ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ АНАЛИЗА БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ

ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ АНАЛПЗА БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ
Полезная модель относится к области медико-биологических исследований и предназначена для изучения цитологических препаратов клеток крови, тканей, генов и т.д. - методом автоматического распознавания объектов.
Известна система для исследования цитологических препаратов, содержащая микроскоп с источником освещения, снабженный видеокамерой, соединенной с блоком ее управления. Камера выдает на своем выходе изображения в оцифрованном виде, которое поступает в запоминающее устройство компьютера и может быть отображено с его помощью на мониторе. Компьютер снабжен средствами управления в виде клавиатуры и мыши. Кроме этого, система снабжена блоком хранения информации об исследованных препаратах, например, в виде жесткого диска компьютера, принтером, на котором могут быть распечатаны полученные изображения, и блок анализа изображений в виде персонального компьютера, снабженного соответствующим программным обеспечением (см.описание к патенту США J4o 5732150, ПКИ 382133, 1998 /1/). Недостатками известной системы являются малые функциональные возможности и сложность эксплуатации. Это обусловлено тем, что для определения вида исследуемых клеток необходимо получить несколько изображений одного и того же препарата при освещении (или съемке) светом различной длины волны. Для этого либо камера, либо источник света снабжаются набором светофильтров. Кроме
N33/48 G 06 К 9/00
того, блок анализа должен содержать базу данных об образцовых (эталонных) препаратах, сравнение с которыми позволяет определить свойства клеток исследуемого препарата.
Известна система для исследования цитологических препаратов, содержащая микроскоп, снабженный видеокамерой, выход которой соединен с блоком оцифровки изображения, выход которого соединен с запоминающим устройством, которое сохраняет первичное изображение в цифровом виде. Система снабжена компьютером, содержащим процессор с соответствующим программным обеспечением, монитором для наблюдения полученных изображений, принтером для получения бумажных копий и средствами управления компьютером - клавиатурой и мыщью. Компьютер выполняет функцию блока вычисления характеристик клеток, формы и размеров, что позволяет в дальнейщем их классифицировать и идентифицировать (см.описание к патенту США № 5526258, НКИ 382-133, 1996 121). Недостатками известного устройства являются малые функциональные возможности и недостаточно высокая достоверность получаемых данных, вызванных особенностями конструкции и функционирования системы.
Наиболее близкой к заявляемой по своей сущности и достигаемому результату является известная система для исследования биологических материалов, в частности цитологических образцов (см.описание к патенту РФ № 2096827, G 06 F 19/00, 1997 /3/). Известная система содержит микроскоп, снабженный видеокамерой, выход которой соединен с цифровым преобразователем изображения, выход которого соединен с входом блока детектирования объектов, при этом блок детектирования выполняет функцию первичного статистического классификатора по интегральной оптической плотности клеточных ядер. В состав используемых в системе вторичных классификаторов входят нейронные сети (нейронные компьютеры). Кроме этого, известная система снабжена устройством вывода информации в виде монитора и/или принтера.
Недостатком известного устройства является ограниченность его применения, поскольку оно позволяет различать только клетки, являющиеся злокачественными или предзлокачественными. Кроме того, использование нейронного компьютера требует его обучения, что создает трудности для пользователя.
Заявляемый в качестве полезной модели программно-аппаратный комплекс для анализа биологических материалов направлен на расширение класса исследуемых объектов и упрощение пользования им, как современным компьютерным инструментарием для автоматизированного анализа изображений, с обеспечением высокой достоверности распознавания исследуемых объектов.
Указанный результат достигается тем, что программноаппаратный комплекс для анализа биологических препаратов содержит последовательно соединенные сопряженную с микроскопом телевизионную камеру, цифровой преобразователь видеосигнала, блок детектирования объектов и устройство регистрации и отображения , включающее процессорный блок, дисплей, средства управления в виде клавиатуры и «мыши и периферийный блок, при этом блок детектирования выполнен в виде последовательно соединенных блока контрастирования, блока расфокусировки, блока пространственного дифференцирования, блока амплитудно-пространственной связности, блока вычисления характеристик и запоминающего устройства, ко второму входу которого подсоединен выход блока амплитуднопространственной связности, а к второму входу блока вычисления характеристик подсоединен вход блока контрастирования, являющийся входом блока детектирования объектов, выходом которого является выход запоминающего устройства, соединенный со входом устройства регистрации и отображения.
