Том 11, номер 2 (2019)

Введение

Недостаточное освещение операционного поля является одной из проблем витреоретинальной хирургии [1]. Особенно остро эта проблема стоит при видеодокументировании и TV-трансляции процесса витреоретинальной хирургии в учебных целях и в телемедицине, когда к качеству TV-изображения предъявляются повышенные требования [2].

Современный осветитель глазного дна представляет собой мощный источник света с близким к солнечному спектром, излучение которого через отверстие в склере транслируется по оптическому волокну в по­лость глаза. Нетривиальность проблемы состоит в том,что резервы улучшения освещенности операционного поля только за счет увеличения интенсивности транслируемого в полость глаза света практически исчерпаны, так как плотность мощности светового потока, которую современные осветители уже обеспечивают на поверхности сетчатки, находится на грани предельно допустимой, а в отдельных случаях превышает 1 мВт/мм² [3, 4] и может приводить к световому повреждению сетчатки.

Проблема чрезмерной лучевой нагрузки на сетчатку превращается в неразрешимую задачу в случае интраоперационного применения ОКТ, когда одновременно с освещением тканей глазного дна на сетчатку воздействуют излучением ближнего ИК-диапазона.

В работе представлены результаты разработки новой технологии регистрации изображения тканей заднего отрезка глазного дна. При этом существенное внимание уделено вопросу увеличения робастности регистрируемого изображения в условиях пониженной освещенности.

Материалы и методы

Основная идея заключается в использовании осветителя в виде набора из небольшого числа монохроматических источников света с различными длинами волн излучения. Высокая робастность регистрации информационно значимых признаков достигается за счет оптимизации длин волн излучения этих источников и программной обработки изображений, которые получены при освещении операционного поля каждым отдельным монохроматическим источником света. В качестве критерия эффективности взято отношение видности к плотности световой мощности на освещаемой поверхности.

Структурная схема спектрально-селективного осветителя представлена на рис. 1. Прибор состоит из нескольких лазерных источников света (Ls₁, Ls₂, … Ls_n), излучающих каждый на своей длине волны (λ₁, λ₂, …, λ_n); мультиплексора (М), который объединяет излучение всех лазеров и вводит его в одно многомодовое оптическое волокно (МОВ); элемента очистки излучения от шумов когерентности (ОШК) и драйвера управления лазерными источниками света; а также черно-белой камеры и видеограббера, которые обеспечивают регистрацию цветного изображения с высокой световой чувствительностью и высоким разрешением [5].

Рис. 1. Структурная схема спектрально-селективного осветителя. Объяснения см. в тексте

Излучение каждого источника по отдельному оптическому волокну поступает на смеситель. С помощью мультиплексора излучение от всех источников объединяется и вводится в многомодовое волокно, по которому свет транслируется на выход осветителя. Высокая пространственная однородность пучка на выходе достигается с помощью ОШК. Скоростная видеокамера регистрирует черно-белое изображение, которое по описанному далее алгоритму преобразуется в цветное.

Оптимизация спектра. Эффективность метода определяется спектральным составом излучения. Легко заметить, что в общем виде задача оптимизации спектрального состава осветителя сводится к классической задаче обнаружения, оценок и модуляции [6], так как описывается в терминах теории решений. Проблема в том, что в нашем случае число информационно значимых объектов (N) существенно превышает количество спектральных компонентов в излучении осветителя (m), а с помощью лазеров невозможно получить свет с произвольной длиной волны (λ). Поэтому методы и подходы теории обнаружения и оценок, которые базируются на критериях оптимального обнаружения Неймана–Пирсона, для решения нашей задачи малопригодны. Однако в данном случае задача с ограничениями может быть сведена к разложению графа, описывающего взаимоотношения объектов:

где: N — матрица связей элементов; N₁ — блочная матрица, показывающая, какие элементы k являются результатом разбиения i; m(i) — число таких элементов; N₂ — матрица связей элементов k с неразделенными элементами j; E — набор разбиений.

Для численных расчетов применяли «жадный» алгоритм. Спектры информационно значимых объектов взяты из работ [7–11], а используемых лазерных источников — на доступном сайте [12]. Численное моделирование показало, что без учета национальных и расовых особенностей пигментации близкая к максимальной эффективность визуализации топологии кровеносных сосудов сетчатки и ее дифференциация по степени оксигенации достигаются применением осветителя всего из двух лазеров с длинами волн излучения λ₁=577 и λ₂=650 нм. При этом добавление третьего источника света с λ₃=520 нм позволяет дополнительно и энергетически эффективно визуализировать стекловидное тело, заднюю гиалоидную мембрану, отслойку сетчатки и дефекты состояния пигментного эпителия, а требуемую для визуально сопоставимого качества изображения плотность световой мощности уменьшить более чем вдвое.

