Лазерный аппаратно-программный офтальмологический комплекс

Трудно найти другую область лазерной медицины, успехи в которой за почти полувековой период развития лазерной техники были бы сравнимы с достижениями в области офтальмологии. Это, прежде всего, фантастические результаты в области хирургии, терапии и диагностики, прежде всего фотодинамической диагностики и терапии. Долгое время в мировой практике самым распространенным для этих целей оставался лазер на красителе с накачкой арюновым лазером Затем для накачки стали использовать лазеры па парах металлов, например, лазер накачки на парах меди Данные лазерные системы были громоздкими, требовали мощного трехфазного питания, водяного охлаждения и имели высокую стоимость Им на смену пришли лазеры на парах золота, генерирующие свет с длиной волны 628 пм. В текущем десятилетии в лазерах на красителях в качестве лазера накачки стали использовать КТР-лазер Это довольно широко применяемый в хирургии и хорошо известный высокоэнергетический YAG-Nd лазер с длиной волны излучения 1064 им. За счет удвоения частоты используют зеленый свет с длиной волны 532 нм. Для приспособления этого серийного хирургического лазера для целей офтальмологической фотодинамической терапии потребовалось дополнение его модулем с красителем, обеспечивающим требуемую перестраиваемую длину волны света Менее громоздкий и более удобный для клинического применения лазер на красителе с накачкой КТР-лазером оставался дорогим. Наконец, новым этапом в развитии лазерной техники для фотодинамической терапии явилось появление компактных недорогих диодных лазеров. Диодные лазеры обеспечивают адекватную для целей офтальмологической фотодинамической терапии плотность мощности Однако, для создания недорогих, компактных офтальмологических комплексов требуется создать одномодовые лазерные диоды не только адекватной мощности для генерации излучения с длиной волны 630 пм, но и лазерные диоды, обладающие малой расходимостью излучения Это одна из наиболее актуальных задач.

Лазерные офтальмоло! ичсские комплексы должны быть оснащены не только современными лазерными излучателями, но и использовать возможности современной компьютерной техники для создания интеллектуальных систем офтальмоскопии.

Достижения в области офтальмоскопии являются несоизмеримыми и представляются куда более скромными. По-прежнему, врач вынужден визуально оценивать состояние тканей глазного дна при постановке диагноза. Этот дисбаланс становится все более нетерпимым в условиях возрастания потребностей в создании информационных интеллектуальных систем, приближающихся по возможностям к человеку. В развитых странах наметился значительный росг публикаций и финансирования в направлении ликвидации этою противоречия.

Все большее распространение получают системы автоматизированного ввода офтальмоскопической информации через различные типы сканеров, а также цифровых фотои видеокамер При этом по разрешающей способности такие системы ввода вполне приближаются к зрению человека, а с учетом быстродействия ближайшей технической моделью глаза, очевидно, являются видеои цифровые фотокамеры. Так ПЗС матрица цифровой фотокамеры обеспечивает разрешение до 3 млн. пикселей на кадр

Тем не менее, возможности интеллектуального анализа изображений с помощью компьютеров оставляют желать большего Необходимость углубленной их обработки и распознавания требуют, по крайней мере, две области приложений: мониторинг изменений состояния тканей глазного дна в процессе лазерной хирургии и терапии, экспертные системы диагностики. Интеллектуальные информационные системы, снабженные компьютерным зрением позволят сравнительно быстро определять дозы лазерного излучения в процессе проведения терапии или хирургии, определять зоны необходимого воздействия лазерного излучения, регистрировать в реальном масштабе времени изменения в тканях глазного дна, контролировать отдаленные последствия проведенных лазерных воздействий, а также обеспечивать диагностику и идентификацию патологических образований. Экспертные системы, опирающиеся па базы данных, включающие изображения патологических образований, для поиска и распознавания патологий требуют быстрого и надежною анализа оцифрованной видеоинформации в специализированных архивах изображений офтальмологических центров либо в базах Интернет.

Цель диссертационной работы:

Разработка принципов создания лазерных полупроводниковых излучателей, обладающих малой расходимостью, для офтальмологических комплексов.

Проведение теоретических и экспериментальных исследований по разработке методов обработки лазерно индуцированных и цветных изображений биологических тканей глазного дна, которые позволили бы определить наличие патологии, выявить ее локализацию и, одновременно с этим провести оценку состояния тканей в ее глубине.

