А . В . Максименюк , Е . Я . Швец , канд . техн . наук , А . В . Юдачев , И . Ф . Червоный , д - р техн . наук

Аппарат для иридодиагностики

Введение

Диагностика болезней по радужной оболочке глаза известна с давних времен. Особое место отводится диагностике по изменениям радужной оболочки глаза [1, 2]. Иридодиагностика заключается в визуальном исследовании радужной оболочки глаза с помощью различных увеличительных приборов. Различают осмотр радужной оболочки - иридоскопию и фотографирование - иридографию. При иридоскопии применяют щелевые лампы типа ЩЛ-56 или аналогичные им. Освещение радужной оболочки при иридодиагностике осуществляется на основе метода диффузионного освещения с помощью ламп накаливания.

В иридографии используют щелевые лампы с фотонасадками. Ранее снимок выполнялся, как правило, на цветной позитивной пленке «0RW0 CHROM UT-18» [1, 2]. В настоящее время идет замена фотонасадок их цифровыми аналогами, но еще существуют насадки с использованием цветной позитивной пленки. Проведение таких исследований радужной оболочки глаза требует затемненной комнаты и тщательной обработки фотопленки со слайдами.

Из этого следует, что для проведения иридодиагностики требуется достаточно громоздкое и дорогостоящее оптическое оборудование, а также техническая оснастка для обработки цветной позитивной пленки. Кроме того, необходимо дополнительное оборудование для преобразования информации в цифровую форму с целью дальнейшей обработки при помощи программных комплексов. Целью настоящей работы является разработка малогабаритного программно-технического комплекса, позволяющего получать цифровые изображения радужной оболочки глаза пациентов, сохранять их и оперативно анализировать [3].

В данной работе, носящей экспериментальный характер, показана возможность решения поставленной задачи с помощью WEB-камеры.

Проведение эксперимента

Диаметр радужной оболочки глаза взрослого человека - порядка d = 10мм. Ширина волокна на радужной оболочки глаза - около / =0,05мм. Для распознавания волокон и при анализе образов лакун необходимо, чтобы ширина волокна в оцифрованной форме составляла не менее к = 2 пикселей. Поэтому, размер оцифрованного изображения с радужной оболочкой глаза вычисляется по формуле

и должен быть не менее 400x400 пикселей.

Для работы экспертной системы постановки диагноза необходимо распознавать цвет участков радужной оболочки глаза, для чего видеокамера должна иметь узел автоматической коррекции баланса белого цвета.

Поскольку камера устанавливается близко к глазу пациента, на светочувствительный элемент камеры влияет инфракрасное излучение человека, что приводит к нарушению цветопередачи изображения. Поэтому видеокамера должна иметь защиту от внешнего инфракрасного излучения.

Для получения слайда размером 400*400 пикселей и, учитывая, что объектив видеокамеры находится от глаза пациента на расстоянии примерно 15 мм, угол раскрытия объектива должен быть в пределах 40-50°. Дополнительное требование к объективу - необходима система дистанционного управление фокусировкой изображения. Относительно быстродействия видеокамеры повышенных требований не предъявляется, так как слайды получают с неподвижного глаза пациента.

Видеокамеры, применяемые в настоящее время в различных областях, можно разделить на аналоговые, цифровые и WEB-камеры.

В аналоговых видеокамерах сигнал, получаемый с матрицы ПЗС (прибор с зарядовой связью), обрабатывается с помощью аналоговых схем, а выходной сигнал видеокамеры

представляет собой полный цветовой телевизионный сигнал. Недостатком таких камер является отсутствие блока оцифровки изображения. Структурная схема аналоговой видеокамеры представлена на рис. 1.

Цифровые видеокамеры имеют блок цифровой обработки сигнала и формируют более качественное изображение, которое можно передавать в виде цифрового сигнала. В таких системах аналоговый сигнал, снимаемый с матрицы ПЗС, проходит через аналого-цифровой преобразователь, разделяется на яркостную и цветовую компоненты, обрабатывается микропроцессором и поступает на цифровой монитор. Подобный метод позволяет существенно улучшить качество и облегчить дальнейшую передачу и обработку изображения. Как правило, цифровые камеры имеют аналоговый и цифровой выходы. Недостатком таких камер является потребность в наличии видеокарты с видеовходом для передачи изображения на компьютер. Структурная схема цифровой видеокамеры представлена на рис. 2.

Основные фирмы-производители и характеристики наиболее распространенных цифровых бескорпусных видеокамер представлены в таблице.

Таблица

WEB-камера - это цифровое устройство, которое может передавать оцифрованное видеоизображение через USB-порт. Работа WEB-камеры в сети не требует специальных устройств для подключения в сеть или к персональному компьютеру. Структурная схема WEB-камеры представлена на рис. 3.

В качестве фотоприемника в большинстве WEB-камер применяется ПЗС-матрица в виде прямоугольной светочувствительной полупроводниковой пластины с отношением сторон 3:4,которая преобразует падающий на нее свет в электрический сигнал. ПЗС-матрица состоит из большого числа светочувствительных ячеек. Чтобы повысить световую чувствительность ПЗС-матрицы, формируют структуру, которая создает микролинзу перед каждой из ячеек. Разрешающая способность таких камер, как правило, составляет 330-600 телевизионных линий.

Объектив является неотъемлемой частью WEB-камеры, и от правильности его выбора и установки зависит качество видеоизображения. Часто объектив входит в комплект поставки WEB-камеры. Оптические инфракрасные отсекающие фильтры, которые устанавливают в WEB-камеры, представляют собой оптически точные плоскопараллельные пластинки, монтируемые сверху ПЗС-матрицы, которые работают как оптические низкочастотные фильтры с частотой среза около 700 нм вблизи красного цвета и отсекают инфракрасную составляющую световых волн, обеспечивая тем самым правильную цветопередачу WEB-камеры. Блок оцифровки осуществляет преобразование аналогового электрического сигнала, сформированного ПЗС-матрицей, в цифровой формат.