Особенности видеорегистрации. Из-за уменьшенной общей энергии падающего на сетчатку света цветная видеокамера может зарегистрировать изображение операционного поля только с недопустимо низким качеством. Это обусловлено недостаточной светочувствительностью цветных видеокамер. Так как чувствительность черно-белой видеокамеры примерно на порядок больше, чем цветной, мы применили для видеорегистрации цветного изображения скоростную черно-белую камеру. На рис. 2 представлен алгоритм, который позволяет регистрировать цветное изображение с помощью черно-белой камеры и спектрально-селективного осветителя из нескольких (в нашем случае — из трех) источников света.

Рис. 2. Алгоритм видеорегистрации

Эти источники света включаются последовательно, каждый — на время регистрации черно-белой камерой одного кадра. Так как каждый источник излучает монохроматический свет, то каждый черно-белый кадр камеры регистрирует только один цветовой компонент регистрируемого объекта. При этом последовательность из n черно-белых кадров, где n — число источников света, является необходимым и достаточным набором информационно значимых цветовых компонентов цветного изображения регистрируемого объекта. Видеограббер буферизирует последовательность из n черно-белых кадров и реконструирует из этой последовательности один кадр цветного изображения регистрируемого объекта.

Экспериментальный результат. Результаты численного моделирования проверены в медицинском эксперименте. В спектрально-селективном осветителе в качестве источников света использованы лазеры с длинами волн 520, 577 и 650 нм. Представлены результаты видеорегистрации операционного поля на сетчатке с использованием ксенонового осветителя (рис. 3, а), спектрально-селективного осветителя DORC Xenon BrightStar (рис. 3, б, г) и LED-осветителя Associate (рис. 3, в) (DORC, Нидерланды).

Рис. 3. Кадры видеорегистрации операционного поля на сетчатке, которые получены с использованием разных источников света: а — с помощью ксенонового осветителя; б, г — с помощью спектрально-селективного осветителя (с λ=520, 577 и 650 нм) и в — с помощью LED-осветителя. Стрелка указывает на изображение окрашенной задней гиалоидной мембраны

Кадры а и в получены с помощью цветной CCD-видеокамеры B1641 при плотности световой мощности в области стрелки 40–45 мВт/см² и частоте 30 кадров в секунду. Кадры б и г получены с помощью черно-белой CMOS-камеры DMK 33GX236 при плотности световой мощности в центральной области кадра ≈20 мВт/см² и частоте 50–60 кадров в секунду. Для преобразования кадров черно-белого изображения в цветное использован алгоритм, который описан в работе [5]. Соотношение мощностей отдельных источников света в спектрально-селективном осветителе и весовые функции алгоритма обработки черно-белого видеопотока [5] подбирались исходя из критерия максимального визуального соответствия изображению, полученному с помощью LED-осветителя Associate.

Рис. 3, a и б демонстрируют качество визуализации изображения задней гиалоидной мембраны при мембраностомии. Видно, что при спектрально-селективном освещении контрастность и разрешение выше, а световая нагрузка на ткани сетчатки — существенно меньше.

Рис. 3, в и г демонстрируют качество визуализации топологии сетчатки и хориоидеи. Видно, что при спектрально-селективном освещении изображение лучше передает детали топологии сетчатки и дефекты хорио­идеи. В значительной степени это обусловлено большой интегральной глубиной проникновения света, устранением поперечных хроматических аберраций на этапе преобразования черно-белого изображения в цветное и робастностью видеорегистрации к снижению освещенности.

Заключение

Применение спектрально-селективного осветителя в качестве источника света повышает контрастность изображения при одновременном уменьшении световой нагрузки на сетчатку. Излучение спектрально-селективного источника может быть сформировано всего тремя доступными на рынке и недорогими лазерами. Уменьшение световой нагрузки позволяет интраоперационно применять дополнительные методы диагностики, основанные на использовании света, например эндо-ОКТ.

Еще одним преимуществом предлагаемого метода является повышение робастности видеорегистрации относительно снижения освещенности.

Финансирование исследования и конфликт интересов. Исследования выполнены при частичном финансировании в рамках проектов Российского фонда фундаментальных исследований №18-07-00882, №17-07-00561 и №19-07-00395 в части программной реализации алгоритма квантификации.

Конфликты интересов, связанные с данным исследованием, отсутствуют.