ТЕХНОЛОГИИ МАШИННОГО ЗРЕНИЯ В ОККЛЮЗИОННОЙ ПЛЕТИЗМОГРАФИИ Кузнецов В.И., Тараканов С.А., Рыжаков Н.И.


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте файл и откройте на своем компьютере.
Инновационные медицинские технологии Бюллетень сибирской медицины, 2013, том 12, № 3 , с. 117 – 120 117 УДК 616 - 007.272 - 073.173 ТЕХНОЛОГИИ МАШИННОГО ЗРЕНИЯ В ОККЛЮЗИОННО Й ПЛЕТИЗМОГРАФИИ Кузнецов В.И., Тараканов С.А., Рыжаков Н.И. Санкт - Петербургск ий Национальн ый и сследовательск ий у ниверситет и нформац и онных т ехнологий, м еханики и о птики, г. Санкт - Петербург РЕЗЮМЕ Цель публикации – познакомить читателей с новейшими достижениями в области технологий м а шинного зрения применительно к окклюзионной плетизмографии. Принцип работы плетизм о- графа аналогичен принципу работы механического окклюзионного плетизмографа, с той лишь разницей, что рабочая измерительная среда (газ или жидкость) заменена лазерными метками, а фиксиров а ние изменения объема производится машинным зрением с последующей компьютерной обрабо т кой. Применение лазерных технологий машинного зрения в будуще м значительно упр о- стит пр о цесс диагностики, позволит проводить диагностику многократно и при различных усл о- виях, н а пример, при внешнем воздействии на исследуемую конечность теплом, холодом, физич е- ской нагрузкой и т.п., отражая более полную и точную картину состояния кровеносных сосудов в д и намике. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: механическая окклюзионная плетизмография, технологии машинного зр е ния в медицине . В диагностике внутренних болезней, связанных с процессами кр о венаполнения и тонусом сердечно - сосудистой систе мы человека, в современной медици н- ской практике используют методы окклюзионной пл е- тизмографии. Окклюзионная плетизмография предн а- значена для измерений динамических измен е ний объ е- ма какой - либо части тела при перекрытии венозных сос у дов (окклюзии). При этом методами окклюзионной пл е тизмографии можно определить такие параметры се р дечно - сосудистой системы, как объемная скорость кр о вотока, венозная емкость, в е нозный тонус. В мировой практике для измерения объема обсл е- дуемой конечности используются специальные ус т- ро й ства – плетизмографы, в которых для создания ок к- л ю зии применяется манжета, накладываемая на к о не ч- ность ближе к центру тела. В зависимости от способа измер е ния объема обследуемой коне ч ности различают четыре основных способа окклюзионной плетизмогр а- фии: – механическою (жидкостную или пневматич е- скую) [1, 5, 7, 8], при которой обследуемая часть тела пом е щается в герметизируемую камеру, внутри которой н а ходится трансмиссионная среда (вода или во з дух), а  Тараканов Сергей Александрович, тел.: 8 - 904 - 603 - 7475; e - mail: [email protected] колеб а ния объема регистрируются по уровню воды (или изм енению объема воздуха) в герметичной манжете; – электрическую (импендан с ную плетизмографию или реографию) [2, 4, 6, 7], отража ю щую динамику электропроводности в зависимости от степени кров е- наполнения; – тензометрическую [7, 8, 10, 11], основанную на исполь зовании проводящей эластичной петли, охв а- т ы вающей исследуемую конечность, у которой в зав и- с и мости от натяжения меняется электрическое сопр о- тивление; – оптическую (фотоплетизм о графию) [1, 7, 11, 12], основанную на изменении оптической плотности тк а- ней при ц иркул я ции крови. К недостаткам механической жидкостной и пне в- матической оккл ю зионной плетизмографии относятся: их невысокая практичность, неудобство в работе, св я- занное с высокой тр у доемкостью герметизации частей тела в манжете, быстрый износ, невозможност ь быс т- рого перестроения прибора для измерения объемов различных участков тела и, самое главное, сдавл и- вающее воздействие измерительной манжеты (газовой или водной) на исследуемую конечность, которое вн о сит существенную погрешность. Электрическая, тензометр ическая окклюзионная плетизмография и фотоплетизмография основаны на измерениях не динамических изменений объема к о- Кузнецов В.И., Тараканов С.А., Рыжаков Н.И. Технологии машинного зрения в окклюзионной плетизмографии 118 Бюллетень сибирской медицины, 2013, том 12, № 3 , с. 117 – 120 нечности, а некоторых сопутствующих изменений, напр и мер электрического импеданса, интенсивности отраженного и прошедшего рассеянного света, и зав и- сят от множества факторов, таких, как уровень сах а ра в крови, давление, оксигенация, изменение тонуса сос у- дов и др., что приводит к увеличению погрешн о сти. С развитием технологий производства светоизл у- чающих и фотопр и емных элементов в лазерной опт и- ке стало возможным создание принцип и ально нового оборудования, позв о ляющего проводить измерения объема конечности, объемной скорости кров о тока, венозной емкости и венозного тонуса методами мех а- нической окклюзионной плетизмографии без испол ь- зования герметизиру емой для каждого измерения к а- меры. Диагностика кол е баний объема в конечности может осуществляться бесконтактно лазерными ма р- керами машинного зрения с последующей компь ю- те р ной обрабо т кой сигналов. Прибор, создаваемый на основе такого метода, будет прост и у добен в эксплуатации; не требует ге р- метизации конечности; обладает существенно мен ь- шей погрешностью и большой чувствительностью к изм е нениям в объеме конечности. Цель – познакомить читателей с новейшими до с- тижениями в области технологий машинного зрения п рименительно к окклюзионной плетизмогр а фии. Объектом исследования стал разработанный авт о- рами окклюзионный плетизмограф машинн о го зрения. Новейшее, и , вероятно , наиболее перспективное направление окклюзионной плетизмографии основано на принципиально ином способе детектирования к о- л е баний объема конечности – машинном зрении. М а- шинное зрение осуществляется цифровыми или и н- те л ле к туальными камерами с последующей компь ю- терной обработкой изображения. Такой способ исключает какое - либо внешнее сдавливающее возде й- ст вие на и с следуемый участок конечности, что сущ е- ственно ув е личивает чувствительность прибора и уменьшает п о грешность. В основе предлагаемого окклюзионного плети з- м о графа машинного зрения ( рисунок ) лежит сл е ду ю- щий принцип работы. Как и при механической оккл ю- з ио н ной плетизмографии, устройство снабжено сп е- циал ь ной окклюзионной манжетой, сдавливающей венозные сосуды исследуемой конечности и перекр ы- вающей отток крови. Поступление крови в конечность пр о должается по артериал ь ным сосудам . Однако в отличие от механиче ских плетизмогр а- фов оптический не оказывает воздействия на иссл е- дуемую часть конечности, что минимизирует погре ш- ность. Герметичная манжета с трансмиссионной ср е- дой в устройстве заменена лазерными диодами, установленными по всему периметру корпуса плети з- мог рафа. Лазерные излуч а тели проецируют маркеры (линии, сетки и др.), которые выявляют форму диа г- ностируемой поверхности. Далее положение маркеров регистрируется видеокамерой и с помощью специал ь- ного программного обеспечения во с станавливаются геометрические п ар а метры исследуемой конечности. По изменению положения и размера л а зерных меток вычисляется изменение объема конечности. Окклюзионный плетизмограф м а шинного зрения Любое изменение положения лазерных меток, в ы- званное изменением объема конечности при ок кл ю- зии, обрабатывается и представляется в виде плети з- м о граммы, отражающей пар а метры кровотока: об ъ- емную скорость и отток венозной крови, венозный т о нус и др. Оценку изменения объема можно прои з- водить как на основании измерения параметров одной линейной лаз ерной метки (в этом случае измер я ется площадь сечения конечности), так и на основании сетчатой структуры лазерных меток вдоль всей к о- нечности (и з меряется объем конечности). Окклюзионный плетизмограф машинного зрения обладает следу ю щими преимуществами: – п роизводятся прямые измерения динамических изменений объема конечности, позволяющие опред е- лить объемную скорость кровотока, венозную е м- кость, венозный тонус ; Инновацион ные медицинские технологии Бюллетень сибирской медицины, 2013, том 12, № 3 , с. 117 – 120 119 – исключается внешнее сдавл и вающее воздейс т- вие на иссл е дуемый участок конечности, что сущес т- венно р асширит область применения, увеличит то ч- ность и сделает процедуру исследов а ния более ко м- фортной для пац и ента; – обеспечена возможность пр о ведения измерений без пер е строения измерительного узла для различных конечностей; – простота и удобство в эксплу а тации . С появлением на