Технические науки / 6.Электротехника и радиоэлектроника

К.т.н. Микитенко В.И.

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Украина

Моделирование и разработка многоканальных средств диагностики состояния человека на основе анализа его инфракрасного излучения

Обеспечение хорошего состояния здоровья населения является национальным приоритетом любой развитой страны. Своевременное диагностирование заболеваний и их лечения повышают срок активной жизнедеятельности человека на 15-20 %, что дает значительный экономический эффект. Одним из направлений диагностирования является медицинская термодиагностика, заключающаяся в регистрации пространственного распределения собственного инфракрасного излучения человека с помощью тепловизора и в следующем визуальном анализе термограммы. Популярность термодиагностики обусловлена тем, что она дает возможность распознать симптомы более 150 разных заболеваний на самых ранних стадиях их возникновения [1]. Ни один из существующих диагностических методов не имеет такой широты диагностического диапазона, возможности выявления сразу многих групп заболеваний. Высока также информативность метода – точность тепловизионной диагностики при некоторых заболеваниях приближается к 100%, а в целом для первичных обследований равна порядка 80%. К преимуществам современной тепловизионной диагностики относится также возможность определять заболевание задолго к него клинического проявления и даже при бессимптомном течения болезни.

Сейчас большой потенциал термодиагностических обследований является нереализованным вследствие отсутствия точных моделей преобразования информации, которые сопровождают возникновение аномальных состояний биологических объектов, его регистрацию тепловизионными системами, а также восприятие и интерпретацию наблюдателем.

Эффективность термодиагностики определяется двумя основными факторами – полнотой регистрации тепловизором значимых признаков заболеваний и точностью интерпретации тепловизионного изображения наблюдателем. Обеспечение адекватной реализации обозначенных факторов на практике означает наличие недорогих эффективных медицинских тепловизоров и моделей преобразования информации от патогенных зон к зрительной системе наблюдателя. Разработке технических аспектов термодиагностики и практическому использованию термографии в биомедицинских исследованиях посвящено много работ отечественных и зарубежных авторов, таких как, Г.Р.Иваницкий, Л.Г. Розенфельд, R.N. Lawson, Б.Г. Вайнер и другие [2]. Однако, почти во всех роботах тепловизор рассматривается как прибор наблюдения и радиометрии тепловых полей в организме человека. Хотя экспериментальные и теоретические исследования физиологии человека в части формирования теплового поля весьма распространены в мире, вопросы образования тепловых полей под действием заболеваний изучены не достаточно и практически отсутствуюет термографическая база данных (на подобие рентгенографической). В настоящее время можно констатировать, что комплексные исследования формирования инфракрасного излучения патологическими зонами человека с одновременной разработкой методов регистрации этого излучения, а также методик проектирования медицинских тепловизоров с согласованными характеристиками основных блоков, объекта наблюдения и зрительной системы являются недостаточными. Особенно актуальными являются разработки конкретных недорогих технических решений, которые могут быть внедрены в серийное производство.

На сегодня в медицинских тепловизорах наиболее целесообразно использование микроболометрических матриц. Для создания эффективного прибора необходимо разработать математическую модель формирования и преобразования информации от патологической зоны человека к наблюдателю, а также методы проектирования тепловизоров на микроболометрической матрице с согласованными характеристиками объектива и матрицы для повышения достоверности и прогностических возможностей получаемой диагностической информации. Блок-схема модели изображена на рис. 1.

251659264251660288251663360251662336

Рисунок 1 – Схема математической модели

В процессе исследований было проанализировано современное состояние медицинской термодиагностики и обоснованы требования к характеристикам и параметрам медицинских тепловизоров; определены факторы, которые влияют на изменение поверхностной температуры кожного покрова; разработана математическая модель инфракрасного излучения в патологической зоне для определения распределения температуры внутри мышечных тканей и глубину расположения этой зоны, а также модель, которая описывает процесс преобразования инфракрасного излучения от зоны заболевания пациента к тепловизору с дальнейшим восприятием термограммы наблюдателем для ее интерпретации. Были разработаны методы проектирования медицинских тепловизоров, которые обеспечивают заданную температурную и пространственную разрешающую способности, и методики согласования аберраций объектива и геометрических параметров микроболометрической матрицы для повышения качества изображения.

