УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ БАРАБАННОЙ ПЕРЕПОНКИ

Полезная модель относится к медицине и ветеринарии и может быть использована для обучения и совершенствования практического навыка осмотра уха. Техническим результатом является получение изображений барабанной перепонки высокого качества и может быть использовано студентами медицинских и ветеринарных учебных заведений, врачами оториноларингологами.
Известны различного рода устройства - имитаторы, предназначенные для тренировки навыка осмотра уха (отоскопии). Как правило, подобные устройства состоят из муляжа ушной раковины и наружного слухового прохода, за которыми помещено изображение барабанной перепонки, нарисованное на бумаге или выполненное в виде фотографического слайда [Owen Н. Simulation in healthcare education: An extensive history. Springer, Cham, 2016]. Как пример, можно привести отечественный тренажер для оториноларинголога, серийно выпускаемый фирмой Медиус, номер по каталогу Т-14 (Санкт-Петербург, http://www.medius.ru), зарубежный EAR Examination simulator II (Япония, Kyoto Kagaku со., LTD). Подобные устройства весьма просты и обладают хорошей четкостью и реалистичностью изображения (особенно, в случае использования слайдов).
Однако эти устройства имеют существенный недостаток - как правило, удается изготовить незначительное число отоскопических картин для таких симуляторов, содержащих лишь самые распространенные патологические состояния; обычно в комплекте симуляторов идет 6-12 подобных картин. Малое число отоскопических картин делает невозможным занятия на подобных устройствах для лиц, уже имеющих базовые навыки и желающих в дальнейшем совершенствоваться в диагностике болезней уха. Отсутствует возможность интерактивного взаимодействия с устройством, организации тестовых заданий, имитации различных процедур (пневматической отоскопии, продувания по Политцеру, парацентеза и др.). Попытки усовершенствовать данные устройства приводят к созданию реалистичных в тактильном плане, но содержащих малореалистичное изображение барабанной перепонки [Субботина М.В. Модель наружного и среднего уха для освоения навыков миринготомии (парацентеза) / Патент на полезную модель RU 175732].
Реализовать быструю смену и представление обучающемуся большого числа отоскопических картин, а также ввести дополнительные интерактивные функции, возможно путем применения в симуляторах дисплея (ЖК-матрицы), помещенного за муляжом ушной раковины и наружного слухового прохода.
Наиболее близким устройством для создания высококачественного изображения барабанной перепонки является устройство, содержащее муляж ушной раковины и наружного слухового прохода, использующее для создания изображения барабанной перепонки ЖК-матрицу, например симулятор AR405 (Великобритания) [Arora A., Lau L.Y., Awad Z., Darzi A., Singh A., Tolley N. Virtual reality simulation in Otolaryngology // Int. J. Surg. 2014; 12(2): 87-94; Javia L., Deutsch E.S. A systematic review of simulators in otolaryngology // Otolaryngol. Head Neck Surg. 2012 Dec; 147(6): 999-1011.].
Однако при создании подобного устройства не было учтено, что ввиду дискретности представления изображения на ЖК-матрице, объекты небольшого размера, такие как барабанная перепонка (длинный диаметр барабанной перепонки взрослого равен 9,5-10 мм, короткий - 8,5-9 мм) будут состоять из сравнительно небольшого числа пикселей (точек), ввиду чего представление их будет лишено множества мелких деталей, в которых как раз и нуждается обучающийся отоскопии. Таким образом, разрешающая способность подобного устройства меньше разрешающей способности глаза наблюдателя, что, в данном случае, приводит к созданию нереалистичного и неинформативного изображения.
Кроме того, это устройство нельзя сочетать с различными увеличительными системами, такими как отоскопы, лупы, операционные микроскопы и т.д. В зависимости от выбранного оптического прибора увеличение колеблется от 2 до 15-20 раз, при этом становятся хорошо видны отдельные пиксели (точки) на ЖК-матрице (так называемый screen-dooreffect, SDE). Впервые этот эффект был описан одним из изобретателей цифровых проекторов G. Dolgoff [Kumparak G. A Brief History Of Oculus // TechCrunch, 2014] (Screen-door effect - «эффект москитной сетки», или оптический артефакт (обман зрения), наблюдаемый при использовании цифровых проекторов, когда тонкие линии, разделяющие пиксели, становятся видимыми на экране). Обычный способ борьбы с этим эффектом - применение все более высококачественных, специально изготовленных ЖК-матриц, однако полной четкости изображения таким путем достичь все равно не удается. Отсутствие четкости изображения и малая его детализация делают невозможным применение в конструкции симуляторов отоскопии устройств, использующих ЖК-матрицу, помещенную за муляжом ушной раковины и наружного слухового прохода, для создания изображения барабанной перепонки.
Нами впервые предлагается устройство, содержащее муляж ушной раковины и наружного слухового прохода и расположенную за ними ЖК-матрицу, использующуюся для создания изображения барабанной перепонки, дополнительно содержащее объектив, техническим результатом которого является высококачественное детальное изображение барабанной перепонки.
Оптическая схема устройства для создания высококачественного изображения барабанной перепонки представлена на Фиг. 1, где:
1 - дисплей (ЖК-матрица),
2 – объектив,
3 - плоскость промежуточного изображения,
4 - отоскопическая воронка,
5 – глаз,
6 - муляж ушной раковины и наружного слухового прохода.
Изображение дисплея 1 проецируется при помощи объектива 2 в плоскость промежуточного изображения 3. Уменьшенное и перевернутое изображение дисплея рассматривается наблюдателем при помощи отоскопической воронки 4, вводимой в муляж ушной раковины и наружного слухового прохода 6. Глаз наблюдателя 5 располагается на расстоянии наилучшего зрения  от изображения 3. Линейное увеличение подобной оптической системы определяется как:
где s - расстояние от дисплея до передней узловой точки объектива N, s' - расстояние от задней узловой точки объектива до промежуточного изображения 3, AB - размер изображения на ЖК-матрице, А'В' - размер изображения, наблюдаемого через объектив. Угол обзора изображения Ω определяется соотношением:
P
где 2ω' - угловая апертура объектива, 2ϕ угловая апертура глаза наблюдателя,  - относительное отверстие объектива, d - диаметр зрачка глаза наблюдателя и  - расстояние наилучшего зрения.
Например, при использовании объектива с относительным отверстием , 2ω'=28°.
Принимая расстояние наилучшего зрения и диаметр зрачка глаза наблюдателя, равными 250 мм и 5 мм, соответственно, получаем угловую апертуру глаза 2ϕ=1,1°. Таким образом, угол обзора изображения составляет приблизительно 27°. Исходя из (1) и (2) величина изображения определяется увеличением β, которое при использовании объектива с фокусным расстоянием 25 мм, расположенного на расстоянии s=95 мм от дисплея составляет β=-0,36 (что означает, что наблюдаемое изображение дисплея перевернутое и уменьшенное).
Нами экспериментально установлено, что наилучший эффект симуляции отоскопии имеет место при использовании объектива с фокусным расстоянием 25 мм, установленного на расстоянии s=95 мм от дисплея (ЖК-матрицы HSD050IDW1-A20) размером 108x65 мм и разрешением 800x480 пикселей. При этом размер наблюдаемого поля составляет 99.6×60 мм, изображение содержит 738x443 пиксела, что дает высочайшее качество изображения барабанной перепонки.
Таким образом, разрешающая способность дисплея, объектива и наблюдательного прибора (видеоэндоскопа, невооруженного глаза наблюдателя, глаза наблюдателя, вооруженного отоскопом, эндоскопом, операционным микроскопом и т.д.), применительно к плоскости изображения, формируемого оптической системой симулятора, удовлетворяет соотношению:
где Rдисплея=Rфиз_диспл х β - разрешающая способность дисплея в плоскости изображения, равная произведению физической разрешающей способности дисплея в парах штрихов на миллиметр (Rфиз_диспл) и линейного увеличения объектива (β), формирующего изображение в симуляторе; Rобъектива - разрешающая способность объектива симулятора, выраженная в парах штрихов на миллиметр; Rнаблюдателя - разрешающая способность в пространстве предметов наблюдателя, выраженная в парах штрихов на миллиметр.
Выполнение данного соотношения (3) обеспечивает следующие условия формирования реалистичного изображения. 1) Более высокая разрешающая способность дисплея по отношению к объективу симулятора обеспечивает подавление пикселизации изображений, формируемых цифровым дисплеем. В этом случае объектив симулятора выполняет функцию пространственного фильтра низкой частоты (anti-aliasing filter) предотвращающего эффект наложения частот при наблюдении изображения, формируемого симулятором, при помощи телевизионной или цифровой системы регистрации изображений, например, видеоэндоскопа. Выполнение данного условия исключает возникновение эффекта наложения пространственных частот, проявляющегося в виде муаровых полос на изображении, зарегистрированном при помощи видеоэндоскопа. 2) Избыточная разрешающая способность объектива симулятора по отношению к разрешающей способности вооруженного и невооруженного глаза наблюдателя обеспечивает максимальную реалистичность действия симулятора, так как качество изображения и количество деталей, которые способен разрешить наблюдатель, определяется только разрешающей способностью оптической системы, вооружающей глаз наблюдателя.
Использование дополнительного объектива 2 приводит к некоторому усложнению оптической системы и увеличению ее веса и габаритной длины, однако это с избытком компенсируется тем, что в такой системе может быть использован практически любой дисплей 1, с практически любым размером пикселя, что дает возможность использовать недорогие дисплеи; качество изображения барабанной перепонки при этом будет достаточно высокое. Благодаря применению оптической системы решаются следующие задачи: за счет оптимального увеличения изображения матрицы дисплея обеспечивается высокая четкость изображения, без возможности появления на нем пиксельной решетки, а также появляется возможность наблюдать изображения барабанной перепонки используя различные увеличивающие устройства (лупы, отоскопы, операционные микроскопы, эндоскопы).