Задачи исследований:

1. Разработка принципов создания одномодовых полупроводниковых лазеров, обладающих малой расходимостью излучения.

2 Разработка математической модели распространения лазерного излучения и излучения флуоресценции в биологических тканях глазного дна.

3 Разработка математической модели формирования цветною изображения тканей глазного дна с учетом неоднородного распределения оптических характеристик тканей1 коэффициентов рассеяния, поиющения и фактора анизотропии рассеямия.

4. Разработка методов анализа флуоресцентных и цветных изображений, позволяющих выявить достоверные диагностические критерии наличия патологических областей.

5. Разработка методов количественной оценки степени патологии тканей, определения ее границ.

6. Проведение экспериментальных и клинических исследований по верификации разработанных математических моделей и оценки чувствительности и специфичности разработанных информационных технологий.

Научная новизна работы:

• Разработаны новые принципы построения инжекционных лазерных излучателей, использующих эффект нарушенного Френелевского отражения.

• Предложены новые схемы построения инжекционных лазерных излучателей, использующих эффект нарушенного Френелевского отражения, обладающие высокими селектирующими свойствами диэлектрических резонаторов.

• Предложены новые схемы построения систем когерентного сложения излучения нескольких инжекционных лазеров, использующих эффект нарушенного Френелевского отражения.

• Разработана математическая модель распространения лазерного излучения и излучения флуоресценции в биологических тканях глазного дна, позволяющая учесть пространственную неоднородность оптических свойств тканей Проведено моделирование распространения лазерного излучения и излучения флуоресценции в биологических тканях глазного дна. Показано, что использование модели слоистой структуры тканей, в которых основными поглотителями являются меланин и гемоглобин крови, позволяет предсказать основные оптические характеристики диффузною рассеяния от тканей глазною дна.

• Впервые разработана математическая модель формирования цветного изображения тканей глазного дна с учетом неоднородного распределения оптических характеристик тканей коэффициентов рассеяния, поглощения и фактора анизотропии рассеяния Проведено моделирование формирования цветного изображения тканей Установлено, что основными поглотителями, определяющими цвет тканей глазного дна, являются меланин и гемоглобин крови.

• Найдены информационные параметры, позволяющие выявить достоверные диашостические критерии наличия патологических областей, изменение формы и положения на диаграмме коэффициентов цветности результатов преобразования цветного изображения, изменение скорости нарастания интенсивности флуоресценции при флуоресцентной ангиографии.

• Разработаны новые методы анализа и синтеза цветных и лазерно индуцированных флуоресцентных изображений. Показано, что корреляционные методы оценки распределений коэффициентов цветности позволяют находить границы и локализовать расположение патологических областей на изображениях глазного дна с более высокой чувствительностью и специфичностью по сравнению с другими методами.

• Впервые проведены экспериментальные и клинические исследования по верификации разработанных математических моделей, оценки чувствительности и специфичности разработанных информационных технологий. Показано, что разработанные методы анализа цвета, могут быть использованы для диагностики заболеваний и оценки динамики лечения. Установлено, что скорость нарастания и характер временного изменения интенсивности флуоресценции также могут быть использованы для диагностики заболеваний и оценки динамики лечения.

Практическая ценность и внедрение результатов работы:

В диссертационной работе решена важная научно-техническая и прикладная задача разработки лазерного офтальмологического аппаратно-программного комплекса и информационных технологий анализа и синтеза лазерно-индуцированных флуоресцентных и цветных изображений тканей глазного дна Предложены и практически реализованы:

• новые схемы диэлектрических резонаторов инжекционных лазеров и методы оценки их селективных свойств.

• новые информационные критерии оценки и мониториша изменения оптических характеристик тканей глазного дна.

• новые методики, алгоритмы и программы расчета распространения лазерного излучения в оптически неоднородных, рассеивающих тканях глазного дна.

• новые методики, алгоритмы и программы расчета формирования цвета изображения тканей глазного дна.

• новые методики, алгоритмы и программы синтеза цветных ангиографических изображений.

• Основные результаты диссертационной работы внедрены в НИИ Глазных Болезней РАМН РФ и в учебный процесс МИРЭА.

Положения, выносимые на защиту:

1 Диэлектрические резонаторы инспекционных лазеров могут быть модернизированы без нарушения технологии их изготовления с помощью использования эффектов нарушенного Френелевского отражения.

