Актуальность моей работы направлена на решение... технической задачи по разработке и развитию новых медицинских устройств.

Актуальность моей работы направлена на решение важной научнотехнической задачи по разработке и развитию новых медицинских устройств.
В последние годы визуализация биологических процессов становится
основным способом проведения диагностических исследований. Медицинские
специалисты все чаще используют в своей работе аппаратные и программные
средства, представляющие визуальную информацию о работе органов пациента
в реальном времени.
На рубеже веков телекоммуникационные технологии все более активно
стали использоваться в сфере медицины. В целом ряде стран это достаточно
быстро развивающееся направление. Использование телекоммуникационных
технологий расширяет возможность предоставления медицинских услуг
определенным социальным группам. К таким категориям относятся пожилые
лица, для которых затруднительно выходить из дома и для которых
разрабатываются проекты "домашней телемедицины". Другая категория - лица,
проживающие в труднодоступных районах. Наконец, особая категория заключенные, чье перемещение затруднено из-за системы безопасности.
Основными
недостатками
такой
диагностики
является
слабое
программное оснащение существующих средств ее проведения. На данный
момент большинство специализированных систем лишь предоставляет
изображение
или
последовательность
изображений,
не
проводя
их
компьютерный анализ, который мог бы помочь провести распознавание. Таким
образом, эффективность работы даже автоматизированных диагностических
методов максимально зависит от квалификации исследователя и требует от него
визуально проводить всю необходимую в диагностике сегментацию.
Целью данной работы является создание инновационного устройства,
являющегося основной частью системы для фоторегистрации кожного покрова,
обладающей следующими основными преимуществами – портативность,
мобильность,
автономность,
возможность
экспресс-анализа полученных данных.
оперативного
качественного
Задача данной работы состоит в апробации метода определения цвета
кожи на основе обработки изображения, полученного при помощи смартфона.
Работа включает разработку методики получения изображений, обработки
изображений, архивации и программ диагностики патологических изменений
кожи обследуемых пациентов.
Указанная цель достигается решением следующих задач:

Создание устройства для цветового анализа кожи

Создание оптической и электронной системы

Создание интернет сервиса

Разработка методики обработки изображений

Разработка программы для обработки данных

Разработка методов анализа и клинического применения разработанного
метода и устройства.
Научная новизна. В результате проделанной работы получены следующие
научные и научно-технические результаты:

Разработан прототип устройства на основе фотокамеры для определения
цветовых характеристик кожи человека.

Разработана программа обработки изображений, получаемых с помощью
прототипа, с возможностью получения цветовых характеристик в различных
системах (RGB, L*a*b)

Показана
работоспособность
прототипа
на
примере
обработки
изображений участков кожи

Определены
научно-технические
и
экономические
перспективы
создания устройства.
Предмет телемедицины заключается в передаче медицинской информации
между отдаленными друг от друга пунктами, где находятся пациенты, врачи,
другие провайдеры медицинской помощи, между отдельными медицинскими
учреждениями.
Телемедицина
подразумевает
использование
телекоммуникаций для связи медицинских специалистов с клиниками,
больницами, врачами, оказывающими первичную помощь, пациентами,
находящимися на расстоянии, с целью диагностики, лечения, консультации и
непрерывного обучения.
Телемедицина
–
метод
предоставления
услуг
обслуживанию там, где расстояние является
по
медицинскому
критическим фактором.
Предоставление услуг осуществляется представителями всех медицинских
специальностей
с
использованием
информационно-коммуникационных
технологий после получения информации, необходимой для диагностики,
лечения и профилактики заболевания. Телемедицина - это направление на
стыке нескольких областей - медицины, телекоммуникаций, информационных
технологий, образования. Бесспорно, что одно из главных достоинств
телемедицины - это возможность предоставить высококвалифицированную
помощь специалистов ведущих медицинских центров в отдаленных районах и
существенно сэкономить при этом затраты пациентов.
Несмотря на то, что сегодня телемедицина считается преимущественно
дистанционной диагностикой, потенциальные возможности её существенно
шире. Например, перспективным направлением является дерматоскопия и
дистанционное
Перспективы
обследование
телемедицины
пациентов
также
с
различными
взаимосвязаны
патологиями.
с
дальнейшей
миниатюризацией измерительных средств, робототехники, внедрением смарттехнологий,
новейших
достижений
информационных
технологий
и
прикладных аспектов нанотехнологии. Основной тенденцией развития
телемедицинских технологий сегодня является создание региональных
телемедицинских сетей. Они будут развиваться как вглубь территорий, чтобы
охватить большее число учреждений здравоохранения, так и объединяться друг
с другом. При этом будут использоваться наземные и спутниковые, волоконнооптические и беспроводные, широкополосные и сети мобильных операторов –
все доступные человечеству средства связи.
Направление это достаточно новое, особенно для России. Единая схема
стандарта обмена медицинскими данными в электронном виде полученных
данных является ценным свойством не только для клинических, но и для
статистических исследований. Общая структура стандарта включает:

движение пациентов (поступление, выписка, перевод);

порядок поступления;

финансовые вопросы (биллинг);

данные клинических наблюдений;

интерфейс для данных общего назначения;

информацию для руководящего персонала;

назначения, операции и лечебные процедуры;

систему эпикризов.
В рамках концепции телемедицины, а также для проведения клинических
и
амбулаторных
исследований
удобно
использовать
смартфоны,
как
устройства, в которых уже предусмотрены технические средства для получения
информации и передачи данных на удаленную обработку. Известны способы
определения состояния кожи человека на основе измерения цветовых
характеристик кожи. Например, в солярии покраснение кожи может говорить о
превышении дозы ультрафиолетового излучения, воспалительной реакции и
т.д.. Физиологические нарушения в коже не всегда можно визуально
определить, без применения соответствующих приборов.
Описание конструкции и принципа действия устройства
Данное устройство разрабатывается как многофункциональное
устройство, соединяющие в себе всё необходимое для практической
деятельности врача или учёного-дерматолога, поэтому очень большое
внимание было уделено вопросу максимальной простоты и лёгкости получения
дерматоскопических изображений.
Изображения, получаемые с помощью разрабатываемой системы
насадки и смартфона, отвечают высоким требованиям, предъявляемым к
дерматоскопической фотографии. Разрабатываемая насадка создаёт наилучшие
условия освещения объекта снимка с помощью, поляризованной или кроссполяризованной подсветки, что способствует получению совершенно ясного и
детального изображения. Квадратное основание насадки позволяет более
надёжно фиксировать прибор во время снимка, предотвращая нежелательную
вибрацию. Мощное увеличение оптической линзы даёт изображения глубокой
детализации и чёткости. Поэтому те специалисты, которые хотят получать
дерматоскопические
снимки
такого
качества,
которое
соответствует
современному уровню развития дерматологии, должны пользоваться для
диагностической
работы
только
подобными
высокоэффективными
специализированными средствами.
а
б
Рисунок – 1. Фотография кожного покрова с помощью смартфона
без применения специальной насадки (а) и с насадкой (б)
а
б
Рисунок – 2. а) Макроизображение, сделанное с помощью смартфона.
б) Микрофотография того же объекта,
полученная с помощью разрабатываемого устройства.
За последние годы идёт очень быстрое обновление моделей камер,
появляются камеры с новыми, продвинутыми характеристиками за вполне
приемлемую цену. Это даёт дополнительные возможности выбора интересных
решений для качественной дерматоскопии. Нужно иметь в виду, что мы
предлагаем готовые решения только потому, что это сильно экономит время и
силы пользователей, так как попытка самостоятельно подобрать адаптер к уже
имеющейся (купленной когда-то ранее) фотокамере, скорее всего, будет
безуспешной или займёт слишком много времени, да и конечный результат в
этом случае трудно предсказать.
Разрабатываемое
устройство
предназначено
для
получения
дерматоскопических изображений кожного покрова для последующего анализа
с возможностью объективизации данных и определения диагностических
критериев. Данное устройство компактно, автономно, с возможностью
регистрации полученных изображений и возможностью их передачи.
Разрабатываемое устройство состоит из: смартфона, объектива и
оптической насадки.
Проект предполагает разработку измерительного устройства на основе
смартфона для применения в дерматологии.
Прямое фотографирование кожного покрова с помощью смартфона
затруднено тем, что он не предназначен для получения изображения на таком
малом расстоянии. Фотография без применения специальной насадки с
дополнительной
(согласующей)
линзой
получается
размытой
и
некачественной.
Большинство
производства
недорогих
микрофотографии
смартфонов
и
не
имеет
не
предназначено
такой
для
функциональной
возможности. Однако в верхнем сегменте этого ряда сейчас представлены
смартфоны, которые ввиду быстрого прогресса имеют довольно продвинутые
характеристики, а некоторые из них позволяют получать снимки, качество
которых способно в известной мере удовлетворить вкус даже наиболее
продвинутых слоёв широкой публики, хотя в большинстве случаев оно по ряду
условий не может сравниться с профессиональным. Ни один из стандартного
ряда смартфонов не способен самостоятельно справиться с задачами
дерматоскопической микрофотографии. Конечно, ими можно сделать снимок
участка кожи с расстояния 4-5 см, но получаемое изображение не сможет
