06.05.2017
Зрительная система как конечное звено систем медицинской интроскопии
Медицинская интроскопия для визуализации внутреннего строения человеческого организма стремится использовать все возможные виды физических полей.
Медицинская интроскопия для визуализации внутреннего строения человеческого организма стремится использовать все возможные виды физических полей. Информативность визуализированного изображения независимо от природы невидимого изображения должна быть согласована со свойствами зрительной системы.
Такое согласование невозможно без знания механизма зрения.
Существует более двух десятков теорий и моделей зрения, пытающихся объяснить механизм зрительного восприятия, но ни одна из этих теорий и моделей не развита до столь высокого уровня,чтобы ответить на все вопросы об установленных закономерностях, относящихся к физическому, физиологическому и психологическому аспектам зрения.
Хотя некоторые современные теории и модели зрения разработаны довольно подробно, их характеристики все еще во многом отличаются от истинных характеристик зрения человека, что указывает на недостаточность нашего знания о механизме зрения.
Сложность проблемы не позволила до сих пор построить единую непротиворечивую теорию зрения, и большое число фактов пока не укладывается в хорошо интегрированную теоретическую схему.
Поиски разгадки зрительного восприятия продолжаются. При разработках же систем медицинской интроскопии используется
целый набор различных моделей зрительного восприятия. В подавляющем большинстве случаев используется модель (теория) для восприятия изображений, визуализированных в черно-белой (серой) шкале цветов. В последнее время многие интроскопические изображения стали представляться в более широкой гамме цветов,что привлекло внимание разработчиков к теориям и моделям цветового зрения.
В данной статье нет возможности даже кратко охарактеризовать все используемые в приложениях теории и модели восприятия света и цвета. Общепринятой и наиболее разработанной в настоящее время является трехкомпонентная теория цветового зрения,согласно которой зрительная система содержит три типа приемников, отличающихся друг от друга спектральной чувствительностью.
Три типа цветочувствительных рецепторов формируют от воспринимаемого цвета три сигнала (красный, зеленый, синий), по соотношению которых определяется цвет. Легко показать, что из предположения о трех типах приемников глаза вытекают основные законы колориметрии цвета (низшей метрики). Поэтому в большинстве существующих способов воспроизведения цветного изображения моделируются принципы работы зрения, как она представляется в свете трехкомпонентной теории.
Работая в области медицинской визуализации более 40 лет,автор столкнулся с целым рядом вопросов, на которые сущест-
вующие теории зрения не дают ответа, но ответ на которые необходим для удовлетворительной разработки единой теории зрения.
Первый вопрос, ответ на который не давали существующие теории зрения, относится к контрастной чувствительности зри-
тельного анализатора. Еще в XIX столетии Вебер и Фехнер установили закон, согласно которому минимально различимый пороговый контраст по яркости при рассматривании одноцветных изображений оценивается постоянной величиной. Позднее экспериментальным путем было доказано, что закон Вебера—Фехнера верен лишь в диапазоне яркостей выше 3 кД/м2.
Теоретическое обоснование отклонений от этого закона при меньшой яркости было найдено независимо рядом авторов в их флюктуационных теориях,согласно которым зрительный порог прямо пропорционален флюктуациям света. Нетрудно заметить, что закон Вебера—Фехнера и флюктуационный закон взаимно противоречивы, что указывает на ограниченность лежащих в их основе моделей. В медицинской интроскопии на мониторах наблюдают яркие, не пораженные шумом изображения. Для таких изображений зрительный порог не соответствует ни закону Вебера—Фехнера, ни флюктуационным теориям.
Для обнаружения малоконтрастной цветной детали на фоне другого цвета вообще не существует аналитического выражения из-за отсутствия в существующих теориях физических свойств, характеризующих каждый цвет.
Метрика цветового пространства в современной трехцветной теории зависит от произвольно выбранных первичных цветов.
Второе противоречие относится к абсолютной чувствительности (квантовой эффективности) зрения. Установлено, что незави-
симо от условий адаптации из 100 квантов света, попадающих в глаз, 5—6 эффективно поглощаются фоторецепторами, остальные же неинформативно поглощаются пигментным эпителием. Трудно понять на основе общепринятых теорий зрения, чем обусловлено столь низкое эффективное поглощение фотонов,сформировавшееся в процессе эволюции.