2 Используя селективные свойства модернизированных инжекционных лазеров, можно получать одномодовое излучение, требуемое для офтальмоло1 ических комплексов.

3. Формирование цветного изображения в офтальмологическом комплексе с помощью трехцветного лазерного источника излучения создает для пациентов более комфортные условия проведения офтальмологической диагностики.

4. Цветное изображение глазного дна обладает достаточной информационной емкостью для проведения диагностики заболеваний и мониторинга процесса лечения.

5 Корреляционные методы анализа цвета являются наиболее чувствительными к изменению картины распределения цвета.

6 Синтез цветного изображения из ангиографических флуоресцентных изображений позволяет оценивать динамику кровеснабжения тканей глазного дна. Анализ синтезированных цветных ангиографических изображений корреляционными методами позволяет проводить диагностику заболеваний и мониторинг процесса лечения.

7. Фотодинамическая лазерная диагностика и терапия являются наиболее перспективными методами диашостики и лечения многих заболеваний тканей глазного дна, включая онкологические заболевания.

Краткая аннотация по главам.

Первая глава посвящена разработке аппаратной части лазерного офтальмологическою комплекса.

Сформулирован перечень задач и основные технические требования к аппаратуре, реализующей новые информационные технологии. Требования касаются прежде всего источника лазерного излучения.

Показано, что терапевтическое применение лазеров при лечении заболеваний тканей глазного дна развивается в трех направлениях: фотодинамическая терапия, гипертермическая лазерная терапия, коагуляционная лазерная терапия.

Излагаются основные физические принципы и технические решения построения лазерных диагностических и терапевтических комплексов аппаратуры, предназначенной для исследования оптических свойств тканей глазного дна и проведения лазерной фотодипамической терапии.

Разработан новый принцип построения лазерных инжекционных излучателей, основанный на использовании для улучшения пространственно-частотных свойств основного диэлектрическою резонатора эффеета, названного нарушенным Френелевским отражением, по аналогии с известным эффектом нарушенного полного внутреннего отражения. Показано, что с помощью нарушенного Френелевского отражения легко сформировать в резонаторе практически Гауссовы пучки излучения.

Найти точные решения для диэлектрического резонатора с границами раздела сред, у которых нарушено отражение за счет контакта с другими диэлектрическими резонаторами или волноводами, в аналитической форме праетически невозможно. Поэтому проведены приближенные оценки селективных свойств таких резонаторов Их проведение основано на анализе поведения зависимостей коэффициентов отражения и пропускания границ раздела сред с нарушенным отражением от пространственной поперечной координаты, угла падения волны, размера получаемой «мягкой диафрагмы», а также на поведении собственных функций и собственных чисел невозмущенных диэлектрических резонаторов.

Рассмотрены различные варианты построения одномодовых инжекционных лазеров и проведены оценки селективных свойств использованных резонаторов.

В работе рекомендован альтернативный способ освещения — освещение с помощью высоконаправленного лазерного излучения с размером поперечного сечения лазерного пучка гораздо меньшего размера входного отверстия зрачка.

Цветные изображения рекомендовано получать с помощью трех лазеров1 газового лазера на ионах арюна с длиной волны излучения 488 нм, излучения 532 нм — второй гармоники твердотельного YAG лазера и полупроводникового диодного лазера с длиной волны излучения 670 нм.

Вторая глава посвящена разработке программной части лазерного офтальмологического комплекса.

Программная часть комплекса базируется на разработке математических моделей распространения лазерного излучения в биологических тканях глазною дна, разработке математических моделей формирования цветного изображения и моделированию распространения лазерного излучения и формирования цветного изображения тканей глазною дна.

В использованной модели распространения лазерного излучения биологическая среда моделируется трехмерной структурой оптически связанных областей с уникальными оптическими свойствами каждой области, когда учитываются эффекты многократного рассеяния света не только между соседними, но и всеми областями.

Теоретическое рассмотрение распространения оптического излучения в сильно рассеивающих биологических средах дополнено компьютерной моделью численного расчета.

Математическая модель формирования цветного изображения учитывает спектральное распределение падающего освещающего излучения, распределение оптических параметров тканей глазного дна, спектральные характеристики приемного тракта аппаратуры регистрации К оптическим параметрам, которые учтены при расчетах, относятся толщины слоев, концентрации основных поглотителей, показатели поглощения и рассеяния, фактор анизотропии рассеяния.

