Установка для термодиагностики

Установка для термодиагностики

Реферат

 

Использование: тепловизионные измерительные системы для распознавания состояний теплоизлучающих объектов и их диагностики как в технике, так и в медицине. Сущность изобретения: сохранение требуемой информативности как по геометрическому, так и температурному разрешению в пределах исследуемой зоны достигается введением в установку для диагностики блок формирования зоны информативности 10, блока формирования кадра 11, блока формирования температурного интервала 12, соединенных с ЭВМ 8 и видеоконтрольным устройством 9. Установка обеспечивает надежность термодиагностики и метрологических параметров системы (точность и воспроизводимость) при различных линейных габаритах и температурных перепадах по исследуемой поверхности. 4 з. п. ф-лы, 8 ил.

Настоящее изобретение относится к измерительным системам, предназначенным для массового теплового (температурного) контроля объектов, а более точно к тепловизионным измерительным системам.

Изобретение наиболее эффективно можно использовать в медицине, например, при проведении массовых обследований женского населения с целью выявления раковых заболеваний молочной железы по ее тепловым изображениям. Изобретение будет проиллюстрировано на примере медицинского использования. Оно также может быть применено в промышленности для дефектоскопии изделий по тепловым изображениям.

Возможно использование этого изобретения в охранных системах, для распознавания образца объекта обнаружения, в системах тепловой, космической и аэрофотосъемки.

Известна тепловизионная установка АТП-44М [1] предназначенная для получения тепловых изображений объекта, содержащая тепловизионную камеру, состоящую из блока сканирования, предназначенного для обеспечения необходимого угла обзора оптической системы, формирующей изображение в плоскости диафрагмы мгновенного поля зрения инфракрасного приемника излучения, связанного с усилителем электрического сигнала, который посредством блока преобразования информации формирует тепловое изображение на экране видеоконтрольного устройства.

Установка АТП-44М не позволяет оперативно получать достоверную информацию с результатами термодиагностики о наличии или отсутствии заболевания (дефекта), что не позволяет, в свою очередь, проводить массовые обследования (диагностику).

Причиной, препятствующей оперативному получению достоверной информации, а также постановке диагноза о принадлежности пациента к определенной группе, является отсутствие в составе установки АТП-44М блока формирования и обработки диагностирующего алгоритма.

В рассматриваемой системе отсутствует устройство стандартизации съема информации с объекта, предназначенное для выполнения условия постоянства (по числу элементов разложения) и максимальности заполнения кадра выбранной зоной информативности без потери качества теплового изображения. Отсутствует также устройство установки рабочего температурного интервала в пределах зоны информативности.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению выбранная в качестве прототипа тепловизионная установка АТП-46 [2] Установка для термодиагностики, содержащая тепловизионную камеру, включающую блок сканирования, обеспечивающий заданный угол обзора, связанный с оптической системой, формирующей изображение в плоскости диафрагмы устройства установки мгновенного угла поля зрения и приемника ИК-излучения, связанный с усилителем электрического сигнала, который связан через блок согласования с ЭВМ, один из выходов которой соединен с видеоконтрольным устройством.

В состав установки входит блок обработки по диагностирующему алгоритму, информации о принадлежности пациента к определенной группе, в ней использованы известные устройства для получения термограмм, их хранения и регистрации.

Однако в АТП-46 отсутствует устройство стандартизации съема информации с объекта и устройство установки рабочего температурного интервала в пределах зоны информативности, что приводит к искажению результатов в диагностических параметрах из-за невозможности получения воспроизводимых результатов по геометрическому и температурному разрешению при проведении повторных обследований.

Задача изобретения состоит в создании тепловизионной системы диагностики высокой точности, в которой сохраняется постоянство степени информативности при получении термограмм, что, в свою очередь, позволяет при различных линейных габаритах и температурных перепадах по исследуемой поверхности получать объективное заключение о состоянии пациента (о принадлежности к определенной группе) и прослеживать динамику при обеспечении постоянной воспроизводимости. Это дает возможность успешно решить проблему массового обследования женского населения, например, на предмет выявления рака молочной железы.

Для решения поставленной задачи предлагается система термодиагностики, техническим результатом которой является сохранение требуемой информативности как по геометрическому, так и по температурному разрешению в пределах исследуемой зоны, а также повышение как надежности полученной термодиагностической информации интересующей зоны исследования, так и метрологических параметров системы (точность и воспроизводимость).

Общими с прототипом признаками является наличие в установке для термодиагностики тепловизионной камеры, включающей блок сканирования, обеспечивающий заданный угол обзора, связанный с оптической системой, формирующей изображение в плоскости диафрагмы устройства установки мгновенного угла поля зрения и приемника ИК излучения, связанного с усилителем электрического сигнала, который связан через блок согласования с ЭВМ, один из выходов которой соединен с видеоконтрольным устройством.

К отличиям предложенной установки, позволяющим достичь новый технический результат, относится то, что в установку введены блок формирования зоны информативности, блок формирования кадра и блок установки температурного интервала в зоне информативности исследуемого объекта, при этом блок формирования зоны информативности соединен первым входом с первым выходом ЭВМ, первым выходом со вторым входом ЭВМ и вторым выходом с входом блока формирования кадра, который своим выходом соединен с блоком сканирования и с управляемой диафрагмой устройства установки мгновенного угла поля зрения, второй выход и третий вход ЭВМ соединены соответственно с первым входом и третьим выходом блока установки температурного интервала, который своим первым входом и вторым и третьим выходами соединен с блоком согласования тепловизионной камеры с ЭВМ.

Установка отличается также тем, что блок формирования зоны информативности состоит из последовательно соединенных двухмерного фильтра дифференциального типа, порогового устройства, формирователя реперных маркеров на экране видеоконтрольного устройства и аппроксимации линий, заключенных между реперными маркерами.

К отличиям также относится то, что блок формирования кадра содержит пороговое устройство, соединенное своими входами с формирователем реперных маркеров блока формирования зоны информативности и источником опорного сигнала по числу элементов разложения по строке и кадру, а выходом с устройством управления установки углов отклонения зеркал строчной и кадровой развертки блока сканирования.

На фиг. 1 представлена структурная схема системы термодиагностики; на фиг.2 пример формирования зоны информативности; на фиг.3 пример формирования кадра исследуемого объекта с постоянным числом элементов разложения; на фиг. 4 пример диагностической карты пациента; на фиг.5 структурная схема блока согласования тепловизионной камеры с ЭВМ 8; на фиг.6 структурная схема блока формирования зоны информативности; на фиг.7 структурная схема блока формирования кадра; на фиг.8 структурная схема блока формирования температурного интервала в зоне информативности исследуемого объекта.

Система термодиагностики "АСТ" фиг.1 состоит из тепловизионной камеры (ТПВК) 1, в состав которой входит блок сканирования (БСк) 2, расположенный перед оптической системой (ОС) 3, формирующей изображение в плоскости диафрагмы устройства 4 установки мгновенного угла поля зрения, установленного непосредственно перед чувствительным элементом ИК-приемника излучения (ПИ) 5. Приемник излучения 5 соединен с усилителем (УС) 6, на выход которого подключен блок согласования (БС) 7 ТПВК 1 с ЭВМ 8, один из выходов которой соединен с видеоконтрольным устройством (ВКУ) 9. Второй выход ЭВМ 8 подключен на вход блока формирования зоны информативности БФЗИ 10, который последовательно соединен с блоком форм кадра (БФК) 11 БСк 2 и ДПЗ 4. Третий выход ЭВМ 9 подключен на вход блока формирования температурного интервала (БФТИ) 12, который последовательно соединен с блоком согласования БС 7.

Блок согласования 7 (фиг.5) тепловизионной камеры с ЭВМ может содержать последовательно соединенные сумматор 13, регулируемый усилитель 14 и АЦП 15, выход которого является первым выходом блока 7, соединенным с выходом ЭВМ 8. Первый и второй входы сумматора 13 являются, соответственно, первым и вторым входами блока 7. Управляющий вход и выход регулируемого усилителя 14 являются третьим входом и вторым выходом блока 7, соответственно.

Блок 10 БФЗИ (фиг.6) может содержать последовательно соединенные двумерный фильтр дифференцирующего типа 16, пороговое устройство 17, формирователь 18 реперных маркеров на экране ВКУ, аппроксиматор линий 19, заключенных между реперными маркерами.

Блок 11 БФК (фиг.7) может содержать пороговое устройство 20, соединенное своими входами с формирователем реперных маркеров 18 блока 10 и источником опорного сигнала 21 по числу элементов разложения по строке и кадру, а выходом с устройством управления 22 установки углов отклонения зеркал строчной и кадровой развертки блока сканирования 2 и устройством 4 установки мгновенного угла поля зрения.

Блок 12 БФТИ (фиг.8) формирования температурного интервала в зоне информативности исследуемого объекта содержит источники 23, 24, электронные коммутаторы 25, 26, детектор 7 минимального значения напряжения, детектор 28 максимального значения напряжения, вычислительные блоки 29, 30, запоминающие блоки 31, 32.

Входы детекторов 27, 28 образуют вход блока 12, соединенный со вторым входом блока 7. Управляющий вход блока 12, соединенный с входом ЭВМ, образован управляющими входами электронных коммутаторов 25, 26 и запоминающих элементов 31, 32.

Устройство работает следующим образом.

Измеряемый лучистый поток (ЛП), пройдя блок сканирования 2, состоящий из зеркал строчной и кадровой развертки и оптическую систему 3, фокусируется в плоскости диафрагмы мгновенного поля зрения устройства 4, расположенной непосредственно перед чувствительным элементом (ЧЭ) приемника лучистой энергии 5.

Электрический сигнал, пропорциональный падающему ЛП, через усилитель 6 и блок согласования 7 ТПВК с ЭВМ, попадает на вход ЭВМ 8 и отображается после соответствующей обработки в виде теплового изображения на экране ВКУ 9.

Для получения на экране ВКУ максимального заполнения кадра сформированной зоной информативности (фиг.3) с одинаковым постоянным числом элементов разложения (например, 128х128, 256х256, 512х512 и т.д.) с выхода ЭВМ 9 подается команда на БФЗИ 10 фиг.5, который формирует границы информативности путем обработки исходного теплового изображения первоначально с помощью двумерного дифференциального фильтра 16, а затем путем порогового ограничения в пороговом устройстве 17. В результате формируется контурное изображение объекта, которое выводится на экран ВКУ 9. На нем с помощью формирователя 18 устанавливаются реперные маркеры, разделяющие линии контурного изображения на множество простых линий. Затем с помощью аппроксиматора 19 эти линии визуализируются в виде элементарных утонченных линий, представляющих собой, по существу, координаты границ зон информативности на исходном тепловом изображении. Одновременно с этим с блока 18 подается сигнал на один вход блока 29 БФК 11 фиг.7. Величина сигнала информационно определена как число элементов разложения, входящих в координаты границ зон информативности.

Поскольку блок 20 представляет собой устройство сравнения, на второй вход которого подключен источник опорного сигнала информационно определенный, как число элементов разложения максимально заполняющих кадр, в нем происходит сравнение двух сигналов и сигнал рассогласования подается в устройство управления 22, в котором вырабатываются углы отклонения зеркал строчной и кадровой развертки (выход к БСк 2) так, что происходит максимальное заполнение кадра установленной зоной информативности, синхронно с ним подается сигнал к блоку 4 на изменение мгновенного угла поля зрения, например, путем изменения размера ДПЗ так, что зона информативности максимально заполняет кадр с одинаковым и постоянным числом элементов разложения, при этом сигнал рассогласования (от 20 к 22) будет равен нулю. Это обеспечивает формирование кадра и возможность получения на экране ВКУ 9 теплового изображения интересующего участка объекта при условии изменения геометрических размеров объекта без потери информативности по геометрическому разрешению или же получать идентичные условия для обследования одного и того же пациента через различные промежутки времени, что крайне необходимо при определении динамики процесса.

После окончания формирования кадра по команде от ЭВМ 8 с блока БФТИ 12 фиг. 8 на БС7 фиг.5 поступают управляющие напряжения U₁ и U₂. Cигнал U на выходе регулируемого усилителя 14 связан с сигналом U_вх, поступающим от усилителя 6 на первый вход сумматора 13 следующим соотношением U (U_вх + U₁) kU₂ (1) где К константа. Таким образом, с помощью напряжений U₁ и U₂ можно менять начальный уровень и ширину диапазона сигнала U_вх, вводимого через БС7 в ЭВМ 8.

Для автоматической установки оптимального температурного диапазона с ЭВМ 8 на управляющий вход блока БФТИ поступает управляющий сигнал, которым электронные коммутаторы 25 и 26 соединяют соответственно первый и второй выходы блока БФТИ 12 с выходами источников напряжения 23, 24. На сумматор 13 БС7 и регулируемый усилитель 14 поступают, вырабатываемые этими источниками, напряжения U₁^o, U₂^o, соответственно. Величины этих напряжений выбираются такими, чтобы минимальное и максимальное значения сигнала U_min, U_maх на выходе регулируемого усилителя 14, заведомо попадали в интервал (U_н, U_в), где U_н и U_в соответственно нижняя и верхняя границы динамического диапазона АЦП 15 группы выбранных для обследования реальных объектов (в данном случае для всех обследуемых пациентов).

Видеосигнал с регулируемого усилителя 14 поступает на детекторы 27, 28 БФТИ 12, которые фиксируют соответственно минимальное U_min и максимальное U_maх значения видеосигнала в каждом кадре (кадровым cинхроимпульcом тепловизионной камеры детекторы обнуляются).

В соответствии с (1), для U_min и U_maх можно записать (2) где U_вх.min, U_вх.maх, соответственно минимальное и максимальное значения входного видеосигнала U_вх.

В вычислительных блоках 29, 30 вычисляются напряжения U_1опт и U_2опт, обеспечивающие установку оптимального диапазона сигнала на выходе регулируемого усилителя 14. Эти напряжения находятся по формулам (3) Вычислительные блоки могут быть построены на основе известных блоков аналоговых вычислительных машин или на основе цифровых процессоров. В последнем случае на входах вычислительных блоков 29, 30 должны быть АЦП. Параметры U_н, U_в, U₁^o, U₂^o как заранее известные устанавливаются в блоках 29, 30 перед началом работы.

Подставляя (3) в (1) и учитывая (2), получаем, что минимальное и максимальное значения видеосигнала на выходе регулируемого усилителя 14 при подаче на блок БС7 напряжений U_1опт, U_2опт будут соответственно равны U_н и U_в. Таким образом, температурный интервал, вводимый в ЭВМ, автоматически оптимизируется для объектов выбранной группы.

После прекращения сигнала, поступающего с ЭВМ, напряжения U_1опт, U_2опт запоминаются в запоминающих блоках 31, 32, которые могут быть выполнены, например, на основе следящих АЦП. Коммутаторы 25, 26 служат для подачи на БС7 напряжений U_1опт, U_2опт (положение В₁), а затем с их помощью осуществляется ввод в ЭВМ 8 сигнала оптимального температурного интервала (положение В₂), выбранного по сформированному кадру.

Повышение точности диагностики, а следовательно, и надежности получаемых результатов достигается: 1) сохранением постоянного числа элементов разложения при максимальном заполнении кадра установленной зоной информативности, без потери качества теплового изображения; 2) получением воспроизводимого рабочего температурного интервала в пределах выбранной зоны информативности.

Это позволяет при различных линейных габаритах и температурных перепадах по исследуемой поверхности получать объективное заключение о состоянии пациента (о принадлежности к определенной группе) и прослеживать динамику при обеспечении постоянной воспроизводимости, что дает возможность решить проблему массового обследования.

Формула изобретения

1. УСТАНОВКА ДЛЯ ТЕРМОДИАГНОСТИКИ, содержащая тепловизионную камеру, включающую в себя блок сканирования, обеспечивающий заданный угол обзора, связанный с оптической системой, формирующей изображение в плоскости диафрагмы устройства установки мгновенного угла поля зрения и приемника ИК-излучения, связанного с усилителем электрического сигнала, который связан через блок согласования с ЭВМ, один из выходов которой соединен с видеоконтрольным устройством, отличающаяся тем, что введены блок формирования зоны информативности, блок формирования кадра и блок формирования температурного интервала в зоне информативности исследуемого объекта, при этом блок формирования зоны информативности соединен первым входом с первым выходом ЭВМ, первым выходом с вторым входом ЭВМ и вторым выходом с входом блока формирования кадра, который своим выходом соединен с блоком сканирования, и с диафрагмой устройства установки мгновенного угла поля зрения, выполненной управляемой второй выход и третий вход ЭВМ соединены соответственно с первым входом и третьим выходом блока формирования температурного интервала, который своим вторым входом и вторым и первым выходами соединен с блоком согласования тепловизионной камеры и ЭВМ.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что блок формирования зоны информативности состоит из последовательно соединенных двумерного фильтра дифференцирующего типа, порогового устройства, формирователя реперных маркеров и аппроксиматора линий.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что блок формирования кадра содержит пороговое устройство, соединенное своими входами с формирователем реперрных маркеров блока формирования зоны информативности и источником опорного сигнала по числу элементов разложения по строке и кадру, а выходом - с устройством управления блоком сканирования и с управляемой диафрагмой.

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что блок формирования температурного интервала в зоне информативности исследуемого объекта содержит два источника напряжения, два электронных коммутатора, детекторы минимального и максимального значения напряжения, два вычислительных блока и два запоминающих блока, при этом входы детекторов минимального и максимального значений напряжения образуют второй вход блока, который соединен с вторым выходом блока согласования тепловизионной камеры с ЭВМ, первый вход блока, соединенный с выходом ЭВМ, образован управляющими входами электронных коммутаторов и запоминающих блоков, а выходы электронных коммутаторов являются выходами блока, подключаемыми электронными коммутаторами к выходам источников напряжения.

5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что блок согласования тепловизионной камеры с ЭВМ содержит последовательно соединенные сумматор, регулируемый усилитель и АЦП, выход которого является первым выходом блока и соединен с входом ЭВМ, первый и второй входы сумматора являются соответственно первым и вторым входами блока, а управляющий вход и выход регулируемого усилителя являются третьим входом и вторым выходом блока соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8