Для приемников, визуализирующих невидимые изображения, квантовая эффективность 5—6% считается очень низкой.
Еще одно противоречие кроется в теории двойственности зрения. Согласно этой общепринятой теории, палочки и колбочки
сетчатки — два специализированных аппарата нашего зрения. Палочки работают только при слабых яркостях изображений и не воспроизводят цвета объектов, а колбочки служат аппаратом дневного зрения и воспроизводят цвет объектов. У человека сетчатка содержит около 120 млн палочек и 7 млн колбочек. Таким образом,днем используется только 6% имеющихся в глазу рецепторов, а остальные 94% не работают и сохраняются для сумеречного зрения.
Такая организация поля фотоприемников сетчатки крайне нерациональна. Активная деятельность человека при сумеречном зрении составляет по времени малую часть всей работы человека.
А так как зрительная система — это еще и 65% нейронов головного мозга, то резервирование большей части вычислительной мощности такого «компьютера», как мозг, для сумеречной деятельности маловероятно.
Прежде чем переходить к рассмотрению модели зрения, позволяющей устранить отмеченные выше противоречия, сделаем
одно существенное замечание. Зрительная система чаще всего называется зрительным анализатором. И это не случайно.
Зрительная система не формирует внутри себя изображение, так как в ней отсутствует гомункулус, смотрящий на это изображение, а анализирует параметры, характеризующие яркость и цветность каждого элемента входного изображения. Нет необходимости вычислять красную, зеленую и синюю составляющие светового потока элементов изображения. В этом усматривается принципиальное отличие зрения от принятых теоретических моделей, которые неявно подразумевают, что зрительный аппарат вычисляет красную, зеленую и синюю составляющие цвета. Природу зрения можно понять, только освободившись от парадигмы трех первичных цветов, воспринимаемых тремя типами колбочек.
Эта парадигма была рождена необходимостью создания цветных изображений в живописи, полиграфии, фотографии, кино, телевидении и т. д. Эта трехцветная теория очень хорошо удовлетворяет потребности систем синтеза, воспроизведения, репродукции цветных изображений, и, вероятно, для этих целей от нее нет необходимости отказываться. Но в ней отсутствует необходимость для зрительного анализатора, зрения роботов, зрения систем анализа цветных изображений, т. е. систем, в которых о цвете можно судить по сигналам, несущим информацию о физических параметрах световых потоков каждого элемента изображения.
Цель зрительного восприятия состоит в формировании представления, наиболее близкого к объекту. Это возможно, если фоторецепторы глаза регистрируют физические параметры возбуждающего их светового потока, биологические сигналы которых обуславливают все дальнейшее течение зрительного процесса.
При построении модели зрения будем исходить из предпосылки, что зрительная система является физическим прибором, который регистрирует объективные параметры светового поля. В соответствии с квантовой теорией свет каждого элемента изображения можно рассматривать как статистический ансамбль, являющийся некогерентной суперпозицией монохроматических излучений, образующий сложный спектр, который можно описать тремя параметрами: числом фотонов, средним импульсом и средней энергией,приходящимися на каждый фотон.
Эта закономерность может быть использована для классификации приемником световых полей в группы в соответствии со следующим физическим принципом: в одну группу попадут только те спектры, которые отдадут одинаковую среднюю энергию e и средний импульс р частицам приемника,поглощающим поток фотонов ц, т. е. предполагаем, что зрительный анализатор разделяет спектры на метамерные группы, каждая из которых отдает приемнику среднее число фотонов m со средней энергией е. Такую метамерную группу будем называть цветом. Среднее число фотонов m группы спектров определяет яркость цвета, а средняя энергия e и средний переданный импульс р — его цветность.
В свете такого параметрического принципа разделения спектров в метамерные группы, определяемые как цвет, механизм вос-
приятия изображений зрительным анализатором человека можно представить следующим образом.
