Телевизионная визуализация в биологии и медицине

7.Телевизионная визуализация в биологии и медицине

 

Развитие биологического и медицинского приборостроения связано, с одной  стороны, со стремлением врачей и  биологов использовать новейшие достижения самых разнообразных областей техники  для совершенствования методов диагностики, лечения, медико-биологических экспериментов, а, с другой стороны, специалистов - инженеров применить результаты своих работ в медицине, как в одной из самых важных и востребованных областей человеческой деятельности. Таким же путем входит в практику медико-биологических исследований и телевизионная техника [32].

Телевизионные методы могут  быть использованы для исследования биологических объектов как в  видимой области спектра (эндоскопия – осмотр внутренних полых органов, офтальмоскопия – метод исследования глаза, микроскопия – исследование поверхности кожного покрова, волос, микропрепаратов и др.) так и в невидимых лучах (рентгеноскопия, ультрафиолетовая и инфракрасная микроскопия, инфракрасная офтальмоскопия и т.п.).

Телевизионные методы позволяют обнаружить люминесценцию объектов, в том числе, весьма слабую не обнаруживаемую простым визуальным наблюдением, например, при регистрации результатов электрофореза продуктов полимеразной цепной реакции (ПЦР) в процессе диагностики различного рода заболеваний (инфекционных и наследственных) или при установлении генной принадлежности, а также могут быть использованы для визуализации газоразрядного свечения в прикладной и медицинской биоэлектрографии.

Телевизионные методы не ограничиваются задачами визуализации и наряду с регистрацией изображений позволяют производить количественные исследования (анализ геометрических параметров, фотометрирование, определение скорости перемещения частиц и др.).

Таким образом, основными  особенностями телевизионного метода визуализации, которые привели к его широкому применению в медицине и биологии, являются:

• возможность визуализации в широком диапазоне длин волн и трансформации спектров в видимую область;
• высокая чувствительность по сравнению с другими методами визуализации;
• возможность усиления, преобразования и анализа сигнала;
• возможность записи и последующего воспроизведения;
• возможность передачи видеоинформации.

7.1. Телевизионная эндоскопия

 

Эндоскопия – осмотр полых внутренних органов (желудка, пищевода, мочевого пузыря и др.) широко используется при диагностике и лечении ряда заболеваний. Эндоскоп - оптический прибор, вводимый в исследуемый орган для наблюдения через окуляр. Основными недостатками оптического эндоскопа являются неудобство наблюдения через окуляр, невозможность одновременного наблюдения несколькими специалистами, невозможность фиксации изображений.

Все эти проблемы успешно  решаются при использовании телевизионных  устройств. Телевизионный эндоскоп [32] может быть выполнен как прибор, в котором телевизионная камера конструктивно связана с оптическим эндоскопом (рис.7.1). Матрица камеры стыкуется с волоконной оптикой либо непосредственно, либо через объектив переноса.

Рис.7.1. Структурная схема  телевизионного эндоскопа.

 

Значительная проблема связана  с освещением исследуемого органа. Большая мощность источника света  может приводить к выделению  тепла и нагреву органа. Обычно используют внешнее освещение через  световод от источника света, входящего  в состав эндоскопа.

На рис.7.2 показан внешний  вид телевизионного эндоскопа, в  котором телевизионная камера сопряжена  с окуляром и пример получаемого  биомедицинского изображения.

 

Рис.7.2. Телевизионный  эндоскоп и пример получаемого изображения  биомедицинского изображения.

 

Микроминиатюризация ТВ-камер  и оптики позволяет решить эту  задачу иначе: от оптического эндоскопа  уже ничего не остается - в орган  водится миниатюрная ТВ-камера. Так, цилиндрические камеры с матрицей 1/5’’ имеют размеры в диаметре около 10 мм при длине 30 мм, что позволяет их использовать для эндоскопических целей.

В зависимости от области  применения различают телевизионные  бронхоскопы, кардиоскопы, гастроэндоскопы  и др.

7.2. Телевизионные офтальмоскопы 

 

Офтальмология занимается изучением болезней глаза и их лечением. Наиболее распространенные методы диагностики - осмотр глазного дна, прозрачных сред, радужной оболочки и др. Путем осмотра с использованием специальных оптических устройств выявляется целый ряд заболеваний, в т.ч. катаракта, воспаление сетчатки, сосудистой оболочки и т.д.

