Гибридный эндоскоп с телевизионной и многоспектральной обработкой изображений для диагностики рака внутренних органов

Предмет исследования. Эндоскопы широко применяются для диагностики различных заболеваний внутренних органов. Наиболее совершенные эндоскопы содержат встроенные в зонд миниатюрные телевизионные камеры, которые обеспечивают высокое пространственное разрешение. Однако традиционные телевизионные камеры существенно искажают спектральный состав передаваемого изображения, так как в системе RGB воспроизводят только ограниченные по ширине спектральные линии. Вместе с тем полный оптический спектр изображения обследуемого внутреннего органа несет более обширную информацию, которая может оказаться решающей при диагностике онкологических заболеваний. Таким образом, важную роль играет спектральное разрешение изображения.

Метод. Для эффективного выявления одновременно пространственной и спектральной информации предложено применять многоспектральную обработку. В результате обработки возможно получение серии монохромных субизображений, каждое из которых соответствует выбранному разрешаемому спектральному интервалу. В качестве селективного элемента, позволяющего в реальном времени выделять субизображения, использованы акустооптические перестраиваемые фильтры. При этом увеличение спектрального разрешения сопровождается падением пространственного разрешения. Для решения этой проблемы предложен новый гибридный эндоскоп, в котором реализован метод совместного применения телевизионной камеры и устройства многоспектральной обработки.

Основные результаты. Показано, что предложенный метод гибридной эндоскопии дает возможность обеспечить высокие разрешения: пространственное с помощью камеры и спектральное (не менее сотни разрешимых интервалов) благодаря многоспектральной обработке. Получаемые оптические изображения позволяют выявлять четкие очертания области новообразования. Результаты многоспектральной обработки диагностируют злокачественную природу новообразований. Представлена структурная схема предложенного эндоскопа, и показаны принципы управления. Определены характеристики телевизионных и многоспектральных изображений. Оценка линейности характеристик акустооптических фильтров показала возможность передачи максимального объема информации за счет линейности преобразования сигнала в звеньях фильтров.

Практическая значимость. Реализация предложенного метода в конструкции гибридного эндоскопа позволила получать наиболее полную спектральную информацию о новообразованиях и обеспечить возможность диагностики рака внутренних органов на более ранних стадиях развития.

1. Зайченко К.В., Гуревич Б.С. Принципы измерений информационных и технических характеристик акустооптических систем многоспектральной обработки изображений // Датчики и системы. 2015. № 2. С. 61–64.

2. Zaichenko K.V., Gurevich S.B., Gurevich B.S. Application of optical freedom degrees principle to acousto-optic devices // Physics Procedia. 2015. V. 70. P. 774–778. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2015.08.265

3. Calpe-Maravilla J., Vila-Frances J., Ribes-Gómez E., Durán-Bosch V., Muñoz-Mari J., Amorós-Lopez J., Gómez-Chova L., Tajahuerce E. 400- to 1000-nm imaging spectrometer based on acousto-optic tunable filters // Journal of Electronic Imaging. 2006. V. 15. N 2. P. 023001. https://doi.org/10.1117/1.2201057

4. Gupta N. Hyperspectral and polarization imaging application of acousto-optic tunable filters // Proc. of World Congress on Ultrasonics. Paris. 2003. Р. 345–348.

5. Kutuza B., Pozhar V.E., Pustovoit V.I. AOTF-based imaging spectrometers for research of small-size biological objects //Proceedings of SPIE. 2003. V. 5143. P. 165–169. https://doi. org/10.1117/12.500528

6. Yushkov K.B., Bogomolov D.V., Voloshinov V.B. Acousto-optic imaging by means of wide-angle tunable acousto-optic filter // Molecular and Quantum Acoustics. 2007. V. 28. P. 299–304.

7. Шаповалов В.В., Гуревич Б.С., Колесов И.А., Андреев С.В., Беляев А.В. Источник света с произвольно регулируемым спектральным составом для биомедицинских спектральных анализаторов // Биомедицинская электроника. 2009. № 11. С. 16–20.

8. Semyonov D.V., Nippolainen E., Kamshilin A.A., Belyaev A.V., Andreev S.V., Gurevich B.S. An ultra-fast distance sensor based on dynamic speckles generated by acousto-optic deflection // Measurement Science and Technology. 2006. V. 17. N 11. P. 2906–2912. https://doi.org/10.1088/0957-0233/17/11/007

9. Андреев С.В., Беляев А.В., Гуревич Б.С., Земский В.И., Соколов В.Н., Шаповалов В.В. Универсальный источник полихромного излучения. Патент RU 2287736. Бюл. 2006. № 32.

10. Гуревич С.Б., Гуревич Б.С., Жумалиев К.М. Проблемы информационной оптоэлектроники. СПб.: Наука, 2008. 210 с.

11. Акаев А.А., Жумалиев К.М., Гуревич С.Б., Гуревич Б.С. Связь оценок качества изображения с информационными характеристиками изображающих систем и памяти // Оптический журнал. 1997. Т. 64. № 2. С. 61–66.

12. Gupta N., Dahmani R. Multispectral and hyperspectral imaging with AOTF for object recognition // Proceedings of SPIE. 1999. V. 3584. P. 128–135. https://doi.org/10.1117/12.339814

13. Dong Y., You Z., Gao P. Acousto-optic tunable filter for spectral imaging // Proceedings of SPIE. 2002. V. 4919. P. 269–274. https://doi.org/10.1117/12.465653

14. Gurevich B.S., Andreyev S.V., Belyaev A.V., Chelak V.N., Sagymbaeva K.A. Investigation of information transmission processes in acousto-optic spectrophotometer // Proc. of the World Congress on Ultrasonics. Paris. 2003. P. 365–368.

15. Kogelnik H. Coupled wave theory for thick hologram gratings // Bell System Technical Journal. 1969. V. 48. N 9. P. 2909–2947. https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1969.tb01198.x

16. Gurevich B.S., Andreyev S.V., Vorobiev V.V., Rodiontsev A.A., Sokolov V.N. Information losses in acousto-optics, their reasons, and ways to minimize them // Proceedings of SPIE. 1998. V. 3464. P. 55–63. https://doi.org/10.1117/12.323153