Согласно проведенным расчетам разрешающей способности камеры, наличию автоматического баланса белого цвета, инфракрасного фильтра, легкой оцифровки изображения и передачи на компьютер, а также учитывая невысокую стоимость WEB-камер, их целесообразно использовать для создания аппарата для иридодиагностики.

Для проведения экспериментов была выбрана видеокамера WEBcam-LG (аналог видеокамер фирмы Watec) с фокусным расстоянием 4,5 мм. Для получения максимального увеличения радужной оболочки такое фокусное расстояние требовало расположения видеокамеры вблизи к глазу пациента, что создавало ему некомфортное состояние. Для увеличения фокусного расстояния в состав видеокамеры введена дополнительная оптическая система. Последующие эксперименты показали, что при применении дополнительной оптической системы расстояние до глаза пациента увеличилось до 15 мм. Видеокамера соединяется с компьютером при помощи кабеля через USB-порт. Структурная схема усовершенствованной камеры представлена на рис. 4.

Равномерное освещение радужной оболочки первоначально обеспечивалось маломощными лампами накаливания белого цвета совместно с рассеивающим фильтром. При опробовании такого осветителя уровень и равномерность освещения радужной оболочки были достаточными, но на слайде была отчетливо видна спираль лампы накаливания. Для освещения без таких дефектов в качестве осветителей были установлены светодиоды белого цвета. Это позволило убрать эффект спирали на слайде и снизить ток потребления осветителя. Кроме того, за счет регулирования силы тока, протекающего через светодиоды осветителя, появилась возможность в широких пределах регулировать уровень освещенности радужной оболочки без применения дополнительных механических диафрагм. Идеальное исследование радужной оболочки глаза затруднительно, так как перед оболочкой находится полусферическая роговица. Это неизбежно ведет к отражению источника освещения на зеркальной поверхности роговицы, которое в виде блика закрывает важные для диагностики участки радужной оболочки. Чтобы исключить потери информации, необходимо блик, мешающий обзору, переводить в центр зрачка. С этой целью была изменена конструкция осветителя для освещения радужной оболочки и предусмотрена регулировка угла падения лучей осветителя на радужку. В результате этого удалось сместить мешающий блик в центр зрачка глаза.

Для того, чтобы избежать дополнительной засветки радужной оболочки, в устройстве применен светоизолирующий экран из черной ткани. За счет этого иридодиагностический комплекс можно использовать в любых помещениях (не требуется специально оборудованная темная комната).

Проведенные исследования позволили разработать иридографический комплекс (рис. 5), предназначенный получать слайды радужной оболочки глаза пациента при использовании и постановки диазноза.

Комплекс состоит из малогабаритной видеокамеры(1) с объективом (5), двух осветителей (3), двух отражающе-экранов (2), схемы управления интенсивностью свечения светодиодных осветителей (6), соединительного кабеля (8).

Устройство выполнено в корпусе (7) из светопоглощающего ударопрочного полистирола. Внутри корпуса установлена малогабаритная цифровая видеокамера (1), с помощью которой изображение радужной оболочки глаза (4) пациента преобразуется в цифровой вид и передается в компьютер для дальнейшей обработки. Формат получаемого изображения 640 х 480 точек, что вполне достаточно для его дальнейшей обработки без потери качества. Радужная оболочка глаза пациента для получения слайда подсвечивается двумя светодиодными осветителями (3) белого рассеянного света. Для равномерного освещения используется прямой рассеиватель, выполненный из молочного оргстекла, и белый матовый экран (2). Для возможности смещения мешающего блика в зону зрачка на правую или левую половину радужной оболочки светодиодные осветители снабжены устройствами поворота на некоторый угол в горизонтальной плоскости.

Оптимальная освещенность радужной оболочки глаза пациента, необходимая для получения качественного слайда, обеспечивается с помощью схемы управления интенсивностью свечения светодиодных осветителей. Это позволяет обойтись без устройства диафрагмирования, что существенно уменьшает габариты, массу и снижает стоимость иридографического блока.

Устройство соединяется с компьютером кабелем через USB-порт (8). Напряжение питания малогабаритной видеокамеры и светодиодных осветителей подводится также с USВ-порта компьютера.

Пример изображения радужки, полученного с помощью данного устройства, показан на рис. 6. Полученное изображение передается в программный комплекс для обработки, анализа и постановки диагноза.

Рис. 6. Изображение радужки глаза

Выводы

Разработанное устройство иридографии позволяет оперативно проводить диагностику пациентов. сохранять изображения радужной оболочки глаза в электронном виде для дальнейшего анализа. Прибор имеет малые габариты и вес и может размещаться на рабочем столеофтальмолога.

Эксплуатация не требует помещений, специально приспособленных для

офтальмологических исследований. В случае, если в состав комплекса входит компьютер класса Notebook, его можно использовать в службах «Скорой помощи» и профосмотровыми выездными бригадами.

Литература

1. Вельховер ЕС Клиническая иридология. - М. Орбита, 1992.-432 с.
2. Вельховер ЕС, Ананин В.Ф. Введение в иридодиагностику. Пупилладиагностика. - М
   УДН, 1991.-211 с.
3. Вельховер ЕС, Бондур В.Г. Основные направления компьютерной иридодиагностики //Иридолог. Сборник материалов Всесоюзной ассоциации иридологов. - 1990. - № 4. - С. 5-12.