В клинической практике применяется офтальмоскоп (для исследования глазного дна), щелевая лампа (для  получения послойных изображений  глазных сред), бинокулярный микроскоп  и т. д. Общий недостаток перечисленных  приборов - наблюдение через окуляр и, как следствие, быстрая утомляемость глаз врача, отсутствие фиксации изображений, проблема демонстрации с целью обучения, организации консультаций и консилиумов.

Основная задача, решаемая при построении ТВ-офтальмоскопа  – обеспечение достаточной чувствительности, поскольку световой поток, посылаемый в глаз, ограничен из-за возможных болевых ощущений у пациента. ТВ-офтальмоскоп позволяет наблюдать глазное дно более комфортно, неограниченному числу пользователей, фиксировать изображение (для мониторинга за процессом лечения), проводить количественные исследования, в частности, оценку размеров структур глазного дна, например, кровеносных сосудов [32].

Для получения наиболее контрастного изображения сетчатки глаза целесообразно максимальную чувствительность ТВ-системы сдвигать в красную область спектра. В связи с этим в офтальмоскопии используют черно-белые ТВ-системы. Они имеют более высокую чувствительность по сравнению с цветными системами, в них используется максимум чувствительности кремниевых ПЗС-матриц, который находится в красной области спектра, кроме этого, при смещении чувствительности в красную область спектра смысл цвета теряется.

 

Рис.7.3.Схема оптического офтальмоскопа.

 

Интерес представляет спектрозональная съемка с шириной приблизительно 60 нм с максимумами 507, 517, 555, 650 нм и далее в ИК-области спектра. ИК-область спектра дает ценную информацию, поскольку можно проводить исследования глаз в темноте (зрачок максимально открыт и не меняется). Выделить различные участки спектра можно с помощью светофильтров (отрезающих или полосовых).

При изучении глазного дна  может быть применен метод цветового контрастирования или псевдоокрашивания изображения, когда каждому интервалу яркости присваивается свой цвет. В результате создается цветовая палитра, замещающая шкалу серого, благодаря чему создается искусственный цветовой контраст между близкими оттенками серого, который лучше заметен глазу.

Рис.7.4. Структурная схема телевизионного офтальмоскопа.

 

Вместе с тем, применение цветных камер также представляет интерес для исследования глазного дна, т.к. яркостный контраст его  участков невелик и по цветовым различиям  можно выявлять различные патологические изменения. Цветное изображение используется и при проведении диагностики по изображению радужной оболочке глаза (иридодиагностика).

 

   

а)     б)

Рис.7.5. Диагностика отслойки сетчатки – а), изображение глаза  пациента при проведении иридодиагностики – б).

 

7.3.Телевидение в рентгенодиагностике

 

Рентгеновское лучи (РЛ) широко используются в медицине, т. к. обладают большой проникающей  способностью. Ослабление потока РЛ зависит  от свойств среды и ее толщины. Проходя через различные участки  тела РЛ поглощаются в неодинаковой степени и создают теневое изображение. Задачей визуализации [33] преобразовать невидимые РЛ в видимый свет. На анализе получающегося теневого изображения и основана рентгенодиагностика.

Различают рентгеноскопию (непрерывное наблюдение под воздействием РЛ) и рентгенографию (получение снимка).

Рентгеновское изображение  может быть получено на: 1)флюоресцирующем  экране, 2)электролюминесцентном преобразователе  рентгеновских лучей, 3)электронно-оптическом преобразователе.

Основной недостаток не телевизионных методов – высокая доза облучения, особенно при рентгеноскопии. Рентгеноскопия с использованием флюореосцирующего экрана принципиально не дает возможности повышения наблюдаемых градаций яркости, т.е. имеет низкую контрастную чувствительность. Ее главное достоинство – возможность наблюдения в динамике. Рентгенография за счет свойств пленки дает большее количество изображения (недостаток -один кадр)

Рис.7.6. Принципы визуализации рентгеновского излучения.

 

Применение ТВ-методов  позволяет соединить и рентгеноскопию, и рентгенографию. Есть различные варианты рентгенотелевизионных систем. В любой из них рентгеновское излучение преобразуется в видеосигнал, который после усиления подается на экран кинескопа или через устройство видеозаписи вводится в ЭВМ и отображается на экране дисплея.

В качестве детекторов рентгеновского излучения в рентгенотелевизионных  системах могут использоваться рассмотренные  выше варианты преобразователей рентгеновского излучения в видимое в сочетании  с преобразователем свет-сигнал.

В настоящее время  широко применяется ТВ-трубки, чувствительные к рентгеновским излучениям –  рентгеновидиконы. Прямое преобразование рентген–сигнал более предпочтительно  для построения рентгенотелевизионной  системы, т.к. позволяет создать систему  с чувствительностью, близкой к предельной, определяемой флуктуациями квантов рентгеновского излучения на входе приемника. ПЗС-матрицы, чувствительные к рентгеновскому излучению (особенно к жесткому) пока создать не удается, поскольку МОП-структуры  разрушаются при воздействии РЛ.

Применение ТВ-методов  позволяет: 1)снизить дозу облучения, 2)в ряде случаев позволяет повысить контрастную чувствительность и  разрешающую способность, 3)воспроизводить изображение в безопасных и оптимальных  условиях для наблюдения (в незатемненном помещении, вынесенном за пределы действия РЛ), 4)использовать методы обработки изображения (подавление шумов, контрастирование, масштабирование, выделение контуров и т.п.), 5)хранить и документировать изображения

Спектрозональные  рентгенотелевизионные телевизионные системы

 

Интенсивность рентгеновских  лучей после прохождения через  слой вещества определяется при прочих равных условиях длиной волны падающего  излучения. Разные ткани обладают неодинаковым поглощением рентгеновских лучей  различных длин волн, что позволяет выявлять различия, например, для костной, мышечной и жировой ткани. Если последовательно зафиксировать три кадра при соответствующих длинах волн излучения, а потом их воспроизвести, подав соответствующие сигналы на RGB-монитор, то костная ткань будет выглядеть бесцветной, жировая иметь зеленый, а мышечная – голубоватый оттенок [32].

Спектрозональный метод, таким образом, дает возможность  визуализации тканей, неразличимых в  случае одинаковой толщины при обычном  способе рентгеноскопии.

 

7.5. Телевизионная  микроскопия

 

Телевизионная микроскопия  – одно из перспективных направлений  прикладного телевидения, которое  начало развиваться практически  одновременно с вещательным. Первый ТВ-микроскоп для наблюдения в  УФ-лучах был создан уже в начале 30-х годов. ТВ-микроскопия весьма эффективно применяется в биологических исследованиях, медицинской диагностике, криминалистике.

Для наблюдения объектов непосредственно на экране телевизионного монитора или на экране монитора компьютера с увеличением до 40-60 крат с успехом используются телевизионные лупы. Так, например, телевизионная лупа ТЛ-2 создана специально для применения  в дерматологии и косметологии. На рис.1 показан внешний вид прибора и некоторые изображения участков кожного и волосяного покрова организма человека, полученные при помощи ТЛ-2

Тем не менее, ТЛ-2 находит  применение и в криминалистике при  исследовании различного рода вещественных доказательств. На рис.2 показаны изображения  образцов ткани, искусственного материала, трикотажа, а также изображения металлических поверхностей и различных марок краски на них.

  

 

Рис.7.7. Внешний вид телевизионной  лупы ТЛ-2 и получаемые биомедицинские изображения.

 

Наличие сменных наконечников позволяет дополнительно использовать внешние источники света, например, инфракрасные или ультрафиолетовые для наблюдения особенностей объектов, визуализируемых в данных участках спектрального диапазона. Так, например, могут выявляться грибковые поражения кожи при медицинских исследованиях или наличие специальных элементов защиты или следов органических красителей при криминалистических исследованиях.

а)

б)         в)

Рис.7.8. Изображения вещественных доказательств, полученные при помощи ТЛ-2, при криминалистических исследованиях: образцы ткани, искусственного материала, трикотажа - а), номера - б) и образцы краски - в) на металлических поверхностях.

 

Часто телевизионный  микроскоп является комбинацией  оптического микроскопа и телевизионной  камеры, сопряженной с ЭВМ, что  обеспечивает высокую чувствительность, возможность демонстрации изображений для аудитории, возможность запоминания, хранения и документирования, возможность обработки и количественного анализа объектов в изображении.