автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Лазерный аппаратно-программный офтальмологический комплекс

На прг

рукописи

БЛАГОДАТСКИХ ДМИТРИЙ ПАВЛОВИЧ ЛАЗЕРНЫЙ

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКИЙ

КОМПЛЕКС

Специальности: 05.27.03 — Квантовая электроника 14.00.08 - Глазные болезни

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006г.

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московском государственном институте радиотехники электроники и автоматики (техническом университете)»

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор Киселев Г.Л.

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Герасимов В.Б. (Технопарк МИРЭА) к.т.н., доцента Борошнева A.B. (ЦНИИ «Комета»)

Защита диссертации состоится 25 декабря 2006г в _ .асов на

заседании диссертационного совета Д 212.131.02 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московском Государственном Институте Радиотехники Электроники и Автоматики (технический университет)» по адресу: г. Москва, проспект Вернадского, дом 78

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Московского Государственного Института Радиотехники Электроники и Автоматики (технический университет)

Автореферат разослан 25 ноября 2006г

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент Вальднер В.О.

Ведущая организация: ЦЕНИ ИОФ РАН

Общая характеристика работы

Актуальность работы

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. Эти результаты стали возможными благодаря последним достижениям в квантовой электронике, в частности, создания лазерных излучателей специально предназначенных для решения задач офтальмологии. Однако, если раньше акцент делался на использовании твердотельных и газовых лазеров, то в настоящее время требуется существенно модифицировать полупроводниковые лазерные излучатели, обеспечить малую расходимость излучения для решения актуальных вопросов доставки лазерного излучения, его концентрации или получения равномерного освещения тканей глазного дна.

Лазерные офтальмологические 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 рост публикаций и финансирования в направлении ликвидации этого противоречия.

Все большее распространение получают системы автоматизированно-

го ввода офтальмоскопической информации через различные типы сканеров, а также цифровых фото- и видеокамер. При этом по разрешающей способности такие системы ввода вполне приближаются к зрению человека, а с учетом быстродействия ближайшей технической моделью глаза, очевидно, являются видео- и 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 на базы данных, включающие изображения патологических образований, для поиска и распознавания патологий требуют быстрого и надежного анализа оцифрованной видеоинформации в специализированных архивах изображений офтальмологических центров либо в базах Интернет.

Таким образом, назрела необходимость разработки лазерной офтальмологической аппаратуры, позволяющей комплексно решить ряд задач от разработки новых лазерных излучателей до создания аппаратно

программных средств анализа офтальмологической информации.

Цель диссертационной работы:

Модернизация лазерных полупроводниковых излучателей для комплекса офтальмологической аппаратуры, проведение теоретических и экспериментальных исследований по разработке методов обработки лазерноинду-цированных 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. Модернизация лазерных полупроводниковых излучателей для комплекса офтальмологической аппаратуры

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

3. Разработка математической модели формирования цветного изображения тканей глазного дна с учетом неоднородного распределения оптических характеристик тканей: коэффициентов рассеяния, поглощения и фактора анизотропии рассеяния.

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 диффузного рассеяния от тканей глазного 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 диагностические 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 аппаратно-программного офтальмологического комплекса. Предложены и практически реализованы:

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

• новые информационные критерии оценки и мониторинга измене-

ния 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 ангио-графических изображений.

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

Положения, выносимые на защиту:

1. Диэлектрические резонаторы инжекционных 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 офтальмологических 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

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях:

• ILLA/LTL '2003 VIII International Conference "Laser and LaserInformation Technologies", Smolyan, Bulgaria, September27- October 01, 2003

• Международной научно-практической конференции «Лазерные технологии в медицинской науке и практическом здравоохранении», Москва, 7-8 октября 2004г.

• IV Международной научно-технической конференции "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения" INTERMATIC-2005

• IV Евро-азиатской конференции по офтальмохирургии Екатеринбург 25-27 апреля 2006г.

Публикации

Основные результаты работы опубликованы в 8 печатных работах.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка авторских публикаций и использованной литературы. Содержание работы изложено на 121 странице текста, включает 60 рисунков и 4 таблицы. Биб-

лиография насчитывает 194 работы.

Краткое содержание диссертации

Введение Обоснована актуальность работы, формулируется цель и задачи работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту, отмечается научная новизна и практическая ценность проведенных исследований, дается краткая аннотация по главам.

