Диссертация (1174210), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Рассматриваемая автоматизированная системабактериоскопической диагностики туберкулеза должна включать в себя двесоставляющие: аппаратную и программную.6.1. Схема работы и требования к аппаратной части программноаппаратного комплекса автоматизированной бактериоскопическойдиагностики туберкулезаЗадачейаппаратнойчастипрограммно-аппаратногокомплексаавтоматизированной бактериоскопической диагностики туберкулеза являетсяавтоматизация получения цифровых изображений.Прежде всего необходимо определить функционал и требования каппаратной части данной системы. Аппаратная часть представляет собоймодернизированныймикроскоп,позволяющийвавтоматическомрежимепроизводить цифровую микроскопическую фотосъемку препаратов мокроты,окрашенной по методу Циля-Нильсена, и осуществлять передачу полученныхизображений на компьютер для дальнейшего анализа с помощью программнойчасти рассматриваемой системы. Для реализации представленного описаниянеобходима реализация функционала, представленного в таблице 19.Аппаратная часть должна обеспечивать три основополагающих функции.
Вопервых, снизить роль человека в процессе получения цифрового материала дляанализа путем автоматизации данного процесса. В таком случае роль человека171заключается только в подготовке мазков мокроты, их окраске по методу ЦиляНильсена и загрузке полученных предметных стекол в аппаратную частьавтоматизированной системы.Таблица 19 – Необходимые функции аппаратной части программно-аппаратногокомплекса бактериоскопической диагностики туберкулеза№ п/п1.ФункцияНазначениеАвтоматическая сменаМаксимальноеисключениеролипредметных стеколчеловека в процессе просмотра мазков(опционально)мокроты и уменьшение времени на ихпросмотр2.3.Автоматическая фокусировкаМаксимальноеисключениероли(передвижение предметногочеловека в процессе просмотра одногостекла микроскопа помазка мокроты и уменьшение временивертикальной оси)на его просмотрПеремещение предметногоПолучение цифровых изображенийстекла в горизонтальнойразличных полей зренияплоскостиЦифровая съемка4.Получение цифрового материала длядальнейшего анализа в программнойчасти автоматизированной системы5.Передача изображения наПередача цифрового изображения вкомпьютерпрограммнуючастьавтоматизированной системы6.Анализ сигналов отОстановкаилипродолжениепрограммной частицифровой съемки различных полейзренияВо-вторых, съемка необходимого числа полей зрения.
Необходимое числополей зрения определяется на основании инструкции по унифицированным172методам микроскопических исследований для выявления кислотоустойчивыхмикобактерийвклинико-диагностическихлабораторияхлечебно-профилактических учреждений, утвержденной приказом Минздрава России от21.03.2003 №109 «О совершенствовании противотуберкулезных мероприятий вРоссийской Федерации» (таблица 20) [92]. Согласно данной инструкции решениео необходимом для просмотра числе полей зрения должно приниматься оперативнов процессе непосредственного просмотра мазка мокроты.Таблица 20 – Правила определения необходимого числа полей зрения длябактериоскопической диагностики туберкулезаПолучаемый в оперативном режимерезультатКислотоустойчивые микобактерии необнаружены в 300 полях зрения1 – 2 кислотоустойчивых микобактериив 300 полях зрения1 – 9 кислотоустойчивых микобактерийв 100 полях зрения10 – 99 кислотоустойчивыхмикобактерий в 100 полях зрения1 – 10 кислотоустойчивыхмикобактерий в 1 поле зренияБолее 10 кислотоустойчивыхмикобактерий в 1 поле зренияМинимальноеРезультатчисло полейбактериоскопическогозренияисследования300Отрицательный300Не оценивается100Положительный100Положительный50Положительный20ПоложительныйРуководствуясь представленными в таблице 20 правилами, минимальнонеобходимое для анализа число полей зрения равно 20.
Такого числа полей зрениядостаточно только в том случае, когда в каждом из 20 полей зрения определяетсяболее 10 кислотоустойчивых микобактерий. В таком случае в дополнительной173съемке других полей зрения нет необходимости, а полученной информациидостаточно для констатации положительного результата бактериоскопическогоисследования. В том случае, когда это условие не выполняется необходимадополнительная съемка 30 полей зрения и так далее.