Основная идея проекта состояла в единой архитектуре процесса разработки медицинских тепловизоров, которая содержит пять взаимосвязанных уровней формирования и преобразования информации. Первый - медико-инженерный уровень состоит из модели образования тепловых аномалий в биологических объектах (в частности – в организме человека) при типичных нарушениях состояния организма. Второй уровень объединяет медико-инженерные и технические методы для описания формирования излучения внешних покровов объекта в инфракрасном диапазоне спектра. Два обозначенных уровня фактически содержат математические модели формирования значимых признаков фоно-целевой обстановки для дальнейшей их регистрации медицинским тепловизором и интерпретации оператором. Третьей и четвертый уровни архитектуры касаются непосредственно тепловизионных передающих камер в частях моделирования превращения сигналов в них, согласования характеристик отдельных блоков между собой и их адаптации к входным сигналам. Последний уровень описывает принятие решения оператором термодиагностического комплекса относительно состояния биологического объекта. При этом важно в полной мере учесть особенности зрительного восприятия тепловизионных изображений патогенных зон оператором в ходе их интерпретации. Уменьшение стоимости диагностического комплекса можно ожидать за счет использования на третьем и четвертом уровнях методики расчетов медицинской передающей тепловизионной камеры на основе недорогой микроболометрической матрицы.

Значительное внимание уделено исследованиям биологического объекта на основе контроля динамики наиболее интегральных показателей его функционального состояния (температуры и кислородного статуса) с применением современных аппаратно-программных средств, которые используют разные физические процессы. Это дает возможность быстрее и достовернее получать информацию о состоянии человека, чем при использовании каждого метода отдельно. Фактически термодиагностический комплекс с точки зрения источников информации является многоканальным. Для обеспечения адекватного количества релевантной информации на экране монитора были использованы методы комплексирования информации [3]. Был разработан новый метод комплексирования изображений на основе показателя успешности выполнения задачи (TTP - the targeting task performance metric [4]).

Получены как научные теоретические, так и прикладные результаты. В частности разработана методика согласования параметров матричного приемника излучения с фокусирующей оптической системой [5], предложен метод выявления термоаномальних зон на поверхности тела человека с помощью инфракрасной термографии, проведения анализа и интерпретация полученных данных с учетом кислородного статуса организма (размеры и места локализации термоаномальних зон, температурные градиенты, величина парциального давления кислорода в подкожных тканях). Пример практического применения разработанных методов к диагностированию сосудистых патологий приведен на рис. 2.

а) б)

Рисунок 2 - Термограммы пациентов с сосудистыми патологиями: а) – варикозно-измененная большая подкожная вена левого бедра; б) – нарушение кровоснабжения дистальных отделов

Показана (рис.2 а) термограмма пациента с варикозно-измененной большой подкожной веной левого бедра. Различие температуры с симметричным участком правого бедра составляет 3,2°С. На рис. 2 б) представлена термограмма нижних конечностей пациента, который жалоб не предъявлял, однако при обследовании которого были выявлены снижения температуры до 28°С (показано стрелками) в сравнении с относительной нормой 32,5°С. После дополнительной осцилометрии и капиляроскопии сосудов стоп выявлена функциональная недостаточность кровоснабжения дистальных отделов.

В целом была создана научная основа для проектирования медицинских тепловизоров, которые обеспечивают оптимальные для термодиагностики человека характеристики. В дальнейшем для повышения эффективности массовой термодиагностики планируется усовершенствовать методы обработки инфракрасных изображений на основе карт информативности.

Литература:

1. Хижняк Л.Н. Диагностика и контроль эффективности лечения заболеваний сосудов нижних конечностей с использованием матричных термовизионных систем: дис. ... канд. мед. наук / Хижняк Л.Н. . – Тула, 2005.

2. Розенфельд Л.Г. Основы клинической дистанционной термодиагностики / Л.Г. Розенфельд. – Киев: Здоровье, 1988. – 222 с.

3. Колобродов В.Г., Микитенко В.І. Комплексування інформації в багатоканальних оптико-електронних системах спостереження: монографія / Поліграфічний центр «Аверс», Київ, 2013. – 178 с.

4. Vollmerhausen R. H. The targeting task performance (TTP) metric. A new model for predicting target acquisition performance / Richard H. Vollmerhausen, Eddie Jacobs // Technical report AMSEL-NV-TR-230. – 2004. – 126 p.

5. Рибалко М. С., Микитенко В. І., Мамута О. Д. Узгодження діаметрів вхідних зіниць дзеркально-лінзового об’єктиву двоканальної оптико-електронної системи спостереження // Вісник національного технічного університету України «КПІ», Приладобудування. – 2011. – № 42. – С. 54-61.