Указанный результат достигается также тем, что в устройство регистрации и отображения включены между выходом средств управления и входом процессорного блока последовательно соединенные блок выборки и индикации объектов и блок цветоконтрастирования, при этом процессорный блок своими выходами подсоединен ко входам дисплея и периферийных блоков, а входом устройства регистрации и отображения является второй вход блока выборки и индикации объектов.
Отличительными признаками заявляемого комплекса являются:
- выполнение блока детектирования объектов в виде последовательно соединенных блока контрастирования, блока расфокусировки, блока пространственного дифференцирования, блока амплитуднопространственной связности, блока вычисления характеристик и запоминающего устройства;
- включение в устройство регистрации и отображения между выходом средств управления и входом процессорного блока последовательно соединенных блока выборки и индикации объектов и блока цветоконтрастирования.
Выполнение блока детектирования объектов в виде последовательно соединенных блока контрастирования, блока расфокусировки, блока пространственного дифференцирования и блока амплитуднопространственной связности позволяет обеспечить расщирение класса исследуемых объектов и упрощение пользования системой за счет того, что объекты детектируются по своим силуэтам, а не контурам, в результате чего отпадает необходимость в обучении системы и
она дает возможность исследователю с высокой степенью достоверности распознавать изображения объектов - биологических препаратов.
Выполнение в частных случаях реализации устройства регистрации и отображения с включением блока выборки и индикации объектов и блока цветоконтрастирования, позволяет обеспечить возможность выборки из всего множества детектированных объектов на биопрепарате любого наиболее представительного, с точки зрения пользователя-эксперта, подмножества анализируемых объектов, с их индивидуальной дополнительной индикацией и отображением измеренных характеристик и сравнительных оценок. При этом, снабжение устройства регистрации и отображения блоком цветоконтрастирования позволяет усилить цветовые компоненты распознанных изображений (т.е. дополнительно повысить четкость и разрешение), что облегчает работу исследователя и повышает достоверность распознавания исследуемых объектов.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется примером реализации и чертежом, на котором показана принципиальная блок-схема устройства.
Предлагаемый программно-аппаратный комплекс для анализа биологических препаратов содержит микроскоп 1, поле зрения которого оптически сопряжено с полем зрения телевизионной камеры 2, выход которой соединен с цифровым преобразователем видеосигнала 3. ТВ-камера может быть выбрана любого типа из числа известных. Это может быть телевизионная камера или цифровая (ССД). В последнем случае, поскольку в комплект цифровой камеры входит устройство для цифрового преобразования изображения и запоминающее устройство для хранения определенного числа кадров, цифровой преобразователь видеосигнала оказывается реализованным как модуль внутри цифровой ТВ-камеры. В наиболее общем случае следует считать, что выход цифрового преобразователя видеосигнала соединен с входом блока 4 детектирования объектов, который выполнен в виде последовательно соединенных блока 10 контрастирования, блока 11 расфокусировки, блока 12 пространственного дифференцирования, блока 13 амплитудно-пространственной связности, блока 14 вычисления характеристик и запоминающего устройства 15. При этом второй вход блока 14 вычисления характеристик соединен с выходом цифрового преобразователя видеосигнала 3, а второй вход запоминающего устройства 15 соединен с выходом блока 13 амплитуднопространственной связности.
Комплекс снабжен устройством регистрации и отображения 5, которое состоит из стандартного набора средств компьютерной вычислительной техники (процессорный блок 6, дисплей 7, средства управления 8, периферийный блок 9 - принтер, факс-модем). При этом, в частных случаях реализации, между выходом средств управления 8 и входом процессорного блока 6 включены последовательно соединенные блок 16 выборки и индикации объектов и блок 17 цветоконтрастирования, а процессорный блок 6 щтатно соединен своими выходами со входами дисплея 7 и периферийных блоков 9. Входом устройства 5 регистрации и отображения является вход блока 16 выборки и индикации объектов, к которому подключен выход блока 4 детектирования объектов, каковым является выход запоминающего устройства 15.
