RU193585U1

RU193585U1 - DEVICE FOR CREATING AN IMAGE DRUM

Info

Publication number: RU193585U1
Application number: RU2019121823U
Authority: RU
Inventors: Екатерина Александровна Воронина; Евгений Владимирович Эверт; Глеб Олегович Мареев; Олег Вадимович Мареев; Иван Владленович Федосов
Original assignee: Екатерина Александровна Воронина
Priority date: 2019-07-09
Filing date: 2019-07-09
Publication date: 2019-11-06

Abstract

Полезная модель относится к медицине и ветеринарии и может быть использована для обучения и совершенствования практического навыка осмотра уха. 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 является высокая четкость изображения без возможности появления на нем пиксельной решетки ЖК-матрицы.The utility model relates to medicine and veterinary medicine and can be used to train and improve the practical skill of ear examination. A device is proposed that includes a dummy of the auricle and external auditory canal and an LCD matrix located behind them, which is used to create an image of the eardrum, additionally containing a lens. The technical result is high definition images without the possibility of appearing on it a pixel array of the LCD matrix.

Description

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.The utility model relates to medicine and veterinary medicine and can be used to train and improve the practical skill of ear examination. The technical result is to obtain images of a high-quality eardrum and can be used by students of medical and veterinary educational institutions, doctors of otorhinolaryngologists.

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).Various types of devices are known - simulators designed to train the skill of ear examination (otoscopy). Typically, such devices consist of imitation of the auricle and the external auditory canal, followed by an image of the eardrum, drawn on paper or made in the form of a photographic slide [Owen N. Simulation in healthcare education: An extensive history. Springer, Cham, 2016]. As an example, we can cite a domestic simulator for an otorhinolaryngologist, commercially available by Medius, catalog number T-14 (St. Petersburg, http://www.medius.ru), foreign EAR Examination simulator II (Japan, Kyoto Kagaku co., LTD). Such devices are very simple and have good clarity and realistic images (especially when using slides).

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].However, these devices have a significant drawback - as a rule, it is possible to produce a small number of otoscopic pictures for such simulators containing only the most common pathological conditions; usually in a set of simulators there are 6-12 similar pictures. A small number of otoscopic pictures makes it impossible to practice on such devices for people who already have basic skills and want to further improve in the diagnosis of ear diseases. There is no possibility of interactive interaction with the device, organization of test tasks, simulation of various procedures (pneumatic otoscopy, blowing according to Politzer, paracentesis, etc.). Attempts to improve these devices lead to the creation of realistic in tactile terms, but containing unrealistic image of the eardrum [Subbotina M.V. The model of the outer and middle ear for the development of myringotomy (paracentesis) skills / Utility Model Patent 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.To realize a quick change and presentation to the student of a large number of otoscopic pictures, as well as introduce additional interactive functions, it is possible by using a display (LCD matrix) placed in the simulators, placed behind the dummy and the external auditory canal.

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.].The closest device to create a high-quality image of the eardrum is a device containing a dummy of the auricle and external auditory canal, using an LCD matrix to create an image of the eardrum, for example, the AR405 simulator (Great Britain) [Arora A., Lau LY, 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.However, when creating such a device, it was not taken into account that, due to the discreteness of the image representation on the LCD matrix, small objects such as the eardrum (the long diameter of the adult eardrum is 9.5-10 mm, the short is 8.5-9 mm) will consist of a relatively small number of pixels (points), so that their presentation will be deprived of many small details that a student needs otoscopy. Thus, the resolution of such a device is less than the resolution of the observer's eye, which, in this case, leads to the creation of an unrealistic and uninformative image.

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.In addition, this device cannot be combined with various magnifying systems, such as otoscopes, magnifiers, operating microscopes, etc. Depending on the selected optical device, the magnification ranges from 2 to 15-20 times, while individual pixels (dots) on the LCD matrix (the so-called screen-dooreffect, SDE) become clearly visible. This effect was first described by G. Dolgoff, one of the inventors of digital projectors [Kumparak G. A Brief History Of Oculus // TechCrunch, 2014] (Screen-door effect - “mosquito net effect”, or optical artifact (optical illusion) observed with using digital projectors when thin lines separating pixels become visible on the screen). The usual way to combat this effect is to use increasingly high-quality, specially made LCD matrices, however, you still cannot achieve full image clarity this way. The lack of clarity of the image and its small detail make it impossible to use devices using an LCD matrix placed behind the dummy ear and external ear canal in the design of otoscopy simulators to create an image of the eardrum.

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.We are the first to propose a device containing a dummy of the auricle and external auditory canal and an LCD matrix located behind them, used to create an image of the eardrum, additionally containing a lens, the technical result of which is a high-quality detailed image of the eardrum.

Оптическая схема устройства для создания высококачественного изображения барабанной перепонки представлена на Фиг. 1, где:An optical diagram of a device for creating a high-quality image of the eardrum is shown in FIG. 1, where:

1 - дисплей (ЖК-матрица),1 - display (LCD matrix),

2 – объектив,2 - lens

3 - плоскость промежуточного изображения,3 - plane of the intermediate image,

4 - отоскопическая воронка,4 - otoscopic funnel,

5 – глаз,5 - eye

6 - муляж ушной раковины и наружного слухового прохода.6 - dummy of the auricle and external auditory meatus.

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:The image of the display 1 is projected using the lens 2 into the plane of the intermediate image 3. The reduced and inverted image of the display is viewed by the observer using an otoscopic funnel 4 inserted into the dummy ear and the external auditory canal 6. The eye of the observer 5 is located at the best viewing distance

from image 3. The linear increase in such an optical system is defined as:

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:where s is the distance from the display to the front nodal point of the lens N, s 'is the distance from the rear nodal point of the lens to the intermediate image 3, AB is the size of the image on the LCD matrix, A'B' is the size of the image observed through the lens. The image viewing angle Ω is determined by the ratio:

где 2ω' - угловая апертура объектива, 2ϕ угловая апертура глаза наблюдателя,

- относительное отверстие объектива, d_P - диаметр зрачка глаза наблюдателя и

- расстояние наилучшего зрения.where 2ω 'is the angular aperture of the lens, 2ϕ is the angular aperture of the eye of the observer,

is the relative aperture of the lens, d _P is the diameter of the pupil of the eye of the observer and

- distance of the best vision.

Например, при использовании объектива с относительным отверстием

, 2ω'=28°.For example, when using a lens with a relative aperture

, 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).Taking the distance of best vision and the pupil diameter of the observer’s eye equal to 250 mm and 5 mm, respectively, we obtain an angular aperture of the eye 2ϕ = 1.1 °. Thus, the viewing angle of the image is approximately 27 °. Based on (1) and (2), the image size is determined by the increase in β, which, when using a lens with a focal length of 25 mm located at a distance s = 95 mm from the display, is β = -0.36 (which means that the observed image of the display is inverted and reduced).

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.We experimentally established that the best otoscopy simulation effect occurs when using a lens with a focal length of 25 mm, mounted at a distance s = 95 mm from the display (LCD matrix HSD050IDW1-A20) with a size of 108x65 mm and a resolution of 800x480 pixels. The size of the observed field is 99.6 × 60 mm, the image contains 738x443 pixels, which gives the highest image quality of the eardrum.

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:Thus, the resolution of the display, lens and observing device (video endoscope, naked eye of the observer, eye of the observer armed with an otoscope, endoscope, operating microscope, etc.), as applied to the plane of the image formed by the optical system of the simulator, satisfies the ratio:

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.where Rdisplay = Rphys_display x β is the resolution of the display in the image plane, equal to the product of the physical resolution of the display in pairs of strokes per millimeter (Rphys_display) and the linear increase in the lens (β) that forms the image in the simulator; Lens - the resolution of the simulator lens, expressed in pairs of strokes per millimeter; R observer - resolution in space of the observer's objects, expressed in pairs of strokes per millimeter.

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.The fulfillment of this ratio (3) provides the following conditions for the formation of a realistic image. 1) The higher resolution of the display in relation to the lens of the simulator provides the suppression of the pixelation of images formed by the digital display. In this case, the simulator’s lens performs the function of an anti-aliasing filter that prevents the effect of overlapping frequencies when observing the image generated by the simulator using a television or digital image recording system, for example, a video endoscope. The fulfillment of this condition eliminates the occurrence of the effect of superposition of spatial frequencies, which manifests itself in the form of moire bands in the image recorded using a video endoscope. 2) The excess resolution of the simulator lens with respect to the resolution of the armed and unaided eyes of the observer ensures the maximum realism of the simulator, since the image quality and the number of details that the observer can resolve is determined only by the resolution of the optical system arming the observer's eye.

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).Using an additional lens 2 leads to some complication of the optical system and an increase in its weight and overall length, however, this is more than compensated by the fact that in this system almost any display 1 can be used, with almost any pixel size, which makes it possible to use inexpensive displays; the image quality of the eardrum will be quite high. Thanks to the use of an optical system, the following tasks are solved: due to the optimal image magnification of the display matrix, high image clarity is ensured without the possibility of a pixel array appear on it, and it is also possible to observe images of the eardrum using various magnifying devices (magnifiers, otoscopes, operating microscopes, endoscopes) .

Claims

A device for creating an image of the eardrum, consisting of a dummy of the auricle and external auditory canal, a display placed behind the dummy, characterized in that an additional lens is installed between the dummy and the display, while the resolution of the display, lens and observing device as applied to the image plane, formed by the optical system of the device, satisfies the ratio:

Display> Lens> Observer,

where Rdisplay = Rphys_display x β is the resolution of the display in the image plane, expressed in pairs of strokes per millimeter forming the image in the device, where Rphys_display is the physical resolution of the display in pairs of strokes per millimeter and β is the linear increase in the lens, R lens is the resolution of the lens simulator, expressed in pairs of strokes per mm, R observer - resolution in the space of objects of the observer, expressed in pairs of strokes per millimeter.