Первая глава посвящена разработке аппаратной части лазерного офтальмологического 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 фотодинамической терапии.

Разработан новый принцип построения лазерных инжекционных излучателей, основанный на использовании для улучшения пространственно-частотных свойств основного диэлектрического резонатора эффекта, названного нарушенным Френелевским отражением, по аналогии с известным эффектом нарушенного полного внутреннего отражения.

Эффект нарушенного полного внутреннего отражения заключается в следующем: если на границе двух сред угол падения света превышает предельный угол полного внутреннего отражения, то пропускание света гра-

ницей раздела сред отсутствует. Однако, если к этой границе приблизить со стороны менее плотной среды аналогичное оптическое устройство, то при условии что зазор между границами меньше длины волны излучения, полное внутреннее отражение нарушается за счет туннелирования света через зазор. Если оптические детали ввести в полный контакт (оптический контакт), то свет полностью пройдет во вторую оптическую деталь.

Если вторая оптическая деталь имеет не плоскую поверхность, то контакт деталей приведет к появлению переменного зазора между ними, и полное внутреннее отражение будет нарушено в ограниченной области. В области контакта плоской и сферической поверхности возникнет за счет переменного зазора область с переменной зависимостью пропускания от поперечной координаты. Такие оптические устройства применяются в лазерах в качестве так называемых «мягких диафрагм». С помощью «мягких диафрагм» легко сформировать в резонаторе практически Гауссовы пучки излучения.

Очевидно, что аналогичную технику можно использовать и в том случае, когда угол падения волны на границу раздела сред меньше угла полного внутреннего отражения. В частности, для нулевых углов падения. Естественно, что эффект будет существенно меньше, чем при полном внутреннем отражении. Однако, если разность показателей преломления граничащих сред достаточно велика, эффект нарушенного отражения можно использовать в практических целях.

Показано, что с помощью нарушенного Френелевского отражения легко сформировать в резонаторе практически Гауссовы пучки излучения.

На Рис. 1 показана зависимость коэффициента отражения для нормированной поперечной координаты хмормир = , где Я - радиус сферической поверхности, Л - длина волны излучения.

Отражение и пропускание при нарушенном Френелевском отражении в СаАэ

1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 Нормированная поперечная координата

• Коэффициент пропускания

• Коэффициент отражения

Рис. 1 Зависимость коэффициента отражения для нормированной попереч-х2

ной координаты хиормр

М

Нарушенное отражение при различных углах падения

Рис.2 Зависимости коэффициентов отражения от нормированной поперечной координаты для нарушенного Френелевского отражения при различных углах падени

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 практически 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 (рис. 2).

Рассматривая нарушенное отражение как возмущение диэлектрического резонатора инжекционного лазера, в зависимости от размера «мягкой диафрагмы», можно говорить о слабых или сильных возмущениях.

Если размеры «мягкой диафрагмы», существенно меньше размера пучка излучения, то следует ожидать малого возмущения структуры мод диэлектрического резонатора. Вместе с тем, структура выходного излучения приобретает характер практически гауссова пучка, который можно идеально согласовать с модами диэлектрических волноводов. Мощность, выводимого из диэлектрического резонатора излучения при этом, изменением размера «мягкой диафрагмы» легко оптимизируется.

Другой крайний случай, когда размеры «мягкой диафрагмы» существенно больше размера пучка излучения. Тогда диэлектрический резонатор инжекционного лазера превращается в диэлектрический волновод с открытым концом и резонансная система может быть восстановлена только с помощью внешних отражателей. Это случай реализации составного резонатора, который может обладать селективными свойствами (рис.3).

Вариант, когда размеры «мягкой диафрагмы» соизмеримы с размерами пучка излучения, приводит к необходимости решения задачи нахож-

дения мод системы оптически связанных диэлектрических резонаторов. Из общих соображений можно предположить, что изменяя размеры «мягкой диафрагмы», можно изменять степень оптической связи резонаторов, добиваясь требуемой структуры мод системы связанных резонаторов.

Селективные свойства резонатора с "мягкой диафрагмой"

■ Разность потерь

1

Размер "мягкой диафрагмы", отн.ед.