Свет, прошедший оптические среды глаза, поглощается частично непосредственно в палочках и колбочках сетчатки, но большая его часть (более 90%) проходит сквозь полупрозрачную сетчатку к пигментному эпителию. В пигментном эпителии, который является практически абсолютно черным телом, световое поле изображения преобразуется в тепловое, т. е. в кинетическую энергию гранул пигментного эпителия. Каждый фотон поглощается одной из гранул. В клетки пигментного эпителия вставлены два типа рецепторов — палочки и колбочки (в среднем по семи рецепторов в одну клетку), т. е. палочки и колбочки, являясь концевыми аппаратами зрительного нерва, выполняют роль датчиков сигналов о параметрах теплового поля, сформированного под действием светового поля черными меланопротеиновыми гранулами клеток пигментного эпителия.
Можно предположить, что один из двух типов рецепторов определяет температуру в замкнутом объеме
клетки пигментного эпителия, которая равна средней энергии поглощенных фотонов. Другой же тип рецептора измеряет давление,которое пропорционально произведению числа поглощенных фотонов на импульс, который приобрели гранулы.
Таким образом,один из рецепторов является термометром, а другой — манометром.
В замкнутом объеме клеток пигментного эпителия эти два рецептора в соответствии с законом Авогадро однозначно характеризуют число возбужденных гранул и полученную ими энергию и импульс.
Эти три параметра и характеризуют трехмерность цвета. Поэтому третьего рецептора (датчика сигнала) не требуется.
Отметим, что для зрительного анализатора и технических систем, в которых нет необходимости воспроизводить цветное изображение, вычисление третьего сигнала не требуется. Три сигнала необходимы в системах, воспроизводящих цветное изображение из трех цветов.
Проверка предложенной модели цветового зрения проводилась по экспериментальным данным, которые легли в основу стан-
дартизованной Международной комиссией по освещению (МКО)колориметрической системы RGB с основными цветами монохроматических излучений на длинах волн XR
= 0,7000 мкм, XG
= 0,5461 мкм и Хв
= = 0,4358 мкм.
С этой целью сравнивались левая и правая часть тождеств:
Здесь rx, gx, bx — удельные координаты монохроматического цвета с длиной волны X в колориметрической системе R, G, B; Vx —кривая видности.
Первое тождество устанавливает равенство эффективно поглощенной энергии монохроматического излучения и смеси излу-
чений с длинами волн XR, XG, XB, второе — равенство числа эффективно поглощенных фотонов, а третье — давление гранул, поглотивших фотоны.
Эти тождества могут быть переписаны в виде:
Как показали расчеты, колориметрические тождества (1) и(2), устанавливающие связь параметров 8, р, m двух метамерных
цветов, один из которых является монохроматическим, а другой состоит из смеси излучений (XR, XG, XB) с стандартизованными удельными координатами, выполняются с погрешностью не более 5%.
Отметим, что тождества (1) и (2) составлялись в предположении, что энергия каждого фотона полностью поглощается одной
меланопротеиновой гранулой, так что гранула приобретает энергию и импульс р = mV , где V — приобретенная скорость гранулы; m — ее масса; и —частота фотона; h — постоянная
Планка.
Начальной скоростью гранул при составлении тождеств пренебрегли, так как энергия фотонов существенно больше энергии
гранул в темноте.
Соотношения (1) и (2) относятся к низшей метрике цвета, которая устанавливает равенство двух цветов или определяет принадлежность спектра к тому или иному цвету. Эта модель ничего не говорит о пороговых различиях между деталью и фоном.
Для одноцветных изображений, в которых имеет место только яркостный контраст, эта задача решена в работах [1, 2], в которых закон Вебера—Фехнера объединен с флюктуационным законом.Для различия цветных деталей на фоне другого цвета задача требует самостоятельного рассмотрения. Здесь же отметим, что представленная модель дает физические параметры для такого рассмотрения, которые характеризуют цветность. Это средняя энергия возбужденных фотонами гранул пигментного эпителия и средний импульс этих гранул.
Теперь можно дать ответы на указанные выше противоречия существующих теорий зрения. Устранение противоречия между
законом Вебера—Фехнера и флюктуационными теориями путем их объединения рассмотрено в работах [1, 2].