претендовать
на
соответствие
требованиям,
предъявляемым
к
микрофотографии. Взять хотя бы условия освещённости. Светосила объектива
в этом случае совершенно недостаточна для производства чёткого снимка.
Снимок будет неясен из-за наличия отражённого света (так как освещение
рассеянное и падает под углом к поверхности) и из-за возможной вибрации, и
будет иметь цветовые искажения. Размер и разрешение получаемого
изображения будут недостаточны для выявления мелких критических деталей,
важных для диагностики. В общем, такой снимок можно отнести к разряду
любительской, непрофессиональной фотографии, могущей служить для какихто вспомогательных целей, но никак не в качестве основы для диагностической
работы.
Формулы определения координат RGB, XYZ
Способ
измерения
цвета
участка
поверхности
тела
пациента
осуществляется следующим образом. [1]
Цвет участка поверхности тела пациента измеряется с помощью
спектрального прибора по спектрам отражения или с помощью цифрового
фотоаппарата.
При использовании спектрального прибора с помощью двух световодов,
по одному из которых происходит облучение участка поверхности тела, а по
второму отраженный свет передается на спектральный прибор, измеряются
спектры отражения участка поверхности тела в видимой области спектра. В
колориметрической системе МКО 1931 года координаты цвета X, Y, Z
определяются по формулам:
X = k ∑ φ(λ)x (λ)∆λ (1)
λ
Y = k ∑ φ(λ)y (λ)∆λ (2)
λ
Z = k ∑ φ(λ)z (λ)∆λ (3)
λ
Где:
𝑘=
100
(4)
∑λ S(λ)x (λ)∆λ
𝑘=
100
(5)
∑λ S(λ)y (λ)∆λ
𝑘=
100
(6)
∑λ S(λ)z (λ)∆λ
где: 𝑆(𝜆)- спектральное распределение энергии источника света
𝑥(𝜆), 𝑦(𝜆), 𝑧(𝜆)удельные координаты цвета
С помощью смартфона получают цветную фотографию, из которой
определяют координаты цвета RGB. Координаты цвета X, Y, Z связаны с
основными цветами системы RGB уравнениями:
X=0.4184R – 0.0912G + 0.0009B (7)
Y=0.1587R + 0.25240G – 0.0025B (8)
Z= – 0.0828R + 0.0157G + 0.1786B (9)
Координаты цветности x, y, z связаны с координатами цвета X, Y, Z
соотношениями:
x=
X
(10)
X+Y+Z
y=
Y
(11)
X+Y+Z
z=
Z
(12)
X+Y+Z
Как следует из формул (1), (2) и (3), координаты цвета зависят от
спектрального распределения источника, которое меняется во времени. Для
определения этого распределения используют эталонный образец. В качестве
эталонного образца выступает белый цвет.
Формулы определения координат CIELAB. Преобразование XYZ -> L*a*b*
L*=116 f( Y/Yn)-16 (13)
a* = 500 [f(X/Xn) - f( Y/Yn)] (14)
b* = 200 [f( Y/Yn) - f(Z/Zn) ] (15)
Где:
6 3
𝑡 , 𝑡>( )
29
𝑓(𝑡) =
(16)
2
1 29
4
( ) 𝑡+
29
{3 6
1/3
Значения Xn, Yn и Zn это координаты белой точки в значениях CIE
XYZ (буква n означает «нормализованность»).
Разделение функции f(t) на два участка было сделано чтобы избежать
точки бесконечной сингулярности при t=0. f(t) предполагается линейной при
значениях меньших t=t0 и cоответствуетt1/3 на участке t0. Другими словами:
{| −
1/3
|t 0 |=
2
3
|at 0 + b|(соответствуетзначению)| − |1/(3t 0 )| =
|a|(соответствует кривой) |}
(17)
Значение 𝛿 выбрано 16/116. Приведенные выше уравнения могут
быть решены для a и t0.
{| − |𝑎| = |1/(3𝛿 2 )| = 7.787037 … | − |𝑡0 | = |𝛿 3 |= 0.008856 … }
(18)
Где 𝛿 = 6/29. Заметим что 16/116 = 2𝛿/3.
CIELAB предоставляет возможность избирательного воздействия на
отдельные цвета в изображении, усиление цветового контраста, незаменимыми
являются и возможности, которые это цветовое пространство предоставляет
для борьбы с шумом на цифровых фотографиях.
Получив снимок, он отправляется на удаленный сервер системной
обработки
изображений.
Далее
программа
обрабатывает
полученное
изображение и выдает результат пациенту, врачам различных специальностей
(дерматолог, аллерголог, педиатр, косметолог и т.д.)
Таким образом, данный метод позволяет использовать любые системы
описания цвета, которые можно получить с помощью RGB – анализа. На основе
смартфона возможно получение изображения кожного покрова с дальнейшей
обработкой, в том числе в условиях телемедицины.
Библиографический список
1.
Синичкин Ю.П., Утц С.Р., Пилипенко Е.А. In vivo лазерная
флуоресцентная спектроскопия кожи человека: влияние эритемы / / Оптика и
спектроскопия. 1994. Т.76. №5. С.864-868.
2.
Дэн Маргулис Photoshop для профессионалов. Классическое руководство
по цветокоррекции — М:. Интерсофтмарк, 2003.
3.
Петрова Г.А., Дерпалюк Е.Н. Возможности оптической когерентной
томографии в дифференциальной диагностике и мониторинге заболеваний
кожи. // Вестник дерматологии и венерологии 2002. №5. С 4-11.