Устройство для диагностики состояния микроциркуляторного русла

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ МИКРОЦИРКУЛЯТОРНОГО РУСЛА(71) Заявители Государственное научное учреждение Объединенный институт проблем информатики Национальной академии наук Беларуси Республиканский научно-практический центр Кардиология(72) Авторы Константинова Елена Эриховна Левшинский Леонид Иванович Лапицкий Владимир Анатольевич Анищенко Владимир Викторович(73) Патентообладатели Государственное научное учреждение Объединенный институт проблем информатики Национальной академии наук Беларуси Республиканский научно-практический центр Кардиология(57) 1. Устройство для диагностики состояния микроциркуляторного русла, содержащее электрически связанные между собой ПЗС-видеокамеру, оптический стенд с опорным источником облучения исследуемой зоны спектром видимых световых волн, управляющую ЭВМ и монитор, отличающееся тем, что оно снабжено вычислительной системой кластерного типа для обработки и количественной оценки изображений микроциркуляции сосудов глаза, а управляющая ЭВМ снабжена модулем ввода-вывода изображений с внешней синхронизацией с пульта оператора через интерфейс связи и модулем предварительной обработки входных изображений для цифровой обработки входных изображений в реальном масштабе времени, при этом выход ПЗС-видеокамеры через интерфейс ввода и модуль ввода-вывода изображений связан с общей шиной управляющей ЭВМ, на которой установлены модуль предварительной обработки изображений и сетевая карта, выход которой связан через коммутатор локальной вычислительной сети с входом вычислительной системы кластерного типа. 16402. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вычислительная система кластерного типа содержит, по меньшей мере, четыре электрически параллельно связанных между собой идентичных вычислительных узла, каждый из которых соединен через коммутатор локальной вычислительной сети друг с другом и с управляющей ЭВМ, а вычислительные узлы выполнены, преимущественно, в виде конструктива -.(56) 1... // - 1973. - .28. - . 32-36. 2. Малая Л.Т., Микляев И.Ю., Кравчук П.Г. Микроциркуляция в кардиологии. - Харьков, 1977. - С. 52-55 (прототип). 3. РДО, Журнал Нефрология, Биомикроскопия конъюктивы в оценке состояния микроциркуляции. - 1999-1. - С. 1-7. Полезная модель относится к медицине и может быть использована в клинике внутренних болезней, например, кардиологии, офтальмологии, эндокринологии и нефрологии для оценки состояния микроциркуляторного русла. Важность исследования микроциркуляции в клинике обусловлена тем обстоятельством, что чувствительность микрососудов на несколько порядков превосходит таковую по отношению к другим отделам сердечно-сосудистой системы и поэтому первой реагирует на воздействие фармакологических, психо-эмоциональных, физических, метаболических факторов. Нарушения микроциркуляции проявляются на ранних этапах генерализации патологического процесса. Контроль за состоянием микроциркуляции позволяет установить нарушения функционирования организма пациента на ранних этапах развития болезни и при своевременной коррекции предотвратить трансформацию функциональных изменений в органические. Изучение характера и степени выраженности микроциркуляторных нарушений позволяет в ряде случаев своевременно определить причину неблагоприятного развития болезни, а также оценить эффективность проводимой терапии. Известен способ и устройство для диагностики состояния микроциркуляторного русла, включающий осмотр бульбарной конъюнктивы глаза с помощью микроскопа и фиксации изображения путем фотографирования или видеосъемки 1. По результатам визуального анализа полученных изображений проводят качественноколичественную оценку состояния основных структурных единиц микроциркуляторного русла (артериолы, венулы, капилляры, артериоло-венулярных анастомозы, периваскулярное пространство, внутрисосудистый кровоток), отмечают их нарушения (неравномерность калибра, извитость, сосудистые клубочки, микроаневризмы и саккуляции, спазм, вазодилятация, сетевидная структура, периваскулярный отек, микрогеморрагии, неравномерность и изменения скорости кровотока, внутрисосудистая агрегация). На основании такой оценки делают вывод об общем состоянии микроциркуляторного русла по совокупности установленных или неустановленных нарушений. Количественная составляющая,определяемая посредством известного устройства и способа, заключается в том, что после визуальной оценки структурных единиц микроциркуляторного русла, зарегистрированных при биомикроскопическом исследовании, каждому из выявленных нарушений присваивают количество баллов в соответствии с системой оценки , которая включает восемь критериев 1. нарушение артерио-венозного соотношения,2. венозные саккуляции,3. неравномерность калибра,4. сладж-феномен,5. меандрическая извилистость,2 16406. сетчатая структура,7. сосудистые клубочки,8. аневризмы/кровоизлияния. Присвоение баллов осуществляют по принципу есть или нет. То есть при наличии нарушений, описываемых критериями 1-5, 8, каждому из них присваивают 1 балл. Для критериев 6, 7 в случаях, определяемых врачом, как, соответственно, выражена и множественные присваивают 2 балла. Если нарушения, описанные данными критериями, отсутствуют, то присваивают 0 баллов. Затем определяют сумму баллов, так называемый конъюнктивальный индекс, значения которого лежат в пределах от 0 до 12 баллов 1. Известные способы и реализующие их устройства посредством оптического стенда с источником рассеянного света и фото иили цифровой камеры являются недостаточно точными, т.к. оценку проводят по множеству критериев, большому значению суммирующих индексов, что затрудняет оценку состояния микроциркуляторного русла в динамике и у различных категорий пациентов, поскольку оценка каждого отдельного феномена является описательной, качественной. Количественной же составляющей являются итоговые индексы (или конъюнктивальные показатели), представляющие собой суммы баллов, которыми отмечаются те или иные нарушения. Еще одним важнейшим недостатком известных технологий является субъективизм при присвоении соответствующего количества баллов различным видам нарушений и, следовательно, значительная зависимость точности оценки состояния микроциркуляторного русла от подготовки и опыта исследователя. Кроме того, устройства, реализующие известный способ, не позволяют количественно оценить характер кровотока в сосудах, проводить достоверную оценку состояния микроциркуляторного русла в динамике наблюдения, а также при сравнении изменений в этой системе во время различных пред- и патологических состояниях, проводить исследования по единому, стандартному образцу, что является важным для преемственности наблюдений за пациентом в лечебно-профилактических учреждениях различного уровня и при проведении многоцентровых исследований 2. Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство для мониторинга морфологии микроциркуляторного русла бульбарной конъюнктивы глаза на основе алгоритмов быстрого оценивания геометрических параметров сетчатых структур(публикация). Устройство предназначено для диагностики глазных заболеваний на основе количественного оценивания изменений отдельных параметров микроциркуляторного русла. Устройство для диагностики состояния микроциркуляторного русла содержит электрически связанные между собой ПЗС-видеокамеру, оптический стенд с опорным источником облучения исследуемой зоны спектром видимых световых волн, управляющую ЭВМ и монитор, и программного комплекса, реализующего способ диагностики. Устройство работает следующим образом. Изображение микрососудов глаза пациента через интерфейс связи поступает в персональный компьютер, на котором с помощью известных технологий производят анализ исследуемых сосудов глаза и по бальной системе качественно оценивается состояние пациента 3. Устройство позволяет регистрировать исследуемые изображения сосудов глаз. Однако полученные результаты не дают общую количественную оценку состояния микроциркулярного русла бульбарной конъюнктивы глаза обследуемого пациента. Устройство обладает также рядом функциональных недостатков для проведения таких обследований. Оптимальным как с экономической, так и с точки зрения условий исследования является использование для конъюнктивальной биомикроскопии щелевых ламп, применяемых в офтальмологической практике. В отличие от других оптических стендов (бинокулярные микроскопы, фундус-камеры, капилляроскопы, контактные микроскопы), которые могут применяться с этой целью, при использовании щелевой лампы отсутствует значительное тепловое воздействие, необходимость применения местных анестетиков, в то же время есть возможность зафиксировать голову обследуемого, его взгляд, выбрать наиболее ин 3 1640 формативный участок конъюнктивы, оптимальное увеличение объектива, четко ограничить световое поле, регулировать освещенность объекта, использовать светофильтры. Использование конъюнктивальной биомикроскопии в качестве метода исследования требует оценки сложных многофакторных объектов, для получения надежной информации о которых, обеспечения высокой точности и диагностической информативности результатов исследований необходимо обеспечение сбора и цифровой обработки изображений микроциркуляторного русла в реальном масштабе времени. Основной причиной сложности поиска кровеносных сосудов на изображениях и измерения их характеристик является то, что реальные изображения характеризуются значительным динамическим диапазоном изменения яркости и палитры, зашумленностью и существенно зависят от условий наблюдений. Это требует больших усилий по приведению исходных изображений к определенному нормализованному виду, необходимому для обеспечения надежной работы системы. В основу полезной модели поставлена задача - повышение точности оценки состояния микроциркуляторного русла за счет устранения субъективного фактора путем получения интегральных количественных характеристик состояния микроциркулярного русла бульбарной конъюнктивы глаза обследуемого пациента. Решение задачи нахождения объектов определенного класса - это нахождение кровеносных сосудов, на изображении является сложной задачей распознавания. Основными интегральными компонентами, характеризующими изображение данных объектов, являются контуры и силуэты. Поставленная задача достигается тем, что устройство для диагностики состояния микроциркуляторного русла, содержащее электрически связанные между собой ПЗСвидеокамеру, оптический стенд с опорным источником облучения исследуемой зоны спектром видимых световых волн, управляющую ЭВМ и монитор, согласно полезной модели,снабжено вычислительной системой кластерного типа для обработки и количественной оценки изображений микроциркуляции сосудов глаза, а ЭВМ снабжена модулем вводавывода изображений с внешней синхронизацией с пульта оператора через интерфейс связи и модулем предварительной обработки входных изображений, для цифровой обработки входных изображений в реальном масштабе времени, при этом выход ПЗС-видеокамеры через интерфейс ввода и модуль ввода-вывода изображений связан с входом-выходом общей шины ЭВМ, на которой установлены модуль предварительной обработки изображений и сетевая карта, выход которой связан через коммутатор локальной вычислительной сети с входом вычислительной системы кластерного типа. В устройстве вычислительная система кластерного типа содержит, по меньшей мере,четыре параллельно электрически связанных между собой идентичных вычислительных узла, каждый из которых соединен через коммутатор локальной вычислительной сети друг с другом и управляющей ЭВМ и выполнены преимущественно в виде конструктива -. Техническая результат, достигаемый посредством полезной модели, состоит в разработке устройства, реализующего принципиально новую технологию проведения оценки состояния микроциркулярного русла бульбарной конъюнктивы глаза. Устройство поясняется чертежом, где фигура - блок-схема общего вида устройства. Устройство для диагностики состояния микроциркуляторного русла сосудов содержит электрически связанные между собой телевизионную ПЗС-видеокамеру 1, интерфейс 2 ввода в управляющую ЭВМ 3, управляющую ЭВМ 3 с модулем 4 ввода изображений и модулем 5 предварительной обработки изображений. Внешнюю синхронизацию работы устройства осуществляют с пульта 6 оператора через интерфейс 2 ввода в управляющую ЭВМ 3. Модуль 4 ввода изображений и модуль 5 предварительной обработки изображений соединены через коммутатор 7 локальной вычислительной сети с блоком высокопроизводительной вычислительной системы 8 кластерного типа. Визуализацию окончательного результата диагностики производят на мониторе 9. 4 1640 Блок высокопроизводительной вычислительной системы 8 выполнен с параллельной архитектурой и содержит, по меньшей мере, четыре параллельно электрически связанных между собой идентичных вычислительных узла 10, 11, 12, 13, каждый из которых соединен через коммутатор 7 локальной вычислительной сети друг с другом и управляющей ЭВМ 3 и выполнен преимущественно в виде конструктива -. Оптический стенд 14 для диагностики с опорным источником облучения исследуемой зоны спектром видимых световых электрически связан через ПЗС-видеокамеру 1, интерфейс 2 ввода в управляющую ЭВМ 3 с монитором 9. С входом-выходом общей шины 7 управляющей ЭВМ 16, предварительно обработанные изображения через сетевую карту 15, установленную в общую шину и модуль 4 ввода изображений и модуль 5 предварительной обработки изображений через сетевую карту 15, установленную в общую шину 16 управляющей ЭВМ и через коммутатор 7 локальной вычислительной сети соединены с блоком высокопроизводительной вычислительной системы 8 с параллельной архитектурой. Устройство для диагностики состояния сосудов микроциркуляторного русла работает следующим образом. Пациента размещают перед оптическим стендом 14 с опорным