Таким образом, дляконстатации отрицательного результата бактериоскопического исследованиянеобходима цифровая съемка 300 полей зрения, осуществляемая на одном мазкемокроты. Такая технология, как уже было отмечено, требует оперативного анализа,получаемых программной частью цифровых изображений, и оперативного сигналав аппаратную часть о продолжении или приостановлении съемки дополнительногочисла полей зрения.В-третьих, одной из основных функций аппаратной части является передачацифровых изображений в программную часть.
В связи с тем, что в процессебактериоскопической диагностики туберкулеза существенное значение уделяетсяскорости просмотра предметных стекол, в том числе для принятия оперативногорешения об остановке или продолжении съемки полей зрения препарата, топередачу цифровых изображений предпочтительно осуществлять с помощью USBили беспроводного канала Wi-Fi.Таким образом, основными обязательными требованиями к аппаратной частиавтоматизированной системы бактериоскопической диагностики туберкулезаявляются: реализация описанного выше функционала, минимальная кратностьувеличения – 600, минимальное разрешение цифровой камеры – 0,3 MP.
При этомвесь процесс автофокусировки, съемки необходимого числа полей зрения ипередача цифровых изображений на компьютер не должна превышать 25 минут.6.2. Прототип аппаратной части программно-аппаратного комплексаавтоматизированной бактериоскопической диагностики туберкулеза174Примеромаппаратнойавтоматизированнойчастипрограммно-аппаратногобактериоскопическойдиагностикикомплексатуберкулезамогутслужить сканирующие микроскопы 4-О9 и 8-O9 с загрузкой до 4/8 стекол, робот200-O9 с загрузкой до 200 стекол фирмы «Мекос».Внашихисследованиях,автоматизированногоанализанаправленныхцифровыхнаразработкумикроскопическихтехнологийизображениймокроты, окрашенной по методу Циля-Нильсена, применялись тринокулярныймикроскоп Микромед 1 вар. 3-20 с увеличением 10х60 и установленной цифровойкамерой ToupCam UCMOS09000KPB в режиме съемки с разрешением 0,3 MP (дляручного получения цифровых изображений) и модернизированный намимикроскоп Микромед Р-1 LED.
Технические характеристики модернизированногомикроскопа представлены в таблицу 21, а схема на рисунке 58.Таблица 21 – Технические характеристики модернизированного микроскопаМикромед Р-1 LEDЭлементмикроскопаЦифроваякамераДвигатель№1 и №2Двигатель№3КонтроллерПитаниеТехнические характеристикиToupCam UCMOS01300KPA с разрешением 0,3 MP, связь скомпьютером через USB-интерфейсШаговый двигатель PL20H28-D4 с шагом поворота 1,8 градуса,управление через микросхемы драйверов A3982 в режимеполушага, минимальный шаг перемещения – 2,5 мкм, диапазонперемещения по X – 60 мм, по Y – 25 мм, максимальная скоростьпо X – 3000 мм/мин, по Y – 1500 мм/минШаговый двигатель PL20H28-D4 с шагом поворота 1,8 градуса иредуктор 7:1 для увеличения усилия, управление черезмикросхемы драйверов A3984 в режиме микрошага 1:16,минимальный шаг перемещения– 0,3 мкм, диапазон перемещения– не ограничен, максимальная скорость – 200 мм/мин.Микроконтроллер AT90USB162, связь с компьютеромобеспечивается через USB интерфейс220 В175ЦифроваякамераОбъективПредметныйстоликДвигатель№2Двигатель№1Двигатель№3ПодсветкаРисунок 58 – Схема модернизированного микроскопа Микромед Р-1 LEDМодернизированныймикроскопМикромедР-1LEDобеспечиваетреализацию большинства представленных в предыдущем разделе функций,предъявляемыхкаппаратнойчастипрограммно-аппаратногокомплексаавтоматизированной бактериоскопической диагностики туберкулеза, таких как,176перемещение предметного стекла в горизонтальной плоскости и по вертикальнойоси, цифровая съемка, передача изображения на компьютер и анализ сигналов отпрограммнойчасти.Дополнительнаямодернизацияданногомикроскопанеобходима только в части автоматической смены предметных стекол, что насегодняшний день реализовано сторонними разработчиками, и автоматическойфокусировка, что требует дополнительного изучения и не входило в задачи данногоисследования.
В качестве еще одной технической модернизации необходимаобъединение USB-интерфейсов цифровой камеры и микроконтроллера управлениядвигателями в единый USB-интерфейс. В модернизированном нами микроскопеМикромед Р-1 LED данные USB-интерфейсы не объединены по причинеотсутствия возможности внесений конструктивных изменений в интерфейсцифровой камеры.Таким образом, модернизированный нами микроскоп Микромед Р-1 LEDможет использоваться в качестве прототипа при разработке программной частипрограммно-аппаратногокомплексабактериоскопическойдиагностикитуберкулеза.6.3. Схема работы и требования к программной части программноаппаратного комплекса бактериоскопической диагностики туберкулезаОсновнымизадачамипрограммнойчастипрограммно-аппаратногокомплекса автоматизированной бактериоскопической диагностики туберкулезаявляются непосредственный анализ изображений и передача оперативныхсигналов в аппаратную часть для остановки или продолжения цифровой съемкидополнительных полей зрения.Программная часть автоматизированной системы бактериоскопическойдиагностики туберкулеза должна содержать 7 основных блоков, которыепредставлены на рисунке 59.177НачалоСъемка цифровыхизображенийСегментация цифровыхизображенийПродолжение съемкиПоиск и выделение объектовИзмерение параметровобъектовИдентификация объектовВыполнен критерийостановки цифровойсъемки полей зрения?НетДаСохранение результатаКонецРисунок 59 – Схема программной части автоматизированной системыбактериоскопической диагностики туберкулеза178После передачи 20 цифровых изображений одного микроскопическогопрепарата в программную часть, необходимо осуществление сегментации данныхизображений.
Пример первоначального изображения мокроты, окрашенной пометоду Циля-Нильсена, полученного из аппаратной части представлено на рисунке60.Рисунок 60 – Пример первоначального микроскопическое изображение мокроты,окрашенной по методу Циля-НильсенаЭтап сегментации изображений необходим для удаления с изображенийобластей, которые не будут использоваться для дальнейшего анализа, то естькоторые не содержат искомые объекты – кислотоустойчивые микобактерии. Порезультатам наших исследований наиболее подходящим по качеству и скорости,которая играет немаловажную роль в анализе изображений, является вейвлетпреобразование изображения вейвлетом Mexican Hat (Мексиканская шляпа).179Пример сегментированного вейвлетом Mexican Hat изображения приведенного нарисунке 60, представлен на рисунке 61.Рисунок 61 – Пример сегментированного вейвлетом Mexican Hat изображениямокроты, окрашенной по методу Циля-НильсенаПосле сегментации изображений необходимо осуществление поиска ивыделения объектов.
Поиск и выделение объектов может осуществляется спомощьюрекурсивногоалгоритма.Данныйалгоритмпредусматриваетнахождение первого попавшегося не белого пикселя на изображении иобследование вокруг него на наличие другого не белого пикселя. Если в округенаходится еще один такой пиксель, то осуществляется поиск вокруг него. Этапыработы рекурсивного алгоритма для непосредственного выделения объектов насегментированном изображении проиллюстрированы на примере выделенияобъекта, состоящего из 3 черных пикселей на рисунке 62.180абдвегжРисунок 62 – Этапы работы рекурсивного алгоритма непосредственноговыделения объектов на сегментированном изображенииДля выделения объекта на изображении производится пошаговый поискпервого попавшегося черного пикселя (рисунок 62а) и осматриваются лежащиевокруг пиксели (рисунок 62б) до тех пор, пока рядом не будет находиться другойчерный пиксель.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