Рис. 3 Зависимость разности уровней потерь основной моды и соседней моды инжекционного лазера на ОаАв в зависимости от размера «мягкой диафрагмы» относительно размера активной области

Представляется заманчивым, используя технику нарушенного Френе-левского отражения, создание систем когерентного сложения излучения нескольких инжекционных лазеров. Одним из вариантов такой системы когерентного сложения мог бы стать цилиндрический или сферический диэлектрический резонатор с высоко добротными модами «шепчущей галереи», нагруженный за счет оптического контакта несколькими инжекционными лазерами. В такой системе связанных оптических диэлектрических резонаторов наиболее добротными могли бы стать моды «шепчущей галереи», обеспечивающие синфазность сложения излучения всех лазеров. Другим вариантом

такой системы когерентного сложения могла бы стать линейка инжекцион-ных лазеров, в каждом из которых осуществлялся бы вывод излучения из резонатора с помощью «мягкой диафрагмы», а оптическая связь между лазерами осуществлялась с помощью дифракции на общем внешнем отражателе.

Рассмотрены различные варианты построения одномодовых инжек-ционных лазеров и проведены оценки селективных свойств использованных резонаторов.

Большое значение при построении схем одномодовых генераторов играет выбор размера «мягкой диафрагмы». При большом радиусе сферической поверхности область высокого пропускания может превышать площадь торца активного волновода. В этом случае необходимо реализовывать схемы с внешним отражателем. При очень малом размере «мягкой диафрагмы», когда размер «мягкой диафрагмы» меньше площади торца активного волновода, возможны несколько вариантов построения схем генератора:

• в качестве оптической детали со сферической поверхностью можно использовать оптическое волокно со сферической торцевой поверхностью. В этом случае, выводимое из генератора излучение сразу попадает в световод, а затем по этому световоду направляется в офтальмологический комплекс.

• в качестве оптической детали со сферической поверхностью можно использовать положительную линзу, у которой одна из поверхностей приводится в контакт с активным элементом, а на другую наносится отражающее покрытие. Это — жесткий вариант составного резонатора с «мягкой диафрагмой» внутри резонатора

• в качестве оптической детали со сферической поверхностью можно использовать положительную плоско выпуклую линзу, у которой плоская поверхность приводится в оптический контакт с активным элементом, а сферическая поверхность образует «мягкую диафрагму» с третьей оптической деталью. В этом случае, обеспечить «мягкую диафраг-

му» нужных размеров технологически проще.

Лазерный офтальмологический комплекс предназначен для получения цветных изображений сетчатки с помощью лазерного излучения, получения и анализа лазерно-индуцированных флуоресцентных изображений глазного дна

В работе рекомендован новый 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 лазеров: газового лазера на ионах аргона с длиной волны излучения 48В 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 глазного дна, разработке математических моделей формирования цветного изображения и моделированию распространения лазерного излучения и формирования цветного изображения тканей глазного 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.

Проблема транспортировки оптического излучения через рассеивающую среду обычно решается численным методом Монте - Карло для

уравнений переноса излучения, когда рассчитываются траектории случайного блуждания большого числа фотонов в рассеивающей среде.

Расчет методом Монте-Карло является чрезвычайно трудоемким процессом, занимающим много времени. Для большинства практических применений часто пользуются аналитическими выражениями, полученными в рамках диффузионного приближения. Однако диффузионное приближение не позволяет учитывать эффекты многократного рассеяния и не пригодно для расчетов во всем диапазоне значений параметров рассеивающих оптических сред.

В использованной модели 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.

Используя эту модель можно осуществить компьютерное моделирование стационарного и нестационарного распределения света практически в любых пространственно временных неоднородных биологических тканях, определить поглощенную дозу световой энергии, сделать это в режиме реального времени и для конкретного пациента.

Биологическая среда тканей глазного дна разбивается на небольшие ячейки с объемом V, размер которых обеспечивает необходимую точность вычислений, с присоединешшши волноводными каналами. По волноводным каналам к области V приходят прямые волны (волны возбуждающих источников), а в результате процесса рассеяния во всех каналах появятся обратные волны, образующие дифракционный отклик области V на падающее извне излучение. Волноводные каналы соединяют соседние ячейки: для двух мерной модели число соседних ячеек равно 8, для трех мерной модели — 26.

Дифракционный отклик каждой ячейки в направлении 1 - го волнового канала, представляет собой обратную или выходную волну Bi и явля-

ется суммой прямых или входных волн А., умноженных на некоторые постоянные коэффициенты

Таким образом, процесс рассеяния - формирования реакции на возбуждающее излучение соседних ячеек - характеризуется соотношением

А

1

А

В 1

в

2 =

Б Б ...

