали использовать КТР-лазер Это довольно широко применяемый в хирургии и хорошо известный высокоэнергетический YAG-Nd лазер с длиной волны излучения 1064 нм. За счет удвоения частоты используют зеленый свет с длиной волны 532 нм. Д ія приспособления этого серийного хирургического лазера для целей офтальмологической фотодинамической терапии потребовалось дополнение его модулем с красителем, обеспечивающим требуемую перестраиваемую длину волны света. Менее громоздкий и более удобный для клинического применения лазер на красителе с накачкой КТР-лазсром оставался дорогим. Наконец, новым этапом в развитии лазерной техники для фотодинамической терапии явилось появление компактных недорогих диодных лазеров [57]. Диодные лазеры обеспечивают адекватную для целей офтальмологической фотодинамической терапии плотность мощности. Однако, для создания недорогих, компактных офтальмологических комплексов требуется создать одномодовые лазерные диоды не только адекватной мощности для генерации излучения с длиной волны 630 нм, но и лазерные диоды, обладающие малой расходимостью излучения Требовании к терапевтическим лазерам Терапевтическое применение лазеров при лечении заболеваний тканей глазного дна развивается в трех направлениях.
Фотодинамическая терапия
В поисках метода усиления терапевтического или повре/кдагощего действия на патолої ические ткани глазного дна, более глубокою проникновения лазерного излучения внутрь тканей внимание офтальмологов привлекли методы фотодинамической терапии [23, 121, 122] Принцип этою метода заключается в предварительном введении в кровяное русло того или иного фотосенсибилизатора в расчете на его избирательное накопление в патологически измененных тканях. Тогда этот фотосенсибилизаюр, флуоресцируя под действием лазерного излучения, будет служить с одной стороны для диагностики степени накопления препарата, т.е. степени патологии ткани и ее локализации, а с другой стороны, вступая в фотохимическую реакцию с патологически измененными тканями, будет оказывать избирательную терапию [40,44, 52, 54, 59,71].
Ассортимент фотосенсибилизаторов пока невелик. В клинической практике из порфириновых соединений чаще других использовался іематопорфирин. В США в последнее время в основном применяют фотофрин, а в России - фотосенс. Максимум поглощения для этнх фотосенсибилизаторов лежит в районе 0 63...0.65мкм. Для реализации принципов фотодинамической терапии необходимо выбрать лазер, длина волны излучения которого совпадает с длиной волны поглощения фотосенсибилизатора
Для более глубокого проникновения лазерного излучения внутрь тканей следует выбирать длину волны лазерного излучения в районе минимума поглощения излучения кровью, т е. в ближнем ИК диапазоне ( около 0 8мкм). Хотя в настоящее время разработаны фотосенсибилизаторы третьего поколения, работающие в этом диапазоне, однако они не прошли еще всех необходимых стадий испытаний и для них пока не получены разрешения на клиническое применение [136, 158],
Гипертермическая лазерная терапия [30,45, 131, 132, 157]
Нагревание биологической ткани до температуры превышающей 42...44 С0 приводит к нарушению метаболизма, а при дальнейшем повышении температуры к коагуляции и абляции тканей Гипертермия приводит к гипоксии, снижению рН и, в конечном счете, к некрозу тканей
В качестве источников нагрева тканей глазного дна используют лазеры, подбирая их длину волны излучения таким образом, чтобы обеспечить максимальную глубину проникновения лазерного излучения.
При использовании лазеров сине-зеленой области спектра, основным поглотителем лазерного излучения является кровь. Поглощение лазерного излучения и последующая гипертермия приводит к тромбозу сначала мелких артериол и венул, а затем и более крупных кровеносных сосудов Глубина проникновения лазерного излучения составляет доли миллиметра, то. лазерное тепловое воздействие простирается лишь на поверхностный слой ткани
При использовании лазеров ближней ИК области спектра, где поглощение кровью уменьшается, а поглощение воды еще не слишком велико, удается доставить излучение на глубину несколько миллиметров. Это диапазон длин волн порядка 0.8...0.9мкм.
Гак же, как и в случае фотодинамической терапии, при реализации методов гипертермии часто используют введение в кровь дополнительных поглотителей, которые избирательно накапливаются в патологически измененных тканях
В качестве источника прогрева тканей часто используют диодные лазеры с длиной волны SIOEIM.
Комплекс для получения лазерно-мндуцнрованных флуоресцентных изображений глазного дна
При создании аппаратуры, позволяющей проводить флуоресцентные исследования и фотодинамическое лечение глазных патологий, была использована стандартная щелевая лампа, которая была адаптирована для проведения фотодинамической диагностики и терапии Щелевая лампа была оснащена системой подачи лазерного излучения к патологическим очагам Была обеспечена возможность фокусировки лазерного излучения на поверхности глазного дна в пятно, диаметром 100 - 1000 мкм, а так же разработан видео адаптер, включающим в себя каналы формирования цветного и флуоресцентною изображений исследуемой поверхности. Структурная схема разработанной аппаратуры представлена на рис. 2.10.
Основным узлом стандартной щелевой лампы является микроскоп, дающий возможность увеличения исследуемой поверхности в диапазоне 5-36 крат Освещение исследуемой области осуществляется с помощью стандартною осветителя с встроенным галогеновым источником. Излучение лампы посредством конденсора, специальной щелевой диафрагмы и объектива формируется и направляется в глаз пациента с помощью призмы. Жесткое позиционирование осветителя относительно микроскопа щелевой лампы и центрирование световой щели относительно его линейного поля дают возможность освещения области, наблюдаемой в окуляры щелевой лампы. Система микроскоп- осветитель может перемещаться врачом с помощью стандартною манипулятора, за счет которого осуществляется плавная наводка на зону патологии в процессе проведения исследований.
Разработанные лазерный адаптер и видеоадаптер так же жестко закреплены с системой микроскопа таким образом, что фокусировка лазерною излучения лазерным адаптером осуществляется в фокусной плоскости микроскопа щелевой лампы, а фокусная плоскость каналов видеоадаптера совмещена с фокусной плоскостью микроскопа Положение сфокусированного лазерного пятна так же центрировано относительно линейного поля микроскопа щелевой лампы. Такое построение системы дает возможность контролировать облучаемый участок, как с помощью ПЗС матриц видеоадаптера, так и через стандартные окуляры щелевой лампы. Сформированные в каналах видеоадаптера цветное и флуоресцентное изображения исследуемой поверхности передаются в специально разработанную систему обработки и вывода изображений, которая работает в режиме реального времени на базе персонального компьютера.
Методика проведения ФД и ФДТ на разработанном комплексе осуществляется следующим образом. В диагностическом режиме осветитель облучает глазное дно пациента, а цветная видеокамера регистрирует рассеянное от пего излучение. Соответствующее изображение выводится на экран компьютера. комплекса для флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии глазных патологий [27]. Позиции: 1- лампа, 2 - концентратор, 3 - щель, 4 - барабан с набором фильтров, 5 -обойма с диагностической линзой, 6 - оптическая система формирования пятна, 7 - микроскоп, 8 - оптический блок для ПЗС матриц, 9 - набор фильтров для регистрации флуоресценции, 10 черно-белая ПЗС матрица, 11 - цветная ПЗС матрица, 12 - фильтр окуляр а, 13 - фильтр цветной матрицы, 14 - оптический канал черно-белой матрицы, 15 - оптический канал цветной матрицы. При этом излучение осветителя офтальмологического прибора благодаря наличию в нем фильтра не содержит компоненты, мешающей наблюдению флуоресценции Одновременно выходящее из адаптера излучение проходит расширитель пучка и облучает глазное дно пациента, вызывая флуоресценцию фотосенсибилизатора. Флуоресцентный сигнал через микроскоп попадает в видео анализатор, содержащую фильтр и поступает на высокочувствительную ПЗС матрицу. Фильтр обеспечивает пропускание только флуоресценции на высокочувствительную видеокамеру. При этом ни рассеянное от глазного дна лазерное излучение, ни излучение посторонней засветки (включая изучение осветителя) через данный фильтр практически не поступает. В то же время, благодаря наличию в системе специального фильтра рассеянное от глаза лазерное излучение оказывается практически незаметным в цветной матрице. Благодаря этому цветная матрица формирует в видеоканале цветное изображение исследуемой зоны глаза пациента, а высокочувствительная видеокамера -флуоресцентное изображение данного участка, распределение яркости в котором соответствует распределению фотосенсибилизатора в тканях и сосудах глаза. Сопоставляя эти два изображения, офтальмолог делает вывод о наличии патологических изменений в исследуемой области, их топографии, размерах.
В терапевтическом режиме гомогенизирующий элемент-расширитель пучка убирается, и выбранный патологический участок глазного дна облучается сфокусированным пучком лазерного излучения. При этом благодаря наличию фильтра высокочувствительная телекамера контролирует только интенсивность флуоресценции фотосенсибилизатора в облучаемом месте, поскольку рассеянное лазерное излучение на нее не проходит. Контроль изменения флуоресценции при терапевтическом облучении позволяет судить об интенсивности проходящих фотохимических реакций. Цветная ПЗС матрица в терапевтическом режиме регистрирует цветное изображение глазного дна и ослабленное по яркости не менее чем в 103. Это позволяет врачу судить о положении терапевтического лазерного пятна по цветному изображению, сформированному в соответствующем канале видеоанализатора.
Выводы.
Показано, что терапевтическое применение лазеров при лечении заболеваний тканей глазного дна развивается в трех направлениях: фотодинамическая терапия, гипертермическая лазерная терапия, коагуляционная лазерная терапия.
Излагаются основные физические принципы и технические решения построения лазерных диагностических и терапевтических комплексов аппаратуры, предназначенной для исследования оптических свойств тканей глазного дна и проведения лазерной фотодинамической терапии. Разработан новый принцип построения лазерных инжекционных излучателей, основанный на использовании для улучшения пространственно-частотных свойств основного диэлектрического резонатора эффекта, названного нарушенным Френелевским отражением, по аналогии с известным эффектом нарушенного полного внутреннего отражения. Показано, что с помощью нарушенного Френелевского отражения легко сформировать в резонаторе практически Гауссовы пучки излучения.
Проведены приближенные оценки селективных свойств таких резонаторов. Их проведение основано на анализе поведения зависимостей коэффициентов отражения и пропускания границ раздела сред с нарушенным отражением от пространственной поперечной координаты, угла падения волны, размера получаемой «мягкой диафрагмы», а также на поведении собственных функций и собственных чисел невозмущенных диэлектрических резонаторов
Рассмотрены различные варианты построения одномодовых инжекционных лазеров и проведены оценки селективных свойств использованных резонаторов
В работе рекомендован не традиционный способ освещения - освещение с помощью высоконаправленного лазерного излучения с размером поперечного сечения лазерного пучка гораздо меньшею размера входного отверстия зрачка
Цветные изображения рекомендовано получать с помощью трех лазеров- газового лазера на ионах аргона с длиной волны излучения 488 нм, излучения 532 нм - второй гармоники твердотельного VAG лазера и полупроводникового диодного лазера с длиной волны излучения 670 нм.
Разработка математических моделей распространения лазерного излучения
Проіраммная часть комплекса базируется на разработке математических моделей распространения лазерного игтучения в биологических тканях глазного дна, разработке математических моделей формирования цветного изображения и моделированию распространения лазерного излучения и формирования цветного изображения тканей їлазного дна
Проблема транспортировки оптического излучения через рассеивающую среду обычно решается численным методом Монте - Карло [37] для уравнений переноса излучения, когда рассчитываются траектории случайного блуждания большого числа фотонов в рассеивающей среде
Расчет методом Монте-Карло является чрезвычайно трудоемким процессом, занимающим много времени. Для большинства практических применений часто пользуются аналитическими выражениями, полученными в рамках диффузионного приближения. Однако диффузионное приближение не позволяет учитывать эффекты многократного рассеяния и не пригодно для расчетов во всем диапазоне значений параметров рассеивающих оптических сред.
Математическая модель распространения лазерного излучен в тканях глазного дна \2,3)
Простейшей математической моделью распространения лазерного излучения в рассеивающей среде можно считать двух потоковую транспортную модель Kubelka-Munk. Согласно этой модели каждый слой многослойной рассеивающей среды характеризуется коэффициентами диффузного рассеяния R и прохождения Т. Значения коэффициентов определяются соотношениями
Для системы из п слоев коэффициенты диффузного рассеяния назад и вперед моїут быть вычислены по рекуррентным формулам
Ниже представлены математическая модель и результаты математического моделирования распространения оптического излучения в сильно рассеивающих неоднородных средах, использованные в данной работе.
Решаются прямые стационарные и нестационарные задачи нахождения распределения поля лазерного излучения и излучения флуоресценции Решаются обратные задачи определения внутренней структуры биологической ткани по данным рассеяния.