Проведено моделирование формирования цветного изображения и изменения цвета тканей глазного дна при изменениях содержания меланина, концентрации окси и деокси гемоглобина в крови и изменения оптических характеристик тканей.

Продемонстрирован эффект изменения цвета ткани после воздействия терапевтического лазерного излучения, связанный с изменением степени оксигенации крови при различных концентрациях основных поглотителей меланина и гемоглобина.

Третья глава диссертации посвящена разработке информационных технологий анализа и синтеза лазерно-индуцированных и цветных изображений тканей глазного дна.

На основе анализа литературных данных по офтальмоскопии выявлены диагностические критерии определения патологических областей тканей глазного дна.

Обсуждены пути повышения эффективности офтальмоскопических исследований связанные с внедрением компьютерных аналитических систем, обладающих способностью моделировать процедуру клинической диагностики, проводимую экспертом-человеком.

Показана актуальность исследований и перспективность разработок новых информационных технологий.

Разработаны новые информационные технологии:

• сегментации изображения областей патологических тканей при лазерной терапии, в том числе с помощью корреляционного анализа.

• коррекции цвета цветных изображений глазного дна.

• нормирование цвета цветных изображений глазного дна.

• синтез корреляционных цветных изображений.

• оценки степени оксигенации крови и динамики лечения по изменению цвета изображений глазного дна.

• оценки степени кровеснабжения по скорости изменения интенсивности флуоресценции тканей глазного дна.

Предложен подход к интерпретации цветных изображений глазного дна, основанный на том, что цвет ткани глазного дна отражает ее внутреннюю структуру и состав.

Впервые разработаны методы цифровой фильтрация изображеиий, позволяющие проводить более тонкую фильтрацию, избирательно выделяя или подавляя па изображении заданные структуры тканей, когда в качестве параметра, характеризующего заданную структуру ткани, выбран ее цвет.

Разработан метод синтеза 3-D изображений, использованный для мониториша динамики лечения патологий тканей глазного дна.

Разработаны методы анализа процессов кровоснабжения тканей глазною дна с помощью флуоресцентной ангиографии.

Для количественной оценки изменения пространственною распределения интенсивности флуоресценции предлагается синтезировать цветное изображение, где каждой компоненте цвета соответствует флуоресцентное изображение, полученное в различное время.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

• Основные результаты диссертационной работы внедрены в НИИ Глазных Болезней РАМН РФ и в учебный процесс МИРЭА.

Заключение

.

В ходе работы были разработаны принципы создания лазерных полупроводниковых излучателей, обладающих малой расходимостью, для офтальмологических комплексов. Были проведены теоретические и экспериментальные исследований по разработке методов обработки лазерно-индуцированных и цветных изображений биологических тканей глазного дна, которые позволили бы определить наличие патологии, выявить ее локализацию и, одновременно с этим провести оценку состояния тканей в ее глубине. Так же в работе представлены результаты:

• По проведению модернизации лазерных полупроводниковых излучателей для комплекса офтальмологической аппаратуры. Впервые разработаны новые принципы построения, новые схемы инжекциопных лазерных излучателей, использующих эффект нарушенного Френелевского отражения.

• Разработана математическая модель распространения лазерного излучения и излучения флуоресценции в биологических тканях глазного дна.

• Разработана математическая модель формирования цветного изображения тканей глазного дна с учетом неоднородного распределения оптических характеристик тканей, коэффициентов рассеяния, поглощения и фактора анизотропии рассеяния.

• Разработаны методы анализа флуоресцентных и цветных изображений, позволяющих выявить достоверные диагностические критерии наличия патологических областей.

• Проведены экспериментальные и клинические исследования по верификации разработанных математических моделей и оценки чувствительности и специфичности разработанных информационных технологий для лазерного офтальмологического комплекса.

Предложены и практически реализованы:

• Новые схемы диэлектрических резонаторов инжекционных лазеров и методы оценки их селективных свойств.

• Новые информационные критерии оценки и мониторинга изменения оптических характеристик тканей глазного дна.

• Новые методики, алгоритмы и программы расчета распространения лазерного излучения в оптически неоднородных, рассеивающих тканях глазного дна.

• Новые методики, алгоритмы и программы расчета формирования цвета изображения тканей глазного дна.

• Новые методики, алгоритмы и программы синтеза цветных ангиографических изображений.