В целом система состоит из набора стандартных блоков, серийно выпускаемых промыщленностью, таких как: микроскоп, телевизионная камера, цифровой преобразователь видеосигнала, ПЭВМ (процессор, средства управления-клавиатура, «мыщь ; периферийный блок- дисплей, принтер, факс-модем), запоминающее устройство и оригинальных. К числу оригинальных следует отнести блок детектирования объектов 4, состоящий из блоков: 10 - контрастирования, 11 - расфокусировки, 12 - пространственного дифференцирования, 13 - амплитуднопространственной связности, 14 - вычисления характеристик и 15запоминающего устройства; а также блок 16 выборки и индикации объектов и блок 17 - цветоконтрастирования, входящие в устройство регистрации и отображения.
Все оригинальные блоки могут быть выполнены в виде самостоятельных устройств с использованием элементной базы микроэлектроники, с принципиальными схемами, которые может разработать специалист, исходя из функционального назначения блоков. С другой стороны, учитывая возможности вычислительной техники, эти блоки могут быть выполнены в виде соответствующих программ для ЭВМ, исполняемых персональным компьютером (процессором). Эти программы будут выполнять функции блоков и обеспечивать их взаимодействие. Второй вариант реализации представляется более предпочтительным.
Программно-аппаратный комплекс для анализа биологических препаратов работает следующим образом. На предметный столик микроскопа 1 устанавливается исследуемый биопрепарат, который освещается соответствующим источником света, входящим в комплект микроскопа и с помощью ТВ-камеры 2 и цифрового преобразователя видеосигнала 3 осуществляется его съемка, т.е. формирование цифрового изображения, пригодного для ввода в компьютер и цифровой обработки. Таким образом, в общем случае исходное аналоговое (телевизионное) изображение в виде электрического сигнала поступает
на цифровой преобразователь 3, который преобразует изображение в цифровую форму, удобную для дальнейшей обработки.
Цифровой сигнал изображения поступает в блок 10 контрастирования, в котором осуществляется усиление амплитуды яркости каждой точки в привязке к среднему значению яркости по всему полю изображения.
Обработанное таким образом цифровое изображение передается в блок 11 расфокусировки, где осуществляется усреднение высокочастотных амплитудных флуктуации по пространству вариаций внутри границ объекта, что, соответственно, выравнивает яркости в границах объекта и обеспечивает предварительное («грубое обнаружение) формирование силуэтов объектов.
Затем изображение передается в блок 12 пространственного дифференцирования, который проводит операцию, обратную расфокусировке - контрастирование, но по силуэтам характеристического размера, что контрастирует силуэты относительно друг друга, т.е. как бы подчеркивает границы силуэтов.
Далее, сформированное в блоках 10, 11 и 12 изображение передается в блок 13 амплитудно-пространственной связности, где совместно анализируются амплитудные (яркостные) и геометрические (пространственная близость) свойства точек изображения. Если яркости в соседних точках различаются на некоторую пороговую величину (она может быть задана), то делается вывод о принадлежности соседних точек к разным объектам, и в запоминающее устройство поступает информация о принадлежности каждой из анализируемых точек к определенному объекту.
Таким образом, в результате обработки цифрового изображения, поступившего на вход блока детектирования объектов, на выходе получается распознанное изображение в виде списка объектов (силуэтов) с их характеристиками (размеры, яркость, форма и т.п.).
Одновременно с передачей сигнала из блока 13 в запоминающее устройство 15 осуществляется и его передача в блок 14 вычисления характеристик, куда поступает и сигнал с цифрового преобразователя видеосигнала 3, в результате чего для детектированных по промежуточному изображению силуэтов вычисляются их амплитудногеометрические характеристики по реальному исходному изображению. Вся эта информация сохраняется в запоминающем устройстве 15 и может быть выведена оператором с помощью средств управления устройства регистрации и отображения 5, подключенного к запоминающему устройству. Для этого оператор с помощью средств управления 7 дает команду блоку выборки и индикации объектов 16, которое отбирает соответствующую информацию об интересующих объектах из запоминающего устройства 15 и передает ее, через блок 17 цветоконтрастирования, на процессорный блок 6, который, в щтатпом соединении с дисплеем и периферийными блоками (например, принтер), и осуществляет отображение и/или документирование выбранных результатов (т.е. выбранных объектов с их измеренными свойствами) анализа.