Биологическая ткань - существенно неоднородная квази слоистая среда. Ее оптические свойства таковы [1], что распространение света сопровождается сильным попющением и рассеянием, причем дополнительно на распределении поля сказываются пространственная неоднородность излучения источника, неоднородности поверхности и внутренняя структура ткани.
Проблема транспортировки оптического излучения через рассеивающую среду обычно решается численным мегодом Монте - Карло [2, 3] для уравнений переноса излучения, когда рассчитываются траектории случайного блуждания большого числа фотонов в рассеивающей среде от передающего волокна до приемного. Затем выделяют область пространства, по которой эти траектории проходят наиболее часто. Расчет методом Моиге-Карло является чрезвычайно трудоемким процессом, занимающим много времени. Для большинства практических применений часто пользуются аналитическими выражениями, полученными в рамках диффузионного приближения. Однако диффузионное приближение не позволяет учитывать эффекты многократного рассеяния и не пригодно для расчетов во всем диапазоне значений параметров рассеивающих оптических сред.
Рассмотрим модель, использованную ранее для расчета распределения оптического изучения в изотропно рассеивающей биологической среде [4-11] В этой модели биологическая среда моделируется трехмерной структурой оптически связанных областей с уникальными оптическими свойствами каждой области, когда учитываются эффекты многократного рассеяния света не только между соседними, но и всеми областями
Используя эту модель можно осуществить компьютерное моделирование стационарного и нестационарного распределения света практически в любых пространственно временных неоднородных биологических тканях, определить поглощенную дозу световой энергии, сделать это в режиме реального времени и для конкретного пациента
Численная модель для расчета распространения излучения в рассеивающей среде
Биологическая среда разбивается на небольшие ячейки с объемом V , размер которых обеспечивает необходимую точность вычислений, с присоединенными волноводными каналами. По волноводным каналам к области V приходят прямые волны (волны возбуждающих источников), а в результате процесса рассеяния во всех каналах появятся обратные волны, образующие дифракционный отклик области V на падающее из в Fie излучение. Волповоди ые каналы соединяют соседние ячейки- для двух мерной модели число соседних ячеек равно 8, для трех мерной модели - 26
Дифракционный отклик каждой ячейки в направлении і - го волнового канала, представляет собой обратную или выходную волну В и является суммой прямых или входных волн А, умноженных на некоторые постоянные коэффициенты S
Информационные критерии, используемые при диагностике патологий па изображениях тканей глазного дна
Пигментные пятна сетчатки - скопление клеток пигментного эпителия в результате миграции их в другие слои из слоя пигментного эпителия ("костные тельца" при пигментной дистрофии). Диспигментация в форме "леопардовой шкуры" - желто-коричневые пятна депигментации в заднем полюсе глазного дна - исход острой задней многофокусной пигментной плакоидной эпителиопатии (хориоидального капиллярита)
Хориосклсроз - при офтальмоскопии вместо нормального красно - розового фона глазного дна сквозь сетчатку видны грубые тяжи облитерированных сосудов хориоидеи Слой пиімснтноіо эпителия сетчатки, слои мелких сосудов и хориокапиллярный слой сосудистой оболочки в данном случае (и месте) атрофируются.
Хориодеремия (буквально - недостаток сосудистой оболочки) - по сути это прогрессирующая хориоретинальная дистрофия, одна из редких наследственных форм тапеторетинальпых абиотрофий, приводящая к слепоте.
"Бычье" глазное дно - наличие в макулярной зоне чередующихся концентрических зон пигментации и депигментации (при хлорохиновой ретинопатии). Ретинопатии - поражения сетчатки, обусловленные общими заболеваниями (гипертоническая болезнь, сахарный диабет, атеросклероз, гипертоническая болезнь и другие)
Факоматозы - врожденные заболевания, поражающие ткани экзодермального происхождения: кожу, нервную систему, сетчатку. Одним из проявлений данной группы дисплаэий являются сосудистые родимые пятна кожи и ангиомы сетчатки, что и лежит в основе термина "факоматоз" (phacos - пламя). К этой группе относят болезнь Бурневиля, синдром Штурке-Вебера, ангиоматоз сетчатки - болезнь Гиппсль-Линдау, нейрофиброматоз - болезнь Реклингаузена.