И 12 1 N

Б Б ...

21 22 2 N

N1 N2 -

(1)

или сокращенно [В]=[8]*[А],

где [А]-матрица столбец (Ых1), характеризующий входные или падающие волны,

[В]-матрица столбец (Их1), характеризующий выходные или отраженные волны,

[Биквадратная матрица (ИхИ) - матрица рассеяния, N - число волноводных каналов связи области V.

[ВМ8]*[А]+[0]*[С]

где [С^П - матрица излучения, [С] - поле внутренних источников излучения (например, излучение флуоресценции).

Для вычисления распределения по волноводным каналам рассеянной части излучения привлекается дополнительная информация о диаграмме рассеяния одиночного рассеивателя. Использована наиболее простая одно-параметрическая модель одиночного рассеивателя - модель Непеу-Сгеег^еш

(1-Е)2

р(9):=

(2)

(1 +£- 2Е-СО8(0))

где % - единственный параметр, характеризующий анизотропию рассеяния,

0 - угол относительно первоначального направления излучения (угол рассеяния)

Если элементарная область связана с соседними областями с помощью N волноводных каналов, то вероятность рассеяния в 1-й волноводный канал равна для двух мерной модели

Р(в)--

р(в)с1е _ (3)

'2 Л

р(9)ае

В силу симметрии фазовой функции для N симметричных волноводных канала будут существовать N/2+1 различных значений фазовой функции (для двух мерной модели — пять элементов матрицы). Элементы матрицы рассеяния для элементарной области ДЬ3 равны

8=ехР(-ца-АЬ)-[Р(е1) +■ ехр(-М,.ДЬ).(1 - р(в1))] (4) 8^ехр(-ца-ДЬ)-(1 - ехр(-ц8-ДЬ)-р(0^) (5)

Определяя матрицу рассеяния среды в целом путем объединения оптически связанных областей, решается задача определения как внутренних, так и внешних полей при произвольном задании полей возбуждающих источников излучения, произвольной геометрической структуре рассеивающей среды и уникальных оптических параметрах каждой ячейки оптически неоднородной среды.

Теоретическое рассмотрение распространения оптического излучения в сильно рассеивающих биологических средах дополнено компьютерной моделью численного расчета, которая позволяет:

• вводить физические параметры источника оптического излуче-

ния: мощность, размер светового пучка и его положение на поверхности или в глубине ткани, расходимость пучка и угол падения на поверхность, для импульсного источника излучения задавать длительность импульса и частоту повторения импульсов;

• задавать оптические свойства однородной биологической ткани: коэффициент поглощения для лазерного излучения, коэффициент поглощения для излучения флуоресценции, коэффициент рассеяния для лазерного излучения, коэффициент рассеяния для излучения флуоресценции, фактор анизотропии рассеяния;

• задавать геометрические размеры биологической среды, размер элементарной ячейки, число актов рассеяния;

• конструировать модель биологической среды с требуемыми неоднородными оптическими свойствами: коэффициентами поглощения, рассеяния и фактором анизотропии. Моделируется слоистая модель среды с требуемым числом слоев с дополнительными неоднородностями сферической формы и многогранников. Каждая введенная неоднородность обладает своим уникальным набором оптических свойств;

• рассчитывать стационарные и нестационарные распределения лазерного излучения и излучения флуоресценции в однородных и неоднородных средах, пространственные распределения поглощенной энергии, строить функции, характеризующие вклад различных областей среды в сигнал, регистрируемый приемником излучения.

Результаты расчетов выводятся на экран компьютера для каждого временного этапа вычислений, могут быть сохранены и дополнительно обработаны специальными программами.

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.

Если для регистрации использовать цветные камеры с тремя каналами Я, О, В, то величины компонент красного, зеленого и синего цвета пропорциональны

о I

о

в=;

о

где Е(Л)- спектральная характеристика падающего излучения. При лазерном формировании цветного изображения

£(Л) = ЕВ5(Л = ОА&ткт) + ЕС5(Х = 0.53ткт) + ЕК3{Х = 0.67ткт) ,

Л(Д) - спектральная характеристика диффузного коэффициента отражения,

5(Я) - спектральная характеристика канала регистрации одной из трех компонент цветного изображения. |

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 ( рис.4).

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.

Спектр отражения при изменении концентрации меланина после лазерного облучения

Изменение соотношения компонент RGB при изменении концентрации меланина после лазерного облучения

к 0,5 ______________________________

S

® X IS 0,4 t

1 * ? ° 0,3 ♦ * ~ ♦ • « , —в

1 2 0,2 * \ - М G

** - - ' ♦ " . . 1 ♦ ♦ ' -*-R

5 £ 0,1 _:---:--

■в- _ >

S Ч 0 ■

О 0,5 1

Концентрация меланина

Спектр отражения при изменении концентрации гемоглобина после лазерного облучения

Изменение соотношения компонент RGB при изменении концентрации гемоглобина после лазерного облучения

0 0,5 1

Концентрация гемоглобина

Рис.4 Эффект изменения цвета ткани после воздействия терапевтического лазерного излучения, связанный с изменением степени оксигена-ции крови при различных концентрациях основных поглотителей: меланина и гемоглобина.

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 (Рис.4).

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, в частности корреляционного анализа изображений (Рис.5). |

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 изображений, позволяющие проводить более тонкую фильтрацию, избирательно выделяя или подавляя на изображении заданные структуры тканей, когда в качестве параметра, характеризующего заданную структуру ткани, выбран ее цвет.

А) Б) В)

Рис.5. Пример корреляционного анализа цветного изображения А — исходное изображение, Б — фрагмент исходного изображения с областью патологии,

В — корреляционная фрагментация изображения фрагмента Б).

Разработан метод синтеза 3-Б изображений, использованный для мониторинга динамики лечения патологий тканей глазного дна (Рис.6)

А)

Б)

Рис.6 Пример синтеза З-Э изображений, использованный для мониторинга динамики лечения патологий тканей глазного дна. А) — до лечения, Б) — после лечения.

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

Для количественной оценки изменения пространственного распределения интенсивности флуоресценции предлагается синтезировать цветное изображение, где каждой компоненте цвета соответствует флуоресцентное изображение, полученное в различное время (Рис.7).

Рис. 7 Пример синтеза цветного изображения из последовательных во

времени флуоресцентных изображений

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.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

• Проведена модернизация лазерных полупроводниковых излучателей для комплекса офтальмологической аппаратуры. Впервые разработаны новые принципы построения, новые схемы инжекционных 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.

В приложении приведен:

Пользовательский интерфейс программной части лазерного офтальмологического комплекса.

Результаты, представленные в диссертации, опубликованы в следующих работах:

1. Решение о выдаче патента на изобретение. Заявка №2003102584/14(002798).Способ оценки динамики лечения патологий глазного дна. Нероев В.В., И.З.Карлова., М.В.Будзинская., Г.Л. Киселёв. Благодатских Д.П. Шевчик С.А.

2. Будзинская М.В. Благодатских Д.П. Киселев Г.Л. Лихванцева В.Г. Нормирование цветных изображений картины глазного дна. Вестник офтальмологии №2. 2006. стр. 11

3. М.В. Будзинская, И.В.Щёголева, Т.Н. Киселёва, Д.П. Благодатских, Г.Л. Киселев, Метод количественной оценки интенсивности флюоресценции при центральной серозной хориоретинопатии. Материалы IV Евро-азиатской конференции по офтальмохирургии. Екатеринбург 25-27 апреля 2006 г. стр. 193 |

4. И.В.Щёголева, М.В. Будзинская, Т.Н. Киселёва, Д.П. Благодатских, Г.Л. Киселев, Метод количественной оценки интенсивности флюоресценции в дифференциальной диагностике центральной серозной хориоретинопатии и диффузной эпителиопатии. Сб.научн. трудов, посвещённый 80-летию Уфимского НИИ глазных болезней «Проблемы современной офтальмологии». — Уфа, 2006. с. 128.

5. М.В. Будзинская, Д.П. Благодатских, Г.Л. Киселев, В.Г. Лихван-цева, Е.А. Прививкова. Колориметрическое послойное сканирование цветного изображения глазного дна в анализе ангиоархитектоники хорио-идеи. Вестник офтальмологии. №5 2006.

6. Д.П. Благодатских, Г.Л. Киселев, Р.В. Крымов Корреляционный анализ спектрозональных изображений Труды IV Международной научно-технической конференции "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения" ШТЕ11МАТ1С-2005, -М.: МИРЭА, 2006, часть 1, с.228-231.

7. Д.П. Благодатских, Г.Л. Киселев, Р.В. Крымов, Моделирование цвета биологической ткани, Труды IV Международной научно-технической конференции "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения" 1ЫТЕ1ШАТ1С-2005 -М.: МИРЭА, 2006, часть 1, с.208-211.

8. Д.П. Благодатских, Г.Л. Киселев Г.Л., Р.В. Крымов Корреляционные измерения цвета на спектрозональных изображениях, Мир измерений, №6, 2006, 4с, в печати.

Подписано в печать 21.11.2006. Формат 60x84 1/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,63. Усл. кр.-отт. 6,52. Уч.-изд. л. 1,75. Тираж 80 экз. Заказ 701

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)" 119454, Москва, пр. Вернадского, 78

1. Введение

2. Разработка аппаратной части лазерного офтальмологического комплекса

2.1 Разработка лазерных излучателей

2.1.1 Разработка требований к лазерным излучателям

2.1.2 Модернизация инжекционных лазерных диодов

2.2 Разработка лазерного офтальмологического комплекса

2.2.1 Комплекс для получения и анализа лазерно-индуцированных и цветных изображений глазного дна

2.2.2 Комплекс для получения цветных изображений сетчатки с помощью лазерного излучения

2.2.3 Комплекс для получения лазерно-индуцированных флуоресцентных изображений глазного дна

3. Разработка программной части лазерною офтальмологического комплекса

3.1 Разработка мазематических моделей распространения лазерного излучения

3.2 Разработка математических моделей формирования цветного изображения

3.2.1 Моделирование формирования цветного изображения

3.2.2 Моделирование изменения цвета ткани после лазерного облучения

4. Разработка информационных технологий анализа и синтеза лазерно-индуцированных и цветных изображений тканей глазного дна

4.1 Информационные критерии, используемые при диагностике патологий на изображениях тканей глазного дна

4.2 Разработка информационных технологий анализа лазерно-индуцированных и цветных изображений тканей глазного дна

4.3 Разработка информационных техноло! ий синтеза лазерно-индуцированных и цветных изображений тканей глазного дна

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 фото- и видеокамер При этом по разрешающей способности такие системы ввода вполне приближаются к зрению человека, а с учетом быстродействия ближайшей технической моделью глаза, очевидно, являются видео- и 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

1. Ананьев Ю.А Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. -М.: Наука, 1979.

2. Будагян И.Ф. и др. К теории диэлектрического резонатора. РиЭ, 1976, 21, №6, с. 11701178.

3. Нефедов ЕИ. Дифракция электромагнитных волн на диэлектрических структурах. М.: Наука, 1979.

4. Борн М., Вольф Э Основы оптики.- М.: Наука, 1970.

5. Вахитов Н.Г. Открытые резонаторы с зеркалами, обладающими переменным коэффициентом отражения РиЭ, 1965,т. 10,с 1676.

6. Ривлин J1 А. Динамика излучения полупроводниковых квантовых генераторов М.-«Сов Радио», 1976, 176с.

7. Богданкевич О В , Дарзнек С.А , Елисеев П.Г. Полупроводниковые лазеры. М.: Наука, 1976.

8. Справочник по лазерам/ Под ред А М Прохорова В 2-х томах М.: Сов. Радио, 1978

9. Розеншер Э., Винтер Б. Оптоэлектроника. М.: Техносфера, 2004 - 592с.

10. Yariv A. Quantum Electronics, Wiley, New York, 1989.

11. Клышко Д H. Физические основы квантовой электроники М : Наука, 1986,296с.

12. Щука А.А. Элеюроника Учебное пособие / Под ред. Проф Сигова АС. СПб : БХВ-Петербург, 2005.-800с.

13. ЗвелтоО Принципы лазеров М.: Мир, 1990.

14. Гончаренко А М, Марченко В.А. Основы теории оптических волноводов. М.: Едиториал УРСС, 2004 -240с

15. Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. М.: Высшая школа, 2001.

16. Балашевич Л.И., Измайлов А.С. Современные лазерные технологии в диагностике и лечении повреждений органа зрения и их последствий // М ,1999.- 83 с.

17. Жуков Б Н., Лысов НА. Лазерное излучение в экспериментальной и клинической ангиологии.//Самара, 1996

18. Киселев Г Л , Лощенов В Б. Распределение лазерного излучения в биологической ткани при фотодинамической терапии и диагностике // Российский химический журнал, №5,т. XLII. стр. 53.(1998)

19. Ланзетта П., Мичиелетто П., Пирракчио А. И др. Новые лазерные технологии в офтальмологии // Мат. Российской научно-практической конференции.- Калуга, 2002.-С.71.

20. Ларичев А.В, Иванов П В, Ирошников Н.Г, Шмальгаузен В.И, Оттен Л. Дж Адаптивная система для регистрации изображения глазного дна // Квантовая электроника, 32, №Ю стр 902-909(2002)

21. Линьков К.Г., Березин АН, Лощенов В.Б. Аппаратура для ФД и ФДТ Российский биотерапевтический журнал ; (2), стр 54 (2004)

22. Лощенов В.Б., Стратонников А А, Волкова А.И., Прохоров A.M. Портативная спектроскопическая система для флуоресцентной диагностики опухолей и контроля за фотодинамической терапией // Росс. Хим. Журнал,t.XLII(5) с 50-53(1998)

23. Лощенов В.Б., Стратонников А А. Физические основы флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии // Сборник трудов МИФИ, том 4, стр 53-54 (2000)

24. Пасечникова Н.Ф., Тесленко А.С. // Новые лазерные технологии в офтальмологии: Мат Российской научно-практической конференции // Калуга с.75. (2002)

25. Руководство для врачей. Лазеры в клинической медицине под ред. Проф. С Д. Плетнева // Москва, изд."Медицина",с.53-54 (1996)

26. Тучин В В. Исследование биотканей методами светорассеяния // Успехи физ Наук. г. Т 167, №5. С.517-539 (1997)

27. Шевчик С.А. Исследование спектрально флуоресцентных изображений биологических объектов, диссертация на соискание ученой степени кандидата физ-мат наук, 2005.

28. Akira Obana, Yuko Gobto, Kenji Keneda, Susumu Nakajima, Tokubiko Miki. "PDT to Monkey CNV with ATX-S10(Na)> Inapproppriatcness of Early Laser Irradiation for Selective Occlusion". Ophthalmology & Visual Science,, Vol. 42 (11), p 2639-2645(2001)

29. Alpes J Optical Coherence Tomography: image of coherence. // Science (261) p 555(1993)

30. Asrani S, Zou S, D'Anna S, Lutty G, Vinores SA, Goldberg MF, Zeimer R. Feasibility of laser-targeted photoocclusion of the choriocapillary layer in rats. Invest Ophthalmol Vis Sci. Dec;38(13) p.2702-10 (1997)

31. Asrani S, Zeimer R. Feasibility of laser targeted photo-occlusion of ocular vessels. Br. J. Ophthalmol., vol.79(8), p 766-70 (1995)

32. Baba J., Cameron В , Gerard S. Effect of temperature,PH, and corneal birefringence on polarimetric glucose monitoring in the eye //Journal of Biomedical Optics Vol7(3) P.321-328 (2002)

33. Benedek G.B., Pande J., Thurston G.M., Clark J.I. Theoretical and experimental basis for the inhibition of cataract. // Prog. Retin. Eye Res. 18, p.39M02(1999)

34. Beausencourt E, Remky A , Eisner A. E , Hartnett M. E., Trempe C. L. Infrared scanning laser tomography of macular cysts // Ophthalmology, 107 p 376-385(2000)

35. Bermig J ,Tylla H ,Jochmann C.,Nestler A ,Wolf S. Angiographic findings in patients with exudative age-related macular degeneration // Graefes Arch. Clin. Exp. Ophthalmol Mar 240 p. 169-75(2002)

36. Bevilacqua F. and Depeursinge C. Monte Carlo study of diffuse reflectance at source-detector separations close to one transport mean free path // J. Opt. SocAm;A. 16 (12) p 2935-2945(1999)

37. Birngruber R., Schmidt-Erfurth U., Teschner S , Noack J. Confocal laser scanning fluorescence topography: a new method for three-dimensional functional imaging of vascular structures // Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. Jul,238(7)p.559-65(2000)

38. Blinder К J., Peyman G A , Paris C.L, et al: Submacular scar excision in age related macular degeneration. // Int Ophtalmol Clin , (15) p.215( 1991)

39. Blum H F. Photodynamic action and diseases caused by light // Hafner Publishing Co , New York(1964)

40. Boettner E. A. and Wolter J. R., // Invest Ophthalmol. Vision Sci ;1(6), p 776-783 (1962)

41. Bulow N. Light scattering by pigment epithelium granules in the human retina // Acta Ophthalmol ;46, p 1048-53(1968)

42. Bressler N.M., Bressler SB. Preventative ophthalmology, age-related macular degeneration. // Ophthalmology ,102, 1206-1211(1995)

43. Cardillo Piccolino F, Eandi С M, Ventre L, Rigault De La Longrais R С , Grignolo F.M. Transpupillary thermotherapy of juxtafoveal recurrent choroidal neovascularization. // Eur J Ophthalmol. Jun;I3(5) p 453-60(2003)

44. Chakravarthy U., Houston R, Archer D. Treatment of age-related subfoveal neovascular membranes by teletherapy: a pilot study. // Br. J. Ophthalmol; 77, p 265-273( 1993)

45. Chakravarthy, U, Radiation therapy for age-related macular degeneration letter. // Jama,.vol 278(4), p. 288-9(1997)

46. Chang В., Yannuzzi L A, Ladas I.D., Guyer D R., Slakter J.S, Sorenson J.A. Choroidal Neovascularization in Second Eyes of Patients with Unilateral Exudative Age-Related Macular Degeneration.//Ophthalmology; 102: 1380-1386(1995)

47. Cherrick GR, Stein SW, Leevy CM. Indocyanine green: observations on its physical properties, plasma decay, and hepatic extraction. //J Clin Invest;39 p 592(1960)

48. Costa R, Farah M, Freymuller E, Morales P, Smith R, Cardillo J. Choriocapillaris photodynamic therapy using indocyanine green Am J Ophthalmol.; 132 p 557-565(2001)

49. Dailey HA, Smith A. Differential interaction of porphyrins used in photoradiation therapy with ferrochelatase // Biochem. J ;223,p 441-445(1984)

50. David B. Ameen, Marilyn F. Bishop, and Tom McMullen A Lattice Model for Computing the Transmissivity of the Cornea and Sclera Biophys J, November; vol.75(5), p. 2520-2531 (1998)

51. DeRosa M.C., Crutchley R J. Photosensitized singlet oxygen and its applications // Coord Chem Rev. Vol 233-234, p 351-371(2002)

52. Delori F. С, Spectrophotometer for noninvasive measurement of intrinsic fluorescence and reflectance of the ocular fundus // Appl. Opt.;33, 7439-7452 (1994)

53. Desmettre TJ, Soulie-Begu S, Devoisselle JM, Mordon SR Diode laser-induced thermal damage evaluation on the retina with a liposome dye system. Lasers Surg Med ,vol24(l) p 61-8(1999)

54. Desmettre Т., Devoisselle J M , Soulie-Begu S , Mordon S. Value of fluorescein angiography in control of retinal thermal damage due to diode laser J. Fr. Ophtalmol. Aug-Sep,vol 22(7) p.730-7(1999)

55. Dougehrty T.J., Boyle D G , Weishaupt К R. Photoradiation therapy of human tumors //The science of photomedicine", J.D. Regan and J.A. Parnsh eds, Plenum press, New York, p.265(1982)

56. Dougehrty TJ. PDT of malignant tumors // in press in: "CRC Critical Reviews in oncology/Hemathology" CRC Press, Boca Raton, Florida, p. 184(1984)

57. Dreher A. W. and Weinreb R. N., "Accuracy of topographic measurements in a model eye with the laser tomographic scanner," Invest. Ophthalmol Vis Sci.;32 p.2992-2996 (1991)

58. Drexler W., Morgner U, Kartner F.X., et al. In vivo ultra high resolution optical coherence tomography//Opt. Iett.;24, p 1221-1223(1999)

59. Edell E S., Cortese D.A. Photodynamic therapy in the management of early superficial sqamous cell carcinoma as an alternative to surgical resection .//Chest, vol.102. p. 1319-1322(1992)

60. Eisner A.E., Burns S. A , Weiter J J, and Hartnett M. E , "Diagnostic applications of near infrared solid-state lasers in the eye // " LEOS '94, IEEE Catalog number 94CH3371-2, Library of Congress number 93-61268, I994;l p. 14-15