Skip to Content

Разработка устройства для измерения цветового индекса кожи на основе смартфона с операционной системой ANDROID для применения в телемедицине

ID: 2015-12-3881-A-5906
Оригинальная статья (свободная структура)
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., кафедра приборостроения

Резюме

нет

Ключевые слова

цветовой индекс кожи, телемедицина

Статья

Научный руководитель: проф. д. ф.-м. н. Мельников Л.А., проф.д.м.н. Бакуткин В.В.

Актуальность работы направлена на решение важной научно-технической задачи по разработке и развитию новых медицинских устройств. В последние годы визуализация биологических процессов становится основным способом проведения диагностических исследований. Медицинские специалисты все чаще используют в своей работе аппаратные и программные средства, представляющие визуальную информацию о работе органов пациента в реальном времени.

Исследование оптических характеристик кожи человека представляет интерес  для биологов, биофизиков  медиков, поскольку  дает возможность получать объективную информацию о биобъектах и использовать ее для диагностических целей. [1] Развитие компьютерных технологий, в значительной степени расширило возможности анализа цветовых характеристик кожи человека. Колориметрический анализ кожи имеет большое значения для диагностики многих заболеваний, оценки функционального состояния организма. Видимые изменения состояния  кожи являются следствием физиологических нарушений, которые на начальных этапах визуально оценить достаточно сложно. Изменения кожи необходимы при оценке биологического возраста, оценки эффективности проводимой терапии, объективизации данных обследования. Имеется явная тенденция создания компактных, простых в использовании устройств для исследования цветовых характеристик кожи, в том числе в рамках концепции телемедицины.   Для проведения клинических и амбулаторных исследований удобно использовать смартфоны, как устройства, в которых уже предусмотрены технические средства для получения информации и передачи данных в варианте дистанционного анализа. Основными недостатками такой диагностики является слабое программное оснащение существующих средств ее проведения. На данный момент большинство специализированных систем лишь предоставляет изображение или последовательность изображений, не проводя их компьютерный анализ, который мог бы помочь провести распознавание. Таким образом, эффективность работы даже автоматизированных диагностических методов максимально зависит от квалификации исследователя и требует от него визуально проводить всю необходимую в диагностике сегментацию.

Целью данной работы является создание инновационного устройства, являющегося основной частью системы для фоторегистрации кожного покрова, обладающей следующими основными преимуществами – портативность, мобильность, автономность, возможность оперативного качественного экспресс-анализа полученных данных. Это открывает возможность использования мобильных устройств, в частности, смартфонов, для выполнения и профессиональной деятельности. Особое значение имеет при этом существование открытого программного обеспечения, предоставляемого операционной системой ANDROID, программирование для которой не требует лицензирования системы подготовки программ и платного доступа к этим системам.

Разрабатываемый комплекс предназначен для получения изображения кожного покрова для последующего анализа с возможностью объективизации данных и определения диагностических критериев. Данное устройство обладает возможностью регистрации полученных изображений и их передачи на интернет сервер.

Задача данной работы состоит в апробации метода определения цвета кожи на основе обработки изображения, полученного при помощи смартфона. Работа включает разработку методики получения изображений, обработки изображений, архивации и программ диагностики патологических изменений кожи обследуемых пациентов.

Указанная цель достигается решением следующих задач:

§ Создание устройства для цветового анализа кожи

§ Создание оптической и электронной системы

§ Создание интернет сервиса

§ Разработка методики обработки изображений

§ Разработка программы для обработки данных

§ Разработка методов анализа и клинического применения разработанного метода и устройства.

Научная новизна. В результате проделанной работы получены следующие научные и научно-технические результаты:

§ Разработан прототип устройства на основе фотокамеры для определения цветовых характеристик кожи человека.

§  Разработана программа обработки изображений, получаемых с помощью прототипа, с возможностью получения цветовых характеристик в различных системах (RGB, L*a*b)

§  Показана работоспособность прототипа на примере обработки изображений участков кожи

§  Определены научно-технические и экономические перспективы создания устройства.