Компьютерная диагностика
Существует мнение, что признаки патологии тканей, перечисленные в предыдущем разделе, легко поддаются компьютерным методам анализа изображений [62, 186]; более того, компьютер способен определить значение каждого из диагностических признаков точнее, чем наблюдатель-человек. Этой убеждение служит движущей силой для проведения работ, направленных на то, чтобы формализовать диагностические критерии и таким образом сделать их доступными для понимания компьютерными программами.
Практические испытания многих компьютерных программ показали, что их слабым местом было ее взаимодействие с пользователем, причем проблемы распадались па два широких класса: неуверенная идентификация признаков врачами и складывавшееся заранее убеждение врачей о характере патологии, влиявшее на объективность оценки критериев Эти проблемы можно решить, используя технику компьютерного зрения- автоматизировав идентификацию диагностических критериев, можно получить более надежную методику диагностики
Если программа учитывает сразу ряд различных критериев и, объединяет информацию но каждому из них, то с помощью различных методов искусственного интеллекта можно сформировать диагноз. В частности, эффективность системы, основанной на искусственной нейросети, в сравнении с системой, построенной эвристически на мнении эксперта-человека, дает лучшие результаты.
Схожий подход использовался для разработки аналитической системы, названной "Skinview", которая, по утверждению создателей, "обладает способностью моделировать процедуру клинической диагностики, проводимую экспертом-человеком". Она создавалась как формализация американского контрольного списка "ABCDE" путем выработки точных количественных оценок для каждого из диагностических критериев. Об использованных алгоритмах в работе сообщается мало, но результаты характеризуются как "многообещающие" и "заслуживающие внимания в качестве полезного средства диагностики". В процессе работы была выделена существенная проблема, с которой столкнулись создатели автоматической системы диагностики - большая трудность в определении и формализации относительно простых утверждений вроде "опухоль асимметрична". Скажем, в работе обсуждается. "Что именно врач подразумевает, говоря об асимметрии, и какого рода асимметрия выглядит для него подозрительной? Что конкретно имеется в виду под "пестрой окраской" поверхности новообразования? Что в точности означают слова "коричневатый" и "голубоватый"?"
На эту проблему указывают также работы, поставившие перед собой цель формализовать оценку асимметрии пятна. Эта оценка формулируется совершенно по-разному -то как "разница между длиной двух половин границы после нахождения "наилучшей" оси симметрии", то как "отношение квадрата длины границы к площади пятна". Хотя, безусловно, и то и другое можно считать "оценкой" асимметрии пятна, трудно сказать, насколько они "моделируют" интуитивную оценку асимметрии специалистом-человеком.
Аналогичная проблема возникает при оценке такого критерия, как "изменение размеров" - путем наблюдения за развитием площади патологий с течением времени. Для этого прежде всего было необходимо научиться однозначно определять границу пятна, понять насколько определенная компьютером граница будет коррелировать с границей, субъективно определенной специалистом-офтальмологом.
Недостаток доверия к компьютерным системам порождает слишком большую нагрузку на консультирующих офтальмологов. Причиной этого на уровне первичною обследования стало, с одной стороны, отсутствие у врачей "широкого профиля" уверенности в своем диагнозе, с другой - возможность фатальных последствий в случае ошибки. Га же самая психологическая ситуация налицо и с отсутствием понимания и, следовательно, доверия для компьютерных систем постановки диагноза: если система не в состоянии доказать свою совершенную эффективность, даже самая маленькая вероятность ошибки способна свести ее применимость к нулю Суть проблемы - значительная трудность, с которой сталкиваются разработчики компьютерных технологий. При определении границ области, подвергаемой лазерному воздействию, существует риск, что периферийные недооблученные области могут в дальнейшем служить источником рецидивирующих патологий, в то время как увеличение области лазерного воздействия может привести к существенному уменьшению качества зрения или даже к полной потере зрения. Достичь идеальной точности диагностики при помощи компьютерною анализа чрезвычайно сложно. А при отсутствии точной методики постановки диагноза врач всегда предпочтет перестраховаться несмотря на большой риск ухудшить зрение пациента
В этой ситуации видимо наиболее оправданным является не совсем стандартный подход для создателей компьютерных систем диагностики - сосредоточиться на том, чтобы идентифицировать однозначно любые патологии тканей На практике, однако, трудность заключается в том, чтобы достичь 100%-й точности обнаружения патологий, не снизив при этом избирательность методики до полной практической непригодности.
