Изображения в видимом, инфракрасном и УФ-участках спектра
Структуры глаза (глазное дно, радужная оболочка, прозрачные среды), полостные органы человека (желудок, дыхательные пути, мочевой пузырь и др.) и микропрепараты клеточного и тканевого уровней, исследование которых в видимом и примыкающем к нему ИК и УФ-участках спектра представляет несомненный диагностический интерес, недоступны непосредственному наблюдению невооруженным глазом. Для получения изображений внутренних структур глаза, полостных органов и микропрепаратов используются офтальмологические, эндоскопические и микроскопические приборы. Включение их в технические средства медицинской интроскопии носит условный характер. Однако, учитывая общность изображений, получаемых в офтальмологии, эндоскопии и микроскопии с интроскопическими изображениями в различных физических полях, в настоящей работе эти изображения рассматриваются совместно с рентгеновскими, ультразвуковыми и тепловыми изображениями.
Изображения внутренних структур глаза человека представляют очень узкий, но важный для диагностики класс изображений. Путем осмотра глаза при помощи офтальмологических приборов устанавливаются такие распространенные и тяжелые заболевания, как помутнение хрусталика (катаракта), отслойка сетчатки, воспаление сетчатой и сосудистой оболочек и др. По состоянию глазного дна можно судить о ряде заболеваний головного мозга, так как сетчатка глаза является единственной «частью мозга» [9], которая доступна наблюдению без хирургического вмешательства. Наружная оболочка глазного яблока – конъюнктива и внутренняя его оболочка – сетчатка относятся к тем немногим структурам организма, в которых в клинических условиях можно исследовать микроциркуляцию крови по капиллярам и другим микрососудам. Конъюнктива и сетчатка обильно снабжаются кровью с помощью крупных и мелких сосудов, хорошо видимых в офтальмологические приборы. Так как в организме человека нет другой области, где сосуды так хорошо просматривались бы в интактном органе, офтальмоскопирование служит для диагностики не только глазных, но и многих других болезней, которые связаны с изменениями сосудистой системы. Приведенных примеров достаточно, чтобы показать важность создания приборов, позволяющих осуществлять высококачественный осмотр глазных сред и количественную оценку по изображению параметров глаза, к которым в частности относятся диаметр и длина микрососудов, скорость и характер кровотока: вязкость крови, деформируемость форменных элементов крови и степень их агрегации, проницаемость стенок микрососудов.
Офтальмологические приборы представляют собой сочетание осветительного устройства с оптической системой, проектирующей увеличенное изображение исследуемого отдела глаза на фотоприемник, которым может быть глаз врача; пленка фото- или киноаппарата, передающая трубка телевизионной системы. Для количественной оценки параметров глаза офтальмологические приборы дополняются измерительными устройствами. В клинической практике для осмотра глаза наиболее часто используются офтальмоскоп, ретинофот или щелевая лампа [9]. Наиболее совершенные измерительные устройства построены на основе анализа сигнала изображения телевизионной системы или анализа фотоснимков. Требования к техническим параметрам офтальмологических приборов определяются информационными характеристиками визуализируемых структур глаза.
Поле зрения прибора может быть от 1 до 25 мм в диаметре в зависимости от характера диагностической процедуры.
Детальность изображения внутренних структур глаза человека, как правило, очень высокая. Это связано с тем, что изображения насыщены рисунками капилляров с диаметрами от 4 до 10 мкм, артериол и венул диаметром от 15 до 150 мкм. Малые размеры микрососудов обусловливают большие увеличения офтальмологических приборов. Например, увеличение прибора в 100-150 раз обеспечивает достаточный размер изображения капилляров на фотопленке, что позволяет производить измерение их диаметра, а также эритроцитов, находящихся в их просвете. При небольшом первичном увеличении (до фотоприемника) предъявляются повышенные требования к разрешающей способности фотоприемника. Обычно офтальмологические приборы имеют увеличение от 2 до 100 раз, но при некоторых видах исследований требуются увеличения до нескольких сот раз [9].
Подвижность офтальмологических изображений обусловлена двумя причинами: тремором, дрейфом и непроизвольными скачками глазного яблока, а также движением кровотока по микрососудам. Тремор, дрейф и непроизвольные скачки вызывают движение всего изображения относительно приемника, что требует применения в приборах устройств фиксации изображения. Движение крови по микрососудам сетчатки и конъюнктивы со скоростью 0,3-3 мм/с в приборах с большой инерционностью (или при съемках с большими выдержками) приводит к нерезкости изображения кровотока. Для обеспечения хорошего качества изображения микрососудов и требуемой точности измерения скорости кровотока и отдельных эритроцитов к преобразователям изображения предъявляются повышенные требования в отношении их временной и пространственной разрешающих способностей.
Контраст изображения глазных сред определяется спектральным диапазоном используемого для его формирования излучения. При освещении глазного дна белым светом контраст изображения получается низким. Лучшие результаты можно получить используя для освещения узкие участки излучения видимого спектра. В каждом спектральном диапазоне на изображении выявляется наиболее контрастно свой слой сетчатки, что позволяет проводить локализацию патологического процесса и, следовательно, облегчает дифференциальную диагностику глазных заболеваний. Переход при исследовании от одного участка спектра к другому позволяет определять спектральные границы появления и исчезновения деталей выбранного слоя и снимать спектральные характеристики отражения различных участков глазного дна.
Важным методом контрастирования микроциркуляторной системы сетчатки является флюоресцентная ангиография, принцип которой заключается в следующем. После внутривенного введения раствора натриевой соли флюоресцеина частицы краски проходят через сосудистую систему организма, достигая сетчатки через 3–9 с. Процесс прохождения флюоресцеина по микрососудам сетчатки можно визуализировать, если сетчатку подсветить светом с длиной волны около 490 нм. При подсвечивании ясно видно постепенное контрастирование сосудов, принимающих белую окраску и поэтому выделяющихся на фоне глазного дна. Метод позволяет изучать в динамике физиологическое состояние и патологические изменения сосудов глазного дна. Флюоресцентная ангиография позволяет судить об артериосклеротических, гипертонических и диабетических поражениях сосудов сетчатки. Отмечается большое значение этого метода для оценки клинического состояния больных и контроля эффективности лечения при ряде патологических процессов [9]. Например, установлено, что флюоресцеин не проходит через стенки артериальных сосудов в норме. Поэтому просачивание флюоресцеина из ретинальных артериол в ткань сетчатки всегда свидетельствует о патологических изменениях стенок этих сосудов. Метод позволяет производить расчет временных параметров циркуляции крови, в том числе скорости кровотока.
Однако контрастирование флюоресцеином не позволяет наблюдать сосудистое сплетение хориоидеи, так как возбуждающий флюоресцеин спектр в сильной степени поглощается пигментным эпителием сетчатки, который экранирует сосудистое сплетение хориоидеи. При использовании в качестве контрастирующего препарата иодоцеанина зеленого, имеющего спектр поглощения в области ИК-лучей с максимумом около 800 мкм, становится доступным наблюдение сосудистого сплетения хориоидеи.
Ближняя ИК-область спектра (от 0,76 до 1,35 мкм) используется и для обычной подсветки глаза. В этой области спектра удается исследовать состояние радужной оболочки и зрачка при непрозрачной для видимого света роговице глаза.
В ряде исследований для контрастирования сосудистой системы применяется поляризованный свет [9].
Интенсивность изображения глазных сред в плоскости фотоприемника определяет требования к чувствительности офтальмологического прибора. Оценка количества света, применяемого в ходе нормальной диагностической процедуры с использованием офтальмологических приборов, показывает, что в ряде случаев не исключен побочный эффект фотоповреждения структур глаза. При сильных световых потоках, даже если фотоповреждение не наступает, у пациента могут возникнуть болевые ощущения. Кроме того, отмечено влияние сильного света на диаметр микрососудов [9]. Поэтому в офтальмологических приборах для освещения всегда должны использоваться умеренные световые потоки. Учитывая, что коэффициент отражения сетчатки человеческого глаза невелик (менее 5%), к фотоприемнику офтальмоскопа предъявляются повышенные требования по чувствительности. Например, освещенность в плоскости фотослоя приемника офтальмологической телевизионной системы 10~3 лк следует считать нормальной.
Достоверно установлены случаи поражения глаза УФ и коротковолновым видимым светом. Поэтому эти участки спектра безусловно должны быть исключены из практики офтальмологии. Например, ожог сетчатки синим светом наступает при интенсивности 1 Вт/см2 через 0,15 с.
Цвета деталей глазного дна имеют преимущественно красный оттенок. Их диагностическая значимость в офтальмологии изучена недостаточно, так как для получения высококачественных цветовых снимков требуются большие световые потоки, которые могут повредить сетчатку. Однако учитывая, что яркостной контраст участков глазного дна невелик, в ряде случаев отказ от использования цветовых контрастов снижает диагностические возможности офтальмологии.
Изображения в клинической эндоскопии ввиду исследования многих органов (трахеи, пищевода, бронхов, кишечника, желудка, мочевого пузыря и др.) более разнообразны, чем изображения глазных сред. Спецификой строения каждого исследуемого органа можно объяснить очень большое разнообразие моделей эндоскопов, которых в настоящее время насчитывается более 200 [89]. Клиническая эндоскопия применяется для исследования полых органов при язвенной болезни, раннем распознавании рака на слизистых оболочках, травматическом повреждении бронхов, разрывах пищевода, внедрении инородных тел и др.
Эндоскопия обычно осуществляется путем введения оптического прибора в исследуемый орган. Оптический прибор подсвечивает исследуемую полость органа и передает ее изображение наружу, где последнее рассматривается в окуляр, фотографируется или преобразуется в видеосигнал с последующим воспроизведением на экране ВКУ. Обобщенная оптическая система эндоскопа включает в себя объектив, расположенный на дистальном (удаленном от наблюдателя) конце эндоскопа и формирующий изображение, которое передается к окуляру или же распределяется на несколько каналов регистрации: окуляр, фотокамера, телевизионная камера.
По способу передачи изображения от объекта к каналу регистрации эндоскопы делятся на две группы – жесткие и гибкие. Первый способ переноса изображения – применение линзовых оборачивающих систем с использованием стержневых компонентов [47]. Второй способ – применение гибких стекловолоконных жгутов [47]. Неотъемлемой частью эндоскопа является осветительное устройство, от которого сконцентрированное излучение мощного источника света передается в исследуемую область.
Необходимо отметить, что параметры получаемых с помощью современных эндоскопов изображений (размер, детальность, яркостной и цветовой контрасты, зашумленность и др.) ограничиваются не информационной скудностью исследуемых поверхностей, а возможностями эндоскопической техники.
Размер изображаемой части исследуемого органа определяется диапазонами рабочих расстояний от объекта и угловым полем зрения микрообъектива. Например, для эндоскопа «Пучок-МТ 11» [47], имеющем угловое поле зрения 90°, линейное поле в плоскости объекта (на рабочем расстоянии 11 мм) составляет 25 мм.
Детальность эндоскопических изображений ограничивается не спектром пространственных частот, содержащихся в световом поле передаваемых стенок полых органов, а ЧКХ оптической системы и канала регистрации эндоскопа. В зависимости от типа эндоскопа при рассматривании штриховых мир в окуляр различаются полосы с пространственной частотой от 2 до 12 пар линий на 1 мм.
Подвижность исследуемых в эндоскопии органов, как правило, мала. Однако при исследованиях эндоскопист за счет поворота и перемещения дистального конца прибора производит осмотр поверхности значительно большей, чем позволяет поле зрения неподвижного эндоскопа. Поэтому при смене поля зрения может произойти смазывание изображения, если фотоприемник имеет большую инерционность. Это необходимо учитывать при разработке эндоскопических комплексов.
Контраст получаемых в эндоскопах изображений полых органов изучен недостаточно. Формирование высококонтрастных изображений требует проведения углубленных исследований по изучению взаимодействия используемого для подсветки излучения с тканями исследуемых органов. В патологии и норме должны быть изучены поглощения, отражения и окраски различных тканей. Отсутствие этих данных затрудняет интерпретацию изображений эндоскопического обследования.
В настоящее время наиболее широкое применение нашла эндоскопия в видимом диапазоне спектра при наблюдении патологического процесса в его естественном цвете. Цветовой контраст между тканями в этом случае является одним из диагностических признаков при оценке нормы и патологии. Однако, необходимо отметить, что в современных эндоскопах естественного воспроизведения цвета достичь не удается, так как в настоящее время еще не нормируются искажения цвета в составляющих эндоскоп узлах. Поэтому врач фактически наблюдает в сильной степени искаженные по цвету изображения. Причем эти искажения зависят не только от типа используемого эндоскопа, но и изменяются в одном типе. Вероятно, это снижает роль цвета как диагностического признака. Но практика эксплуатации эндоскопов с цветным телевизионным каналом показала, что для постановки диагноза важнее создать контраст между нормальной тканью и патологической, чем стремиться к точному восприятию цвета. Поэтому для обнаружения максимального числа цветовых оттенков исследуемых тканей в последних моделях телевизионных эндоскопов в состав канала обработки сигналов изображения введен блок, позволяющий увеличивать цветовые контрасты между цветами, характерными для исследуемых тканей. Кроме того, врачу предоставлена возможность самому регулировать насыщенность и цветовые тона изображения на экране ВКУ. Вероятно, в будущем наибольшее применение найдут спектрозональные эндоскопы, позволяющие создавать наибольшие цветовые контрасты между исследуемыми структурами.
Высокая чувствительность люминесцентного анализа живых тканей и возможность его использования при обследовании людей послужили основанием для разработки люминесцентной эндоскопии [65]. Вторичная люминесцентная эндоскопия позволяет определять состояние обмена кальция и на этой основе диаг
ностировать различные заболевания, в том числе ранние стадии рака [47].
Интенсивность (яркость) эндоскопических изображений определяется рядом факторов. Основные трудности получения ярких изображений связаны с трудностями освещения обследуемого органа. В подавляющем большинстве эндоскопов используется внешнее освещение, когда свет от внешнего источника, пропущенный через теплопоглощающие фильтры, с помощью световода передается к обследуемому органу. Такая схема требует мощных источников света. Учитывая большие потери света при переносе изображения на фотоприемник, а также относительно низкую чувствительность цветовых (спектрозональных) фотоприемников, для получения изображения хорошего качества на исследуемом органе необходимо создать освещенность не менее 6000 лк.
Широкое применение в клинической практике микроскопия в ближней ИК, видимой и УФ-областях спектра начинает получать только в настоящее время. Однако в биологии микроскоп как средство получения увеличенного изображения микрообъектов начал применяться с момента его изобретения. Учитывая, что изображения микропрепаратов, которые исследуются в медицинской практике по своим информационным параметрам (определяющим требования к микроскопам) мало чем отличаются от изображений биологических объектов, мы отсылаем читателя для ознакомления со свойствами этих изображений к многочисленной литературе по биомикроскопии [84, 91]. Отметим только, что особую роль в медицине исследования на клеточном и тканевом уровнях играют при изучении механизма действия лекарств непосредственно в живых организмах.