Предмет телемедицины заключается в передаче медицинской информации между отдаленными друг от друга пунктами, где находятся пациенты, врачи, другие провайдеры медицинской помощи, между отдельными медицинскими учреждениями. Телемедицина подразумевает использование телекоммуникаций для связи медицинских специалистов с клиниками, больницами, врачами, оказывающими первичную помощь, пациентами, находящимися на расстоянии, с целью диагностики, лечения, консультации и непрерывного обучения.

Телемедицина – метод предоставления услуг по медицинскому обслуживанию там, где расстояние является критическим фактором. Предоставление услуг осуществляется представителями всех медицинских специальностей с использованием информационно-коммуникационных технологий после получения информации, необходимой для диагностики, лечения и профилактики заболевания. Телемедицина - это направление на стыке нескольких областей - медицины, телекоммуникаций, информационных технологий, образования. Бесспорно, что одно из главных достоинств телемедицины - это возможность предоставить высококвалифицированную помощь специалистов ведущих медицинских центров в отдаленных районах и существенно сэкономить при этом затраты пациентов. [3]

Несмотря на то, что сегодня телемедицина считается преимущественно дистанционной диагностикой, потенциальные возможности её существенно шире. Например, перспективным направлением является дерматоскопия и дистанционное обследование пациентов с различными патологиями. Перспективы телемедицины также взаимосвязаны с дальнейшей миниатюризацией измерительных средств, робототехники, внедрением смарт-технологий, новейших достижений информационных технологий и прикладных аспектов нанотехнологии. Основной тенденцией развития телемедицинских технологий сегодня является создание региональных телемедицинских сетей. Они будут развиваться как вглубь территорий, чтобы охватить большее число учреждений здравоохранения, так и объединяться друг с другом. При этом будут использоваться наземные и спутниковые, волоконно-оптические и беспроводные, широкополосные и сети мобильных операторов – все доступные человечеству средства связи.

Направление это достаточно новое, особенно для России.  Единая схема стандарта обмена медицинскими данными в электронном виде полученных данных является ценным свойством не только для клинических, но и для статистических исследований. Общая структура стандарта включает:

§ движение пациентов (поступление, выписка, перевод);

§ порядок поступления;

§ данные клинических наблюдений;

§ интерфейс для данных общего назначения;

§ информацию для руководящего персонала;

§ назначения, операции и лечебные процедуры;

§ систему эпикризов.

Описание конструкции и принципа действия устройства

Данное устройство разрабатывается как многофункциональное устройство, соединяющие в себе всё необходимое для практической деятельности врача или учёного-дерматолога, поэтому очень большое внимание было уделено вопросу максимальной простоты и лёгкости получения дерматоскопических изображений.

Изображения, получаемые с помощью разрабатываемой системы насадки и смартфона, отвечают высоким требованиям, предъявляемым к дерматоскопической фотографии. Разрабатываемая насадка создаёт наилучшие условия освещения объекта снимка с помощью, поляризованной или кросс-поляризованной подсветки, что способствует получению совершенно ясного и детального изображения. Квадратное основание насадки позволяет более надёжно фиксировать прибор во время снимка, предотвращая нежелательную вибрацию. Мощное увеличение оптической линзы даёт изображения глубокой детализации и чёткости. Поэтому те специалисты, которые хотят получать дерматоскопические снимки такого качества, которое соответствует современному уровню развития дерматологии, должны пользоваться для диагностической работы только подобными высокоэффективными специализированными средствами.

Рисунок 1. Фотография кожного покрова  с помощью смартфона без применения специальной насадки (а) и с насадкой (б).

Рисунок 2. а) Макроизображение, сделанное с помощью смартфона; б) Микрофотография того же объекта, полученная с помощью разрабатываемого устройства.

Разрабатываемое устройство состоит из: смартфона, объектива и оптической насадки.

Прямое фотографирование кожного покрова с помощью смартфона затруднено тем, что он не предназначен для получения изображения на таком малом расстоянии. Фотография (без применения специальной насадки с дополнительной (согласующей) линзой) получается размытой и некачественной.

Формулы определения координат RGB, XYZ

Способ измерения цвета участка поверхности тела пациента осуществляется следующим образом. [2]

Цвет участка поверхности тела пациента измеряется с помощью спектрального прибора по спектрам отражения или с помощью цифрового фотоаппарата.

При использовании спектрального прибора с помощью двух световодов, по одному из которых происходит облучение участка поверхности тела, а по второму отраженный свет передается на спектральный прибор, измеряются спектры отражения участка поверхности тела в видимой области спектра. В колориметрической системе МКО 1931 года координаты цвета X, Y, Z определяются по формулам (1), (2) и (3), где k определяется по формулам (4), (5) и (6), S(λ) – спектральное распределение энергии источника света, а x(λ), y(λ) и z(λ) – удельные координаты цвета.

С помощью смартфона получают цветную фотографию, из которой определяют координаты цвета RGB. Координаты цвета X, Y, Z связаны с основными цветами системы RGB уравнениями (7), (8) и (9). Координаты цветности x, y, z связаны с координатами цвета X, Y, Z соотношениями (10), (11) и (12).

Как следует из формул (1), (2) и (3), координаты цвета зависят от спектрального распределения источника, которое меняется во времени. Для определения этого распределения используют эталонный образец. В качестве эталонного образца выступает белый цвет. Преобразование XYZ в L*a*b* - формулы (13), (14) и (15). f(t) определяется по формуле (16).

Значения  Xn, Yn и Zn это координаты белой точки в значениях CIE XYZ (буква n означает «нормализованность»).

Разделение функции f(t) на два участка было сделано чтобы избежать точки бесконечной сингулярности при t=0. f(t) предполагается линейной при значениях меньших t=t0 и cоответствует t1/3  на участке t0 [4]; формула (17). Значение σ выбрано 16/116. Приведенные выше уравнения могут быть решены для a и t0; формула (18).

CIELAB предоставляет возможность избирательного воздействия на отдельные цвета в изображении, усиление цветового контраста, незаменимыми являются и возможности, которые это цветовое пространство предоставляет для борьбы с шумом на цифровых фотографиях.[4]

Получив снимок, он отправляется на удаленный сервер системной обработки изображений. Далее программа обрабатывает полученное изображение и выдает результат пациенту, врачам различных специальностей (дерматолог, аллерголог, педиатр, косметолог и т.д.)

Таким образом, данный метод позволяет использовать любые системы описания цвета, которые можно получить с помощью RGB – анализа. На основе смартфона возможно получение изображения кожного покрова с дальнейшей обработкой, в том числе в условиях телемедицины.

Заключение

  Проведены экспериментальные исследования цвета участков кожи с использованием разработанного устройства и программы по обработки фотоизображений. Результаты демонстрируют работоспособность устройства и метода. Для более точного определения цвета участков кожи целесообразно применять стандартизированную подсветку, возможно  выполненную на основе фотодиодной вспышки с подбором излучателей, обеспечивающих согласованное с эталонным образцом освещение.   

Литература

  1. Синичкин Ю.П., Утц С.Р., Пилипенко Е.А. In vivo лазерная флуоресцентная спектроскопия кожи человека: влияние эритемы / / Оптика и спектроскопия. 1994. Т.76. №5. С.864-868.
  2. Свиридов А.П., Зимняков Д.А., Синичкин Ю.П., Бутвина Л.Н., Омельченко А.И., Махмутова Г.Ш., Баграташвили В.Н. Поляризационая и ИК Фурье спектроскопия кожи человека in vivo при абляции излучением ИАГ:Er лазера / / ЖПС. 2002. Т. 69. №4. С. 484-488.
  3. Papir Y.S., Hsu K.H., Wildnauer R.H. The mechanical properties of stratum corneum. I. The effect of water and ambient temperature on the tensile properties of newborn rat stratum corneum. BiochimBiophysActa 1975 Jul 14; 399(1):170-80.
  4. Дэн Маргулис Photoshop LAB Color. Загадка каньона и другие приключения в самом мощном цветовом пространстве.
0
Ваша оценка: Нет



Оптимальный хостинг для Drupal, Wordpress, Joomla, Битрикс и других CMS, быстрые и надежные сервера, круглосуточная техподдержка Яндекс.Метрика