Сборник научных трудов 4-го Международного радиоэлектронного форума «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (мрф’2011)



страница2/32
Дата20.10.2012
Размер3.13 Mb.
ТипСборник
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   32

ПОЛУЧЕНИЕ И АНАЛИЗ ИЗОБРАЖЕНИЙ И СИГНАЛОВ В БИОМЕДИНЖЕНЕРИИ

РАЗРАБОТКА СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ

ЦИФРОВОЙ ОПТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ

Аврунин О.Г., Носова Т.В., Масловский С.Ю.*, Калашник Ю.М.*

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Харьковский национальный медицинский университет

Харьков, 61166, пр. Ленина, 14, тел.702-13-64.Е-mail: gavrun@list.ru

The work is devoted to design the modern digital optical microscopy systems. The problems of digital processing for histological images are described. The root principles of design, main issues of imaging processing and structure of the system for automatical сito-histological research are proposed. Main medical–technical requirements for proposed system are considered and described.
Введение. Cовременный этап развития медицинской техники предусматривает тенденцию к повышению качества и степени автоматизации методов обработки гистологических и цитологических данных. Методы ручного морфоанализа препаратов обладают сравнительно низкой точностью и высокой трудоемкостью исследований при достаточно высокой погрешности (не менее 10-15% [1]), связанной с субъективной оценкой при определении геометрических параметров микрообъектов. Поэтому получение статистически достоверной информации ручными методами является на современном этапе малоэффективным процессом [2-4]. В связи с появлением на рынке медицинского оборудования доступных высококачественных цифровых фото- и видеокамер, обладающих возможностью подсоединения к микроскопу, а так же соответствующего программного обеспечения целесообразно рассмотреть принципы построения современных систем цифровой оптической микроскопии.

При этом основными параметрами при проектировании таких систем должны быть - выбор и согласование оптических параметров микроскопа и цифрового регистрирующего устройства, а так же алгоритмов обработки изображений для автоматизированной обработки и анализа микрообъектов.

Сущность.
Исходя из современных требований к процессам диагностики и анализа медицинской информации современная система цифровой микроскопии для автоматизированной обработки цито-гистологических данных должна обладать следующими медико-техническими требованиями:

  • обеспечивать получение и оцифровывание исходных данных с максимально возможным разрешением для данного типа исследования (необходимо провести обоснованный выбор необходимого оборудования: лабораторного микроскопа и средств получения цифровых изображений гистологических препаратов);

  • проводить сканирование и анализ цветовых и яркостной составляющих в раздельных каналах с возможностью перехода в разные цветовые координаты;

  • обеспечивать предварительную обработку изображений, включающую методы гистограммной коррекции а так же подавления шумовых составляющих;

  • выполнять грубую и точную сегментацию изображений для определения локализации различных объектов с максимальной степенью автоматизации;

  • обеспечивать получение и анализ геометрических признаков объектов (площади, периметра, интенсивности, доминирующего цветового тона и т.д.);

  • обеспечивать получение и анализ логических и топологических признаков объектов (показатели формы объекта);

  • обеспечивать возможность структурного анализа микрообъектов;

  • выполнять классификацию и распознавание обнаруженных объектов по одному основному признаку или группе признаков;

  • проводить наглядную визуализацию процесса анализа, результатов основных промежуточных и конечного этапов обработки;

  • обеспечивать возможность интерактивной коррекции параметров обработки гистологических изображений, при которой участие оператора должно сводиться к выбору необходимых характеристик в интуитивно-понятной программной среде;

  • обеспечивать статистическую обработку результатов исследований (корреляционно-регрессионный, дисперсионный, дискриминатный анализ);

  • обеспечивать возможность вывода на печать основных результатов анализа и сохранение их в базе данных для использования в телемедицинских целях.

Разрешающей способности современных цифровых камер (более 1 Мп) вполне достаточно для проведения большинства гистологических исследований с помощью оптической микроскопии. Однако, несмотря на то, что уже разработано довольно большое количество универсальных и специализированных программных средств для обработки медицинских изображений, основной проблемой на данном этапе является разработка эффективного методологического, алгоритмического и программного обеспечения для автоматизированного анализа цито-гистологических данных, позволяющей получать наиболее полную информацию об исследуемом микропрепарате.