Что касается чувствительности, то зрительный анализатор благодаря активной роли пигментного эпителия является практи-
чески идеальным приемником света с квантовой эффективностью,близкой к единице. Он регистрирует каждый эффективно поглощенный фотон; лишнего света в глаз не поступает. Пигментный эпителий является главным преобразующим изображение звеном сетчатки. Эпителиальные клетки имеют форму шестигранных призмочек с максимальным размером около 10—18 мкм. Они упакованы в гексогональную структуру, которая для фотопреобразователя является оптимальной.
Гексогональная упаковка является наиболее плотной и оптимальной для изображений с круговым спектром простра-нственных частот. По сравнению с прямоугольной упаковкой выигрыш в числе отсчетов составляет около 13%.
Никакая другая стратегия дискретизации не дает меньшей плотности выборочных отсчетов. У правильных шестиугольных призмочек площадь стенок минимальная, и поэтому отдача тепла в соседние призмочки также минимальная (минимальное растекание изображения по сетчатке).
Роль пигментного эпителия в зрении как преобразующего звена подтверждается следующими фактами. Во всем животном
мире нет глаза без пигмента. Эмбриональное развитие глаза начинается с пигмента. У низших животных, не имеющих глаз, к ощущению света приспособлены пигментные клетки кожи. При отслойке сетчатки от пигментного эпителия неизбежно наступает слепота. После погружения фоторецепторов в пигментный эпителий зрение восстанавливается. За активную роль пигментного эпителия высказывался целый ряд авторов: К. И. Цикулацко (Русск.Офтальмологич. жур. — 1929. — № 2), В. И. Поспишл (Пробл. физиол.оптики. — 1950. — Т. 9), М. А. Островский (Пробл. физиол. оптики. —1969. - Т. 15).
Черные меланопротеиновые гранулы эпителиальных клеток,возбужденные поглощенными фотонами, воздействуют на нахо-
дящиеся в эпителиальных клетках колбочки и палочки.
Колбочки и палочки помещены между отростками клеток пигментного эпителия и являются приемниками этого возбуждения.Как колбочки, так и палочки сетчатки регистрируют преобразованное в тепловое световое изображение и, таким образом, участвуют в цветовом зрении наблюдаемых сцен. Причастность палочек к цветовому зрению подтверждает целый ряд экспериментальных данных [3—5]. Палочки днем не отдыхают, они, как и колбочки, участвуют в цветовом зрении.
Предложенная модель хорошо согласуется со строением сетчатки. Известно, что палочки и колбочки повернуты своими на-
ружными члениками к питательному эпителию и погружены в него. Такое инверсное расположение фоторецепторов не могут объяснить существующие модели зрения. Если принять предложенную гипотезу основной роли пигментного эпителия в преобразовании изображения, то становятся понятными эта инверсия фоторецепторов и высокий коэффициент поглощения света в пигменте эпителиальных клеток.
Если в медицинской интроскопии при визуализации невидимых изображений, у которых имеются различия спектрального
состава деталей, произвести трансформацию в видимую область спектра в соответствии с рассмотренной моделью, то полученные на изображении цветности будут однозначно характеризовать средние значения энергии и импульса квантов первичного физического поля.
В существующих интроскопических системах информация о спектральных свойствах первичного изображения теряется полностью. Например, в тепловых и рентгеновских изображениях отмечается корреляция между интенсивностью невидимого изображения и его спектральным составом, но она утрачивается при визуализации в одноканальных системах.
При построении двухканальной системы в соответствии с рассмотренной моделью зрения изображение можно визуализировать в цвете, так что параметры цветов приобретают строгий физический смысл. Независимо от первичных цветов, выбранных для синтеза изображения, полученные на визуализированном изображении цветности будут однозначно характеризовать энергию и импульс квантов невидимого изображения, причем метрики такого электронного зрения в любом диапазоне электромагнитного спектра будут подобны.
Теги: спектр, зрение, сетчатка, цветовосприятие, чувствительность, рецепторы
234567 Начало активности (дата): 06.05.2017 06:05:00
234567 Кем создан (ID): 645
234567 Ключевые слова: спектр, зрение, сетчатка, цветовосприятие, чувствительность, рецепторы
12354567899