источником излучения. Посредством оптической системы стенда 14 и телевизионной ПЗСвидеокамеры 1 изображение сосудов микроциркуляторного русла по интерфейсу 2 ввода передается в управляющую ЭВМ 2 и по модулю 4 ввода-вывода изображений поступает на общую шину 16 управляющей ЭВМ. Синхронизация работы ЭВМ 3 устройства осуществляется с пульта 6 оператора. По общей шине 16 управляющей ЭВМ 3 исследуемое изображение поступает на модуль 5 предварительной обработки изображений, где осуществляется предварительная обработка поступившего изображения и возврат его на общую шину 16 для передачи на сетевую карту 15, с которой через коммутатор 7 локальной вычислительной сети оно поступает на блок высокопроизводительной вычислительной системы 8 с параллельной архитектурой. На четырех идентичных вычислительных узлах 10,11, 12, 13 осуществляют быстрое вычисление количественных параметров (ПКСК, ПКПК,ПКВК). Необходимость наличия, по меньшей мере, четырех вычислительных узлов 10, 11,12, 13 гарантирует минимально необходимое количество узлов, при котором проявляются высокие возможности распараллеливания процесса обработки, что позволяет за допустимо короткое время произвести обследование пациента. Параллельная обработка данных позволяет сократить время обследования пациента в несколько раз (5-10) и делает в принципе возможным проведение такого обследования в реальном масштабе времени. Такая технология значительно расширяет возможности существующих методик диагностики и создает условия для разработки новых методик, используемых для исследования системы микроциркуляции. Указанный результат достигается тем, что для исследования используется щелевая лампа, имеющая в своем составе цифровую камеру, и через интерфейс связи данные поступают в компьютер. Для предварительного улучшения вводимого изображения используют модуль 5 предварительной обработки изображений, построенный на однородной вычислительной среде и работающий в реальном масштабе времени, который позволяет убрать помехи и шумы. Синхронизация серии вводимых кадров осуществляется с помощью пульта 6 врачом, проводящим обследование пациента. Для ускорения процесса вычисления 22-х параметров, необходимых для расчета интегральных составляющих по формулам 1-3, в устройстве используют кластерную систему 10-13, включающую восемь процессоров. Процесс обследования одного пациента длится не более 15 минут. В качестве управляющей ЭВМ 3 возможно использование-1800, содержащей оперативную память объемом 1024 Мбайт, жесткий дискобъемом 18 Гбайт, 2 сетевых адаптера, видеокарту , флоппи-диск, -, монитор 17, клавиатуру, манипулятор мышь. Вычислительные узлы 10, 11, 12, 13 выполнены в конструктиве 1, каждый узел содержит 2-х процессорную системную плату, два 5 1640 микропроцессора 1,2 Ггц, оперативную память объемом 512 Мбайт, жесткий диск объемом 18 Гбайт, 2 встроенных сетевых адаптера. Коммутатор локальной вычислительной сети 7 -. В ходе обследования пациента выполняются следующие операции подготовка пациента и настройка оборудования на конкретное исследование, выбор последовательности необходимой серии кадров, при необходимости повторный ввод изображений, проведение предварительных расчетов и затем либо повторная работа с пациентом, либо окончательный расчет параметров. При разработке устройства, реализующего технологию количественной оценки состояния структурных единиц и микроциркуляторного русла в целом, учитывались 1. Возможности методов параллельной обработки данных 2. Необходимость однонаправленного изменения параметров, отражающих степень выраженности нарушения состояния структурной единицы, в пределах граничных значений. При этом в программном обеспечении на устройство необходимо наличие следующих функций возможности совмещения кадров по характерным признакам данного микрососудистого русла. Таковыми являются сосуды среднего или крупного калибра, имеющие, как правило, определенные изгибы, разветвления, или сосудистые образования в виде петель или клубочков. Необходимость этого обусловлена невозможностью жестко зафиксировать объект исследования перед объективом. Для корректной регистрации изображений при повторном обследовании необходима реализация возможности сравнения с предыдущим изображением в момент осмотра для выбора и регистрации того участка конъюнктивы, который был записан ранее. Участок выбираемый врачом для обследования выбирают таким образом, чтобы на нем были максимально представлены имеющиеся структурные единицы микроциркуляторного русла. При повторных обследованиях выбирается тот же участок. В качестве эталона используется объект-микрометр с ценой деления 0,01 мм. После фиксации изображения выделяется участок с одинаковой площадью, постоянной для всех измерений, - общая площадь изображения (общ.), которая разбивается на квадраты с единичной площадью 1 мм 2. После идентификации структурных единиц микроциркуляторного русла проводятся измерения следующих параметров для артериол(а), капилляров (с), венул- средний диаметр сосуда - измеряется диаметр сосуда в 10-ти участках и вычисляется среднее значение- общая длина сосудов одного вида - измеряется длина каждого из сосудов одного вида и вычисляется сумма- длина участка прямолинейного хода сосуда- длина контура сосуда в месте его расширения или сужения- длина отрезка, проведенного по прямому ходу сосуда- длина извитого участка сосуда- плотность капилляров - подсчитывается число капилляров в каждом квадрате и вычисляется среднее значение- минимальная плотность кровотока в сосуде- максимальная плотность кровотока в сосуде- поперечный диаметр агрегата 1 - длина агрегата- общая длина участков сосуда, в которых имеет место агрегация. Измеренные параметры структурных единиц микроциркуляторного русла используются далее для расчета коэффициентов, характеризующих состояние сосудистого, внесосудистого и внутрисосудистого звеньев . В качестве примера приведем результаты оценки состояния микроциркуляторного русла у практически здорового человека. Изображение бульбарной конъюнктивы пациентасодержит А - артериолы, С - капилляры,- венулы,- периваскулярный отек. Значения параметров структурных единиц микроциркуляторного русла составляют общ.7,77 мм 20,011 мм 0,006 мм 0,017 мм а 4,86 мм 22,67 мм 10,78 мм 10,45 мм 0,5 мм 0,125 мм 0,159 мм 0,197 мм 0,201 мм 0,565 мм 0,615 мм 0,27 мм 0,327 мм 0,674 мм 0,746 мм 0,14 мм 20 мм 20 мм 20 мм 24,99 мм 20 мм 285 отн.ед.125 отн.ед.1,5710-2 мм 28,1610-4 мм 20,051 мм 87 отн.ед.101 отн.ед.3,6910 -3 мм 25,3610 -4 мм 20,059 мм 116 отн.ед.140 отн.ед.3,3210 -2 мм 23,5710-4 мм 20,08 мм. Технический результат, получаемый в ходе реализации заявленного объекта, состоит в возможности получения интегральных количественных характеристик состояния микроциркулярного русла бульбарной конъюнктивы глаза обследуемого пациента. В связи с этим в заявленном устройстве производят обработку и анализ биомикроскопических изображений с использованием механизмов распараллеливания алгоритмов обработки изображений и использования многопроцессорных ЭВМ (высокопроизводительные вычислительные системы с параллельной архитектурой). Технологии и алгоритмы направлены на улучшение биомикроскопических изображений с целью обеспечения приемлемого зрительного восприятия для интерпретации изображений, а также для их автоматизированного анализа и расчета параметров в реальном масштабе времени. В общем случае систему обработки и анализа изображений кровеносных сосудов можно условно разделить на следующие функциональные модули модуль предварительной обработки, модуль сегментации, модуль оконтуривания и выделения сосудов, модуль расчета параметров. Новая технология проведения оценки состояния микроциркулярного русла бульбарной конъюнктивы глаза заключается в том, что в результате его реализации в заявляемом устройстве происходит вычисление по формулам (1)-(3) количественных параметров микроциркулярного русла парциального конъюнктивального сосудистого коэффициента(ПКСК) парциального конъюнктивального периваскулярного коэффициента (ПКПК) парциального конъюнктивального внутрисосудистого коэффициента (ПКВК) ПКСК 1/1/1/1/1/1//общ/(общ(1)-)/(-)//(-)/(-)/ . По приведенным выше формулам вычисляют значения коэффициентов, характеризующих состояние сосудистого, внесосудистого и внутрисосудистого звеньев микроциркуляции. Значения рассчитанных коэффициентов представлены в таблице. 1640 Оценка состояния конъюнктивальной микроциркуляции пациентаХарактеристики сосудистого Характеристики периваску- Внутрисосудистые характерусла лярного пространства ристики Показатель Значение Показатель Значение Показатель Значение 1,0 ПКСК 8,01 ПКПК 2,34 ПКВК 8,138 Общий конъюнктивальный коэффициент 18,49 Заключение Периваскулярный отек. Неравномерность кровотока в артериолах. Таким образом, как видно из представленных данных, разработанное устройство дает возможность проводить точную количественную оценку состояния структур микроциркуляторного русла. Это значительно повышает точность исследований, дает возможность дифференцировать причины нарушения микроциркуляции и количественно оценить эффективность проводимых лечебных воздействий. Промышленная применимость устройства ожидается на территории СНГ. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8