рынке такого устройства у вр а- чей по я вится возможность проводить диагностику многократно и при различных условиях, например при внешнем воздействии на исследуемую конечность те п ла, холода, физической нагрузки, для получения б о лее полной и точной картины состояния кров е но с- ных сосудов в динамике. Вниманию читателей предложен разработанный а в- торами окклюзионный плетизмограф машинного зр е- ния, основными достоинствами которого являются: провед е ние прямых измерений объема конечности и обеспеч е ние надежности работы и в ы сокой точности измерений. Появление на рынке здравоохранения плетизмогр а- фа нового поколения позволит врачам получать более полную и точную картину состояния кровеносных с о- с у дов в динамике. Способ и з мерения объема конечн о- сти является инновационным решением и р а нее нигде не публиковался. Применение технологий машинного зр е ния в дальнейшем возможно и для устройств пл е- тизм о графии всего тела, при иссл е довании функций внешнего дыхания и минутного объема кр о вообращ е- ния. Таким образом, в окклюзионном плетизмографе машинного зрения исключается внешнее сдавливающее воздействие на исследуемый участок конечности благ о- даря применению лазерных технологий. Данный подход позволит существенно расширить область пр и менения окклюзионной плетизмографи и, увеличить то ч ность и сделать процедуру исследования более комфортной для пациента. Плетизмограф позволяет проводить измер е- ния без перестроения измерительного узла, что знач и- тельно увеличивает оперативность работы и позволяет проводить измерения на разли чных конечностях. Опт и- ческий плетизмограф не требует дополнительных пр и- способлений и расходных м а териалов. Принцип работы оптического плетизмографа ан а- логичен механическому с той лишь разницей, что р а- бочая измерительная среда (газ или жидкость) зам е- нена ла зерными метк а ми, а фиксирование изменения объема производится машинным зрением с посл е- ду ю щей компьютерной обработкой. Литература 1. Лебедев П.А., Калакутский Л.И., Власова С.П. Гор - лов А.П. Фотоплетизмография в оценке эластических свойств и реактивности пере ферических артерий // Р е- гионарное кровообращение и микроцир куляция. 2004. № 1. С. 31 – 36. 2. Гуревич М.И., Соловьев А.И., Литовченко Л.П., Дол о ман Л.Б. Импедансная реоплетизмография. Киев: Наук о ва думка, 1982. 166 с. 3. Ройтберг Г.Е., Струтынский А.В. Внутренние болезни. Лабораторная и инструментальная диагностика. М.: МЕДпресс - информ, 2011. 800 с. 4. Савченко Н.Е., Сидоренко Г.И., Полонецкий Л.З. Ре о гр а- фия (импедансная плетизмография). Минск: Бел а русь, 1978. 158 с. 5. Скардс Я.В., Витолс А.Я. Гибкий онкометр для опр ед е- ления объема кровотока предплечья и голени методом венозной окклюзионной пл е тизмографии // Физиол. журн. СССР. 1974. № 10. С. 16 – 18. 6. Старшов А.М., Смирнов И.В. Реография для профе с си о- налов. Методы исследования сосудистой системы: пос о- бие для врачей. М. : БИНОМ, 2003. 80 с. 7. Физиология человека. 3 - е изд. / под ред. Р. Шмидта, Г. Тевса. М.: Мир, 2005. Т. 2. 314 с. 8. Щуров В.А., Долганова Т.И. Оценка периферической г е- модинамики с помощью метода окклюзионной плети з- м о графии: методические рекомендации. Курган: М ЗРФ РНЦ «ВТО», 1990. 21 с. 9. Hallb öö k T., Mansson B., Nils é n R. A strain gauge s mograph with electrical cal i bration // Scandinavian Journal of Clinical and Laboratory Investigation. 1970. Vol. 25 , № 4. P. 413 – 418. 10. Hokanson D.E., Sumner D.S., Strandne ss D.E. An Electr i ca l- Limb Blood Flow // Biomedical Engineering, IEEE Transa c- tions on. 1975. Vol. BME - 22. Is. 1. P. 25 – 29. 11. Pallares L.C., Deane C.R., Baudouin S.V., Evans T.W. Strain phy and Doppler ultrasound in the measurement of limb blood flow // European J. Clin. Invest. 1994. № 24. P. 279 – 286. 12. Zierler R.E. Doppler techniques for lower extremity arterial d i agnosis // Herz. 1989. Vol. 14 , № 2. P. 126 – 133. Поступила в редакцию 11 .12. 20 12 г. Утверждена к печати 10.04.2013 г. Кузнецов Владимир Игоревич – канд. техн. наук, директор О ОО «Конструкторское бюро современных технологий Санкт - Петербургского ГУ ИТМО» ( г. Санкт - Петербург ). Тараканов Сергей Александрович (  ) – канд. техн. на ук , директор Центр а медицинского, экологического приборостроения и биотехнологий Санкт - Петербургского НИ Университета ИТМО, науч. сотрудник О ОО «Конструкторское бюро современных технологий Санкт - Петербургского ГУ ИТМО» ( г. Санкт - Петербург ). Рыжаков Никол ай Игоревич – науч. сотрудник О ОО «Конструкторское бюро современных технологий Санкт - Петербургского ГУ ИТМО» ( г. Санкт - Петербург ). Кузнецов В.И., Тараканов С.А., Рыжаков Н.И. Технологии машинного зрения в окклюзионной плетизмографии 120 Бюллетень сибирской медицины, 2013, том 12, № 3 , с. 117 – 120  Тараканов Сергей Александрович, тел.: 8 - 904 - 603 - 7475; e - mail : k . v . tarakanov @ gmail . com CONTACTLESS MEASUREM ENT OF KEY P SSELS Russian Feder a tion ABSTRACT The purpose of th is publication – to familiarize the readers with the newest achievements in the field of vision machine technologies with regard to s ograph work, with that only a difference that working measuring environment (gas or liquid) is replaced with laser labels, and fixation of change of volume is made by machine vision with the subsequent computer processing. Appl i- cation of laser technologies of machine vision in future considerably simplified process of diagnostics, will allow to carry out diagnostics repeatedly and under various conditions of, for example, case of exte r- nal action on the examine d finiteness of the of heat, cold, physical exer cise, and so, is representative of more and accurate picture of the state of blood vessels in the dynamics. KEY WORDS : . Bulletin of Siberian Medicine, 2013, vol. 12, no. 3 , p p. 117 – 120 References 1. Lebedev P.A., Kalakutsky L.I., Vlasov S.P., Gorlov A.P. Regional circulation and microcirculation , 2004, no. 1, pp. 31 – 36 (in Russian). 2. Gurevich M.I., Soloviyov A.I., Litovchenko L.P., Dol o man L.B. . Kie v, Naukova dumka Publ., 1982, 166 p. (in Russian). 3. Roitberg G.Ye., Strutunsky A.V. Internal diseases. Labor a- tory and instrumental diagnostics . Moscow, MEDpress - inform Publ., 2011. 800 p. (in Russian). 4. Savchenko N.Ye., Sidorenko G.I., Polonetsky L.Z. Rheogr a . Minsk, Belarus' Publ., 1978. 158 p. (in Russian). 5. Scards Ya.V., Vitols A.Ya. Physiological Journal of USSR , 1974, no. 10, pp. 16 – 18 (in Ru s sian). 6. Starshov A.M., Smirnov I.V. Rheography for pr o fessionals. Research metho ds of the cardiovascular system . Moscow, BINOM Publ., 2003, 80 p. (in Russian) . 7. Human physiology. 3d ed. / ed. R. Schmidt, G. Tevs . Mo s cow, Mir Publ., 2005, vol. 2, 314 p. (in Ru s sian). 8. Shchurov V.A., Dolganova T.I. Evaluation of peripheral h e- modynamics us ing the method of occlusion plethysmogr a phy: methodical recommendations . Kurgan, 1990. 21 p. (in Ru s- sian ). 9. Hallb öö k T., Mansson B., Nils é n R. A strain gauge s mograph with electrical calibration. Scandinavian Journal of Clinical and Laboratory Investi gation , 1970, vol. 25, no. 4, pp. 413 – 418. 10. Hokanson D.E., Sumner D.S., Strandness, D.E. An Electr i- e ment of Limb Blood Flow. Biomedical Engineering, IEEE Transa c- tions on , 1975, vol. BME - 22, no. 1, pp. 25 – 29. 11. Pallares L.C., Deane C.R., Baudouin S.V., Evans T.W. measurement of limb blood flow. European J. Clin. I n vest , 1994, no. 24, pp. 279 – 286. 12. Zierler R.E. Doppler techniques for lower extremity arteria l diagnosis. Herz. , 1989, vol. 14, no. 2, pp. 126 – 133. Kuznetsov Vladimir I ., Design bureau of modern technologies of the St. P etersburg State University ITMO Ltd. , St. Peter s burg, Russian Federation . Tarakanov Sergey A . (  ) , Center of medical, ecologica l instrumentation and biotechnologies of National Research University of Information Technol o- gies, Mechanics and Opticians, Design bureau of modern technologies of the St. Petersburg State University ITMO Ltd. , St. Petersburg, Russian Federation . Ryzhakov Nikolay I ., Center of medical, ecological instrumentation and biotechnologies of National Research University of Information Technol o gies, Mechanics and Opticians, Design bureau of modern technologies of the St. Petersburg State University ITMO Ltd. , St. Petersburg, Russian Fe d er a- tion .  Tarakanov Sergey Al., Ph . +7 - 904 - 603 - 7475; e - mail: [email protected]

Приложенные файлы

  • pdf 42043478
    Размер файла: 453 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий