Телевизионная визуализация и обработка изображений люминесцирующих объектов в криминалистике, молекулярной биологии и медицине (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ЯРОСЛАВА МУДРОГО

Телевизионная визуализация и обработка изображений люминесцирующих объектов

в криминалистике,

молекулярной биологии и медицине

ВЕЛИКИЙ НОВГОРОД

2004

УДК 621.397.13 Печатается по решению

К67 РИС НовГУ

Рецензент

Заведующий кафедрой радиопередающих и телевизионных устройств Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения, доктор технических наук, профессор

К67	Телевизионная визуализация и обработка изображений люминесцирующих объектов в криминалистике, молекулярной биологии и медицине / НовГУ им. Ярослава Мудрого. – Великий Новгород, 2004. – с.

В монографии рассматриваются основные законы люминесценции, ее применение в криминалистике, молекулярной биологии и медицине, принципы построения телевизионных спектральных систем (ТСС) и их основные компоненты, теоретические аспекты создания оптимальной моноспектральной ТСС, методы обработки и количественного анализа изображений люминесцирующих продуктов полимеразной цепной реакции после электрофореза в гелях и изображений газоразрядного свечения участков кожного покрова тела человека для медицинской диагностики и мониторинга за состоянием основных систем организма человека. Приводятся конструктивные особенности и технические характеристики аппаратуры, предназначенной для этих целей.

Предназначена для студентов, аспирантов, преподавателей соответствующих специальностей, а также специалистов в области прикладного телевидения и пользователей аппаратуры.

УДК 621.397.13

© Новгородский государственный

университет, 2004

© , 2004

Предисловие

Монография к. т.н., доцента «Телевизионная визуализация и обработка изображений люминесцирующих объектов в криминалистике, молекулярной биологии и медицине» посвящена актуальному и активно развиваемому в настоящее время в НИИ промышленного телевидения «Растр» направлению прикладной телевизионной техники. Работа содержит научные результаты, которые способствуют решению задач повышения чувствительности аппаратуры, улучшения качества телевизионных изображений люминесцирующих объектов, а также получения их количественных характеристик.

Монография состоит из четырех глав, введения и заключения, а также списка литературы, содержащего 84 публикации, 16 из которых выполнены автором лично или в соавторстве.

В первой главе монографии приведены основные понятия, связанные с явлением люминесценции, рассмотрены вопросы ее применения в технико-криминалистической экспертизе документов, в молекулярно-биологических методах, связанных с регистрацией результатов электрофореза в гелях продуктов полимеразной цепной реакции (ПЦР), а также с использованием явления газоразрядного свечения участков кожного покрова человека для мониторинга за состоянием основных систем организма и медицинской диагностики.

Во второй главе монографии рассмотрены принципы построения телевизионных спектральных систем (ТСС) для визуализации фотолюминесценции, их основные компоненты, теоретические аспекты создания оптимальной телевизионной моноспектральной системы, а также вопросы обработки и количественного анализа люминесцирующих ПЦР-продуктов.

В третьей главе приводятся технические характеристики и конструктивные особенности ТСС, созданных в НИИ промышленного телевидения «Растр» в ходе ряда ОКР, проведенных под непосредственным руководством автора монографии, выпускаемых в настоящее время серийно и успешно используемых в экспертно-криминалистических службах различной ведомственной принадлежности, в художественно-реставрационных работах, а также в геномной дактилоскопии.

Четвертая глава работы посвящена телевизионной визуализации газоразрядного свечения. В ней описаны принципы построения и серийные образцы телевизионной аппаратуры, созданные в НИИ промышленного телевидения «Растр» в ходе совместных с Санкт-Петербургским институтом точной механики и оптики проектов, руководимых автором монографии, рассмотрены методы съемки газоразрядных изображений и построения моделей для их диагностической интерпретации, а также обсуждены вопросы стабильности аппаратуры и произведена оценка погрешностей измерения основных количественных характеристик газоразрядного свечения, связанных с флуктуациями видеосигнала телевизионного датчика.

Монография несомненно будет полезна как для студентов и аспирантов соответствующих специальностей, так и для специалистов в области прикладного телевидения и пользователей аппаратуры.

, директор ФГУП НИИ ПТ «Растр», к. т.н.

Оглавление

Введение.............................................................................................................. 7

Глава 1. Люминесценция в криминалистике, биологии, медицине.....................

1. Виды люминесценции. Основные понятия..................................................... 9

2. Фотолюминесценция в техническо-криминалистической экспертизе документов 24

3. Фотолюминесценция продуктов полимеразной цепной реакции (ПЦР) ... 32

4. Электролюминесценция (газоразрядное свечение) в медицинской диагностике 51

Глава 2. Телевизионная визуализация фотолюминесценции..............................

1. Принципы построения телевизионных спектральных систем (ТСС).......... 59

2. Источники возбуждения люминесценции (ИВЛ)......................................... 68

3. Приемники люминесценции........................................................................ 103

4. Оптимальная телевизионная спектральная система.................................. 131

5. Улучшение качества люминесцентных изображений................................ 139

6. Количественный анализ изображений люминесцирующих продуктов ПЦР 141

7. Вопросы автоматизации диагностики инфекционных заболеваний по изображениям люминесцирующих ПЦР-продуктов в гелях............................................. 147

Глава 3. Телевизионная аппаратура для визуализации фотолюминесценции..

1. Телевизионные спектральные системы для криминалистических экспертиз.. 155

2. Телевизионные системы для визуализации продуктов ПЦР.................... 176

Глава 4. Телевизионная визуализация газоразрядного свечения......................

1. Структурная схема и особенности конструкции телевизионной системы для визуализации газоразрядного свечения..................................................... 181

2. Аппаратно-программная часть системы визуализации газоразрядного свечения 187

3. Методы телевизионной съемки газоразрядного свечения........................ 190

4. Конструирование моделей для оценки функционального состояния организма человека по изображениям газоразрядного свечения пальцев рук......................... 202

5. Обработка газоразрядных изображений и алгоритмы определения их внутренних областей........................................................................................................... 207

6. Телевизионная аппаратура для визуализации газоразрядного свечения 210

7. Стабильность аппаратуры визуализации газоразрядного свечения....... 216

Заключение...................................................................................................... 224

Примечания..................................................................................................... 226

Введение

Увидеть слабо различимые или совсем невидимые невооруженным глазом объекты, расширить возможности человеческого зрения – важная прикладная задача телевидения. Один из способов обнаружения таких объектов – это возбуждение люминесценции под действием внешних источников. Явление люминесценции широко используется в криминалистике, биологии, медицине.

В настоящее время вместо визуального наблюдения и фотографирования широко используется телевизионный метод визуализации люминесцирующих объектов, который в сочетании с методами компьютерной обработки позволяет не только оперативно получать качественные изображения, но и производить их количественную оценку.

Необходимость обнаружения слабого свечения исследуемых объектов, например, из-за предельно малых количеств люминесцирующих веществ, требует повышения чувствительности телевизионных систем, а возникающие задачи обработки изображений с целью повышения их качества, выделения наиболее информативных признаков и получения количественных характеристик свечения требуют новых подходов и технических решений при разработке аппаратуры и программного обеспечения.

В предлагаемой работе сделана попытка обобщения более чем десятилетнего опыта разработки телевизионных систем такого рода, рассмотрен ряд идей и подходов для решения практических инженерных задач, а также описаны серийно выпускаемые телевизионные системы визуализации люминесцирующих объектов.

Работа предназначена для специалистов в области прикладного телевидения, пользователей данного класса аппаратуры, аспирантов и студентов высших учебных заведений соответствующих специальностей.

Разработка – это труд коллективный. Выражаю глубокую благодарность в создании тех образцов техники и программного обеспечения, которые описаны в книге, специалистам НИИ промышленного телевидения, а именно: , , , и др. Отдельно хотелось бы упомянуть людей, у которых в процессе научно-производственной деятельности мне многому удалось научиться. Это прежде всего , , .

В работе над книгой оказали поддержку и дали ценные советы директор НИИПТ – , гл. инженер НИИПТ – , – заведующий кафедрой радиопередающих и телевизионных устройств Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения, заведующий каф. «Радиофизики и электроники» НовГУ – , профессор НовГУ – . Хочется высказать признательность сотрудникам Московского городского центра ДНК-исследований за консультации по вопросам обработки изображений ПЦР-продуктов, а также сотрудникам лаборатории и лично профессору за консультации по прикладной и медицинской биоэлектрографии. Я благодарю также аспирантку НовГУ за большую помощь в оформлении рукописи книги.