Для этого необходимо классифицировать изображения микробъектов по геометрическим, топологическим, оптическим характеристикам, разработать алгоритмы предварительной обработки изображений гистологических препаратов, разработать алгоритмы сегментации различных типов клеток с учетом окрашивания микропрепаратов, разработать алгоритмы для проведения автоматизированного подсчета и анализа выделенных микрообъектов, программно реализовать алгоритмы сегментации цито-гистологических объектов и проверить их на конкретных примерах микропрепаратов.

Выводы. Разработка автоматизированных систем цифровой оптической микроскопии для поведения цито-гистологических исследований требует комплексного подхода, направленного на согласовании методов и алгоритмов предварительной обработки и автоматизированного анализа данных. Это связано с тем, что универсальных алгоритмов обработки изображений, сравнимых по возможностям со зрительным восприятием человека, еще не разработано. На качество работы такой системы могут оказывать влияние такие факторы, как вариабельность микрообъектов на препаратах, наличие сложного фона на изображении, неоднородности освещения, локальные помехи и т.д. Разработанное авторами оригинальное программное обеспечение позволяет решить данную проблему пока только для сравнительно небольшого спектра цито-гистологических микропрепаратов. Разработанная система может использоваться при анализе микропрепаратов головного мозга человека и слизистой оболочки верхних дыхательных путей. Перспективой работы является дальнейшее совершенствование методов автоматизированной обработки и анализа данных, построенных с учетом изучения процессов зрительного восприятия человека.

Литература: 1. Исаков В.Л. Тенденции и перспектива разработки цитологических анализаторов // Автоматизация цитологических исследований. Сб. научн. трудов АН УССР. К.: Наукова думка, 1990, С. 78-79. 2. Магакян Ю.А. Цифровой анализ изображений цитологических объектов. //Автоматизация цитологических исследований. Сб. научн. трудов АН УССР. К.: Наукова думка, 1990, С. 109-112. 3. ХарченкоЛ.П., Даценко А.В. Простая интерактивная система анализа изображений для морфологических исследований. //Автоматизация цитологических исследований. Сб. научн. трудов АН УССР. К.: Наукова думка, 1990, С. 148-150. 4. Свешников А.В. Компьютерная обработка и анализ изображения, полученного при при световой микроскопии//Морфология.- 2006.- Т.129.- № 2.- С.85-86.

Сканувальний телевізійний оптичний мікроскоп

високої роздільної здатності

Прудиус І.Н., Шклярський В.І., Педан А.Д.

Матієшин Ю.М., Баланюк Ю.В., Василюк В.Я., Гудзь Б.В.

Національний університет “Львівська політехніка”

Інститут телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки

79013, Львів, вул. Ст. Бандери, 12, тел. (032) 261-05-55

E-mail: iprudyus@polynet.lviv.ua ; факс (032) 274-43-00

shkliarskyi@polynet.lviv.ua , тел. (032) 235-88-42

The electronic-optic tube with short afterglow-based high-resolution scanning television optical microscope is offered to the research object highlighting. This microscope forms the 4000х4000 pixels research object image. The object minimal size is 0,2 mkm. The microscope works in the object transillumination mode as well as in the image forming by the light, reflected from the object, mode. The image forms in the TV-standard or in the low-frame mode. The ultraviolet waveband illumination is enable. Fields of application: medicine, biology, criminalities, microelectronics, material analysis, nanotechnologies ets.
Вступ. Пропонується сканувальний телевізійних оптичний мікроскоп (СТОМ) високої роздільної здатності, придатних для дослідження прозорих і непрозорих мікрооб’єктів при дуже малих потужностях освітлення досліджуваних об’єктів (ДО), розміри яких перевищують 0,1 мкм. Роздільна здатність формованого зображення може перевищувати 4000х4000 елементів розкладу. Принцип роботи такого мікроскопа базується на використанні для освітлення ДО випромінювання електронно-променевих трубок (ЕПТ). До виконання цієї роботи спонукала перспективність побудови та використання для розв’язку чисельних завдань телевізійних оптичних мікроскопів сканувального типу, які мають низку переваг у порівнянні з більш поширеними зараз відеомікроскопами (мікроскопами камерного типу).

Основна частина. Застосування СТОМ у порівнянні з іншими пристроями, які використовуються для дослідження біологічних та медичних мікрооб’єктів (МО) має чисельні переваг:

- дуже мала експозиція освітлення, що дозволяє досліджувати живі МО в реальному масштабі часу;

- надлишкова роздільна здатність використовуваної ЕПТ для сканування МО у порівнянні з використовуваними пристроями відображення (монітор ПК, телевізійний відео-контрольний пристрій) дозволяє змінювати масштаб формованого зображення МО без втрати роздільної здатності;

- гнучкість формування сканувального растра дозволяє оперативно вибирати фрагмент МО і виводити його зображення в збільшеному масштабі на екран телевізійного монітора;

- значно більша глибина різкості формованого зображення у порівнянні з оптичними та камерними мікроскопами;

- можливість освітлювання МО в ультрафіолетовому діапазоні з використанням спеціалізованої ЕПТ та формуванням зображення МО у видимому спектрі;

- відсутність потреби розташування досліджуваних МО у вакуумі;

- простота підготовки МО до дослідження;

- можливість дослідження внутрішньої структури МО;

- можливість дослідження рухомих МО тощо.

В результаті виконання роботи розроблені методи:

- формування прецизійного сканувального растра на екрані ЕПТ високої роздільної здатності, розміри та зміщення якого змінюються у широких межах (до 10 разів);

- коректування амплітудно-частотної характеристики формувача повного відеосигналу від фотоелектронного помножувача;

- визначення необхідної яскравості свічення ЕПТ з метою отримання заданого відношення сигнал/шум на виході формувача відеосигналу;

- дослідження динамічних МО з метою вимірювання параметрів їх руху та знаходження їх зображення в центрі екрана монітора при довільному русі в площині МО;

- формування стереоскопічного та псевдостереоскопічного зображення МО при освітленні ДО ЕПТ високої роздільної здатності;

- формування кольорового зображення МО при освітленні його ЕПТ білого свічення;

- формування видимого зображення МО при освітленні його в ультрафіолетовому діапазоні;

- побудови СТОМ з широкими функціональними можливостями.

Структурна схема СТОМ для дослідження МО з точки зору формування електричних сигналів наведена на рис. 1. До її складу входять: блок формування сканувального растра БФСР, блок керування режимами роботи сканувальної ЕПТ БКРР, блок ЕПТ високої роздільної здатності БЕПТ, блок оптичного каналу БОК, блок фотоелектронного помножувача БФЕП, блок обробки відеосигналу БОВС, блок спряження з персональним комп’ютером БСПК, персональний комп’ютер ПК та монітор М, на екрані якого формується зображення досліджуваного МО.

Рис. 1. Структурна схема СТОМ для дослідження мікрооб’єктів
Внутрішня будова окремих вузлів СТОМ визначатиметься в залежності від місця його застосування. Можливим, наприклад, є застосування СТОМ, в медицині: а) дослідні лабораторії малих медичних закладів, для яких СТОМ повинен бути найдешевшим і найпростішим в експлуатації; б) дослідні лабораторії великих медичних закладів, для яких СТОМ повинен бути відносно дешевим, не дуже складним в експлуатації і з досить широкими функціональними можливостями; в) галузеві науково-дослідні лабораторії, для яких СТОМ повинен мати найширші функціональні можливості.

Для першого випадку найбільш доцільним є застосування СТОМ з мінімальними функціональними можливостями, який працює в стандартному телевізійному режимі. При застосуванні ПК для введення зображень досліджуваного МО в ПК використовуються дешеві та стандартні системи вводу зображень в ПК, дешеві стандартні програми обробки зображень та їх архівування. Можливим є застосування в такому мікроскопі дешевої ЕПТ високої роздільної здатності, оскільки в цьому випадку не є обов’язковим передбачати масштабування зображення досліджуваного МО за рахунок зміни розмірів растра у великих межах. Зміну розмірів растра та його зміщення доцільно виконувати простими електронними схемами.

В другому ж випадку необхідне використання в СТОМ ЕПТ надвисокої роздільної здатності з метою отримання більш високоякісного зображення. формування розгортки, яка еквівалентна розкладу зображення приблизно 1000х1000 елементів, можна виконувати як аналоговим (з дуже малим коефіцієнтом нелінійності розгортки), так і цифровим способом. Введення зображення в ПК вимагає попереднього оцифровування зображення, тому стандартні відеобластери для вводу зображення в ПК є непридатними. Окрім того, для обробки зображень з великими цифровими масивами необхідно використовувати складні дорогі спеціалізовані програми.

У третьому випадку СТОМ повинен забезпечувати максимальні функціональні можливості з метою проведення складних спеціалізованих досліджень. Формування растра має здійснюватись з урахуванням граничної роздільної здатності розкладу зображення на 4000×4000 елементів. Для швидкого експрес-аналізу доцільно передбачити телевізійний режим формування растра для введення зображення в ПК, а для детального аналізу можна використати цифрові розгортки, які забезпечать високу точність формування мінірастра в будь-якій точці екрана ЕПТ з метою детального дослідження окремих фрагментів зображення. При цьому треба відзначити, що час введення повноформатного растра максимальної роздільної здатності при умові введення одного елемента зображення за одну мікросекунду буде перевищувати 16 секунд. В цьому СТОМ необхідно забезпечити можливість зміни коефіцієнта збільшення, чутливості, регулювання контрасту в широких межах тощо.

Одним з основних вузлів СТОМ, який забезпечує необхідну якість формування зображення ДО, є блок формування сканувального растра БФСР. Для одержання широких функціональних можливостей СТОМ при дослідженні МО, БФСР повинен забезпечувати:

- формування сигналів растра в телевізійному стандарті;

- формування сигналів растра в покроковому (дискретному) режимі;

- зміну розмірів растра для масштабування зображення досліджуваного МО шляхом зміни амплітуди сигналу розгортки;

- зміщення растра зменшених розмірів у будь-яку точку екрана ЕПТ з метою вибору фрагмента зображення досліджуваного МО;

- зміну частоти формування растра в дискретному режимі шляхом зміни тривалості формування одного елемента або кількості елементів розкладу зображення.

Структурна схема блока формування сканувального растра БФСР, який забезпечує всі режими роботи, наведена на рис. 2. До її складу входять: тактовий генератор ТГ, дільник частоти ДЧ1, телевізійний синхрогенератор ТСГ, генератори формування сигналу розгортки в телевізійному режимі по координатах Х та Y ГРХ та ГРY, п’ять комутаторів К1, К2, К3, К4, К5, дешифратор частоти розгортки ДЧР, дешифратор кроку розгортки ДКР, регістри коду сигналу зміщення по координатах Х та Y РЗХ та РЗY, цифро-аналогові перетворювачі сигналу зміщення по координатах Х та Y ЦАПЗХ та ЦАПЗY, аналогові регулятори зміщення по координатах Х та Y АРЗХ та АРЗY, регістри коду початку розгортки по координатах Х та Y РПХ та РПY, регістри коду кінця розгортки по координатах Х та Y РКХ та РКY, лічильники кодів місцеположень світної плями по координатах Х та Y ЛХ та ЛY, цифро-аналогові перетворювачі формування дискретного сигналу розгортки по координатах Х та Y ЦАПХ та ЦАП Y, регістр коду регулювання амплітуди сигналу відхилення РРА, цифро-аналоговий перетворювач сигналу регулювання амплітуди сигналу розгортки ЦАПРА, блок аналогового регулювання амплітуди БРА, регулятори амплітуди сигналу відхилення по координатах Х та Y РАХ та РАY, узгоджуючі підсилювачі по координатах Х та Y УПХ та УП Y.

Вхідними сигналами БФСР є: код режиму роботи мікроскопа КРР; код частоти розгортки растра КЧР; код кроку розгортки растра ККР; коди зміщення растра по координатах Х та Y КЗХ та КЗ Y; коди початку розгортки по координатах Х та Y КПХ та КПY; коди кінця розгортки по координатах Х та Y ККХ та ККY. Вихідні сигнали: сигнал відхилення по координаті Х СВХ; сигнал відхилення по координаті Y СВY. Внутрішні

сигнали БФСР: сигнал режиму роботи СРР; сигнал регулювання зміщення растра СРЗ; сигнал регулювання амплітуди розгортки СРА; цифрові сигнали розгорток по координатах Х та Y ЦСРХ та ЦСРY.


Рис. 2. Структурна схема блока формування растра
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   32

Похожие:

Сборник научных трудов 4-го Международного радиоэлектронного форума «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (мрф’2011) iconКонференция «интегрированные информационные радиоэлектронные системы и технологии», хнурэ, 18-21 октября
Академией наук прикладной радиоэлектроники (ан прэ) в 2011 году организуют проведение IV международного радиоэлектронного форума...
Сборник научных трудов 4-го Международного радиоэлектронного форума «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (мрф’2011) iconРезолюция IV московского международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития»
Московский международный конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития» проходил с 12 по 16 марта 2007 г в г. Москве
Сборник научных трудов 4-го Международного радиоэлектронного форума «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (мрф’2011) iconРезолюция Третьего Московского международного конгресса «Биотехнология – состояние и перспективы развития» Третий Московский международный конгресс «Биотехнология – состояние и перспективы развития»
...
Сборник научных трудов 4-го Международного радиоэлектронного форума «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (мрф’2011) iconСборник научных трудов / Под ред проф. В. Н. Базылева. М.: Изд-во сгу, 2011. С. 314-318
Олешков М. Ю. Когнитивный резонанс в бытовом диалоге // Сублогический анализ языка. Юбилейный сборник научных трудов / Под ред проф....
Сборник научных трудов 4-го Международного радиоэлектронного форума «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (мрф’2011) iconСборник научных трудов. Спб.: Тригон, 1999. С. 62-71 Ю. В. Сергаева
Слово, предложение и текст как интерпретирующие системы: Studia Linguistica. №8: Межвузовский сборник научных трудов. Спб.: Тригон,...
Сборник научных трудов 4-го Международного радиоэлектронного форума «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (мрф’2011) iconСборник научных трудов «Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах»
Батищев Д. И., Исаев С. А., Ремер Е. К. Эволюционно-генетический подход к решению задач невыпуклой оптимизации. // Межвузовский сборник...
Сборник научных трудов 4-го Международного радиоэлектронного форума «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (мрф’2011) iconМонография по материалам IV международного семинара «Геология и цивилизация»
Межвузовский сборник научных трудов "Ландшафтная экология",вып риц "Альфа",2004. С. 30 – 36
Сборник научных трудов 4-го Международного радиоэлектронного форума «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (мрф’2011) iconСборник научных трудов Выпуск 8 Саратов: иц «Наука» 2010 удк 51(072. 8) Ббк 22. 1 Р у 92
Учитель – ученик: проблемы, поиски, находки: Сборник научных трудов: Выпуск – Саратов: иц «Наука», 2010. – 72 с
Сборник научных трудов 4-го Международного радиоэлектронного форума «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (мрф’2011) iconСборник научных трудов «Проблемы современной науки»
С целью предоставления возможности свободно обнародовать свои изыскания по различным областям науки Центр научного знания «Логос»...
Сборник научных трудов 4-го Международного радиоэлектронного форума «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (мрф’2011) iconСборник научных трудов. Новосибирск: нгаэиУ, 2001. С. 15 25
Е. А. Тюгашев. Философия и право в транзитивном обществе: гендерная перспектива // Социальные взаимодействия в транзитивном обществе:...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org