НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТНАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯКАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТКАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. А.Н.ТУПОЛЕВАИМ. А.Н.ТУПОЛЕВА

А.Ф.АГЛИУЛЛИН,А.Ф.АГЛИУЛЛИН, Н. В. ДОРОГОВ, Н. В. ДОРОГОВ, О. Г. МОРОЗОВО. Г. МОРОЗОВ

Проектирование информационных систем (эндоскопическая хирургия)

Конспект лекций

КАЗАНЬКАЗАНЬ20102010

ИННОВАЦИОННОСТЬ

• Предназначен для подготовки бакалавров обучающихся по направлению 210400 «Радиотехника», профиль «Аудиовизуальная техника», а так же для студентов соответствующих направлений и инженеров специализирующихся в данной области

Раздел 1

ВВЕДЕНИЕ

• Эндоскопия – метод исследования внутренних органов с помощью специальных приборов – эндоскопов

Глава 1.1

• КРАТКАЯ ИСТОРИЯ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭНДОСКОПИЧЕСКОЙ ВИДЕОХИРУРГИИ

Первый эндоскоп Боццини

Классификация видеоэндоскопов

• - смотровой – медицинский эндоскоп, предназначенный для исследования внутренних полостей и органов человека путем осмотра;

• - биопсийный – медицинский эндоскоп, предназначенный для взятия пробы ткани с требуемого участка под визуальным контролем с целью последующего гистологического анализа;

• - операционный – медицинский эндоскоп, предназначенный для проведения диагностических, лечебных и хирургических манипуляций путем введения инструментов под визуальным контролем.

В зависимости от системы передачи изображения,

эндоскопы подразделяют на следующие подгруппы • - эндоскопы с волоконной оптикой – гибкие эндоскопы, в

оптической схеме которых используются гибкие волоконные световоды для передачи изображения. Необходимо их отличать от эндоскопов с волоконным световодом, в которых освещение наблюдаемого объекта создается световым потоком, передаваемым по волоконному световоду от источника света, установленного вне исследуемой области;

• - эндоскопы с линзовой оптикой – эндоскопы, оптическая наблюдательная система которых построена с применением линз;

• - эндоскопы тубусные – простейшие эндоскопы, представляющие собой полую трубку, которая может быть снабжена лупой.

Гибкие видеоэндоскопы

Схема гибкого эндоскопа

Обобщенная структурная схема оптической системы эндоскопа • Блок-схема оптической системы

эндоскопа

Характеристики современных видеоэндоскопов

• . Размеры поперечного сечения рабочей части, мм (2,0 – 16,0) ± 10%

• Длина рабочей части, мм (100 – 2000) ±5%• Угол направления наблюдения, ° (0 – 105) ± 5 • Угол поля зрения , °(50 – 135) ± 10• Разрешающая способность (на расчетном рабочем

расстоянии), мм−1, не менее(1,7 – 3,5) – 10% • Коэффициент интегрального светопропускания, %,

не менее 7• Угол изгиба дистального конца (номинальное

значение, обеспечиваемое эндоскопом), ° (90 – 200) ± 10%

Глава 1.2. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ

ТЕХНОЛОГИИ В ЭНДОСКОПИИ • 1. Волоконные световоды в эндоскопах используются

в качестве:• - элемента системы осветителя (для передачи света

к дистальному концу);• - среды передачи лазерного излучения для

выполнения операции с использованием последнего;• - «короткого» телекоммуникационного канала (для

передачи изображения от дистального конца к видеокамере).

• 2. Отдельно следует выделить использование «длинных» телекоммуникаций на оптическом волокне – волоконно-оптические системы передачи для формирования каналов связи телемедицины.

Конструкция волоконно-оптического кабеля

с центральным (а) и периферийным (б) расположением упрочняющих элементов:

1 – защитная оболