CC BY
85
Раздел III
МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА И РАЗРАБОТКА ЛЕЧЕБНО-ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ
УДК 621.383.8
ИННОВАЦИОННЫЙ МЕТОД ВИЗУАЛЬНОГО ПОИСКА ПОСТРАДАВШИХ
А.Н. ВЕТРОВ, А.А. ОДИНОКОВА, А.Ю. ПОТЛОВ, Д.А. СЕМЕНОВ, М.А.А. ГАХЗАР*
Предлагается, моделируется и практически реализуется инновационный метод поиска пострадавших при завалах, основанный на совместном использовании телевизионной и тепловизионной камер с построением единого изображения.
Ключевые слова: телевизионная камера, тепловизионная камера, инфракрасное изображение (термограмма), тепловой фон, матричный прибор с зарядовой связью.
Поиск пострадавших и оказание им первой медицинской помощи является главной задачей спасателей при ликвидации последствий катастроф различного происхождения. В настоящее время основным способом поиска пострадавших является визуальный. Он заключается в осмотре местности и определении местонахождения пострадавших. При этом задействуются различные технические средства, позволяющие вести наблюдение на расстоянии и в условиях, недоступных невооруженному человеческому глазу. Визуальный способ предъявляет повышенные требования к зрению, наблюдательности и зрительной памяти спасателей, поскольку, зачастую, видимыми являются лишь небольшие части тела, фрагменты одежды, следы крови [4]. Разработка современных высокоэффективных технических средств, предназначенных для визуального поиска пострадавших, и моделей, лежащих в основе их работы, является важной научной задачей.
Цель исследования — предложить передовой метод визуального поиска пострадавших при завалах, смоделировать его работу и практически реализовать полученную модель.
Материалы и методы исследования. Для эффективного поиска пострадавших в условиях задымлённости или запыленности полости завала, а также в случае, если пострадавший находится под слоем пыли или обломков обрушенной конструкции предлагается совместно использовать телевизионную (ТВ) и теп-ловизионную камеры, сочетая при этом их преимущества и нивелируя недостатки. В основе предлагаемого метода - аппаратное выделение сегментов инфракрасного изображения с заданным тепловым контрастом относительно фона, который может свидетельствовать о наличии пострадавшего, и наложение выделенных сегментов на телевизионное изображение в виде пульсирующих яркостных пятен на соответствующих фрагментах.
Научная новизна предлагаемого метода заключается в алгоритме выделения из инфракрасного изображения сегментов с заданным тепловым контрастом относительно фона. Техническая новизна метода состоит в одновременном поиске пострадавших в двух смежных областях электромагнитного спектра. Компьютерное моделирование работы комплексированной системы поиска показало повышение вероятности обнаружения пострадавших на 60%.
Рациональность предлагаемого метода обусловлена следующими соображениями. Различимость объектов в оптическом диапазоне в условиях атмосферных осадков, тумана, задымлённости и пылевых заслонах достаточно низкая, поэтому телевизионная система поиска не способна эффективно обнаруживать пострадавших в условиях задымлённости или запыленности полости завала. В то же время изображения в инфракрасном (ИК) диапазоне обладают свойством выделять объекты с достаточной различимостью в этих же условиях [3], но являются малоинформативными по детализации объектов. В связи с этим, использование тепловизионной камеры существенно повысит информативность обследуемого пространства, а телевизионная камера обеспечит при первичном осмотре привычность восприятия визуальной информации [2].
Результаты и их обсуждение. Модель выделения теплового контраста из термограммы с общим тепловым фоном представлена на рис.1.
Рис.1. Модель выделения теплового контраста
Тепловизионное изображение в общем виде можно описать в виде непрерывной поверхности /(х,у), отображающей температуру в каждой точке с координатами х и у. Искомый объект обладает следующими температурными параметрами:
^шіп - минимальная температура объекта;
?гпах - максимальная температура объекта.
Температурный фон определяется следующим условием:
'фона
'п
если
если
' • >' ,
шіп среды ’ ' • <' шіп среды
где Гсреды - температура окружающей среды.
Интеграл функции/(х,у) по области О, кадра ИК изображения
определяет уровень постоянной составляющей рх’у) двумерного сигнала, которая является усреднённым тепловым фоном.
р (х, у )= Ц /(х, у )СхСу.
О,
Разность функций исходного изображения и его постоянной составляющей даст выделение сегментов 5" (рис. 1.). Выделенные сегменты в изображении являются температурным превышением (контрастом) на общем тепловом фоне.
На основании модели была предложена схема устройства (рис. 2), основанная на использовании матричных приборов с зарядовой связью (МПЗС).
ФГБОУ ВПО «Тамбовский Государственный Технический Университет», 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д.106
Рис. 2. Структура устройства выявления сегмента теплового контраста
Устройство состоит из: инвертирующего усилителя (У), матричных приборов с зарядовой связью (МПЗС 1, МПСЗ 2, МПЗС 3), селектора синхроимпульсов (ССИ), генератора импуль-
сов растекания (ГИР), вычитающего устройства (ВУ), порогового устройства (ПУ), смесителя (СМ), монитора (М).
Кадр ИК изображения одновременно поступает в МПЗС1 и МПЗС2, причем в МПЗС1 изображение остается без изменений, а в МПЗС2 формируется его постоянная составляющая посредством применения режима управляемого усреднения зарядов в МПЗС [1]. Далее оба кадра одновременно поступают на вычитающее устройство для выделения сегментов температурного контраста. В пороговом устройстве задаётся порог температурного контраста. При превышении заданного порога контрастирующие сегменты в виде кадра изображения записываются в МПЗС3. Если температура фона превышает температуру сегмента, то вводится инверсный режим работы описанной системы обработки, для чего входной сигнал должен поступать на вход инвертирующего усилителя.
Иллюстрация операции выделения теплового контраста и наложения выделенного сегмента на исходное видеоизображение представлена на рис.3.
(А) (Б)
(В) (Г)
Рис.3. Иллюстрация наложения сегмента ИК изображения на видеоизображение
Выводы. Предложен, смоделирован и практически реализуется инновационный метод визуального поиска пострадавших при завалах, совмещающающий в себе преимущества телевизионных и тепловизионных систем и, в результате, повышающий эффективность поиска пострадавших при катастрофах различного рода.
Литература
1. Авторское свидетельство СССР № 1631747 H 04 N 7/01, 1991. Бюл. № 8
2. Датчики присутствия от компании Theben HTS [Электронный ресурс]. - Режим доступа: ttp://www.kapro.ua/articles/35/. Дата обращения: 06.02.2012.
3. Криксунов Л.З., Падалко Г. А. Тепловизоры (справочник). Киев, Техшка, 1987
4. Шойгу С.К., Кудинов С.М., Неживой А.Ф., Ножевой С.А. Учебник спасателя. //Электронная версия
INNOVATIVE METHOD OF VISUAL SEARCH THE VICTIMS
A.N. VETROV, A.A. ODINOKOVA, A. YU. POTLOV, D.A. SEMENOV, M.A.A. GAHZAR
Tambov State Technical University
It is proposed, modeled and practically implemented an innovative method of searching for victims in the rubble, which is based on
the combined use of television and thermal imaging cameras to the construction of a single image.
Key words: TV camera, thermal camera, an infrared image (thermogram), thermal background, the matrix charge-coupled device.
УДК 612.563
ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ МАТРИЧНОЙ ИНФРАКРАСНОЙ ТЕРМОГРАФИИ.
ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ
Л.Н. ХИЖНЯК, Е.П. ХИЖНЯК, Г.Р. ИВАНИЦКИЙ*
В работе рассматриваются проблемы, связанные с диагностическим применением матричных инфракрасных камер в медицине практике. Проведен подробный анализ условий, необходимых для точного измерения температурных распределений на поверхности больных. Обсуждаются последние достижения, связанные с медицинским применением матричной инфракрасной термографии.
Ключевые слова: матричная инфракрасная термография, диагностика.
Температура является важной физической характеристикой функционального состояния человека и на протяжении многих лет используется в медицинской практике в качестве первоочередного критерия для диагностики различных заболеваний. Пространственное распределение температур позволяет определить локализацию патологических процессов, связанных с различными формами нарушений кровотока, терморегуляции, воспалительными процессами, спазмом, нарушениями метаболизма и иннервации биологических тканей.
Регистрации температурных распределений на поверхности тела человека является достаточно сложной методической задачей. Использование контактных термометров имеет ряд ограничений из-за их инерционности и их влияния на объект измерений. Они могут изменять температуру в области измерений за счет дополнительной гетерогенности теплоемкости, обусловленной контактом датчиков с поверхностью тела, а также вносить артефакты измерений при действии внешних электромагнитных излучений. Кроме того, прикосновение датчиков может вызывать рефлекторные реакции организма, приводящие к изменениям пространственного распределения температур в других участках тела.
Наиболее совершенным способом регистрации пространственного распределения температур является метод инфракрасной (ИК) термографии. Метод ИК термографии основан на принципе регистрации собственного теплового излучения объектов в инфракрасном диапазоне, поэтому он абсолютно безопасен для человека и может без каких-либо ограничений использоваться для профилактических обследований пациентов с целью раннего выявления патологических процессов [1-11].
Несмотря на очевидные преимущества использования метода ИК термографии для температурных измерений, широкое применение ИК термографических систем (тепловизоров) в медицинской диагностике сдерживается до последнего времени по ряду причин.
Основная проблема связана с переоценкой диагностических возможностей этого метода на ранних стадиях его применения. Тепловизоры начали внедряться в медицину более 40 лет назад. Диагностические возможности метода ИК термографии в то время были существенно ограничены из-за недостаточной чувствительности и пространственного разрешения ИК камер, которые применялись в медицинской практике. По этой же причине была крайне затруднена задача выработки надежных диагностических критериев.
Изначально тепловизоры разрабатывались, в основном, только для визуализации тепловых источников, а не для измерительных целей. Большинство методических рекомендаций по диагностическому применению тепловизоров в медицинской практике были разработаны с использованием механо-оптических тепловизоров (ТВ-03, AGA-780), построенных на базе одноэлементных ИК фотоприемников на диапазон 3-5 микрон, охлаждаемых до температуры жидкого азота (-196°С) [1216]. Наиболее совершенные тепловизоры такого типа обеспечивали температурную чувствительность порядка 0,25-0,5°С, при скорости регистрации не более 12 кадров в секунду.
* Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, ул. Институтская, д. 3, г. Пущино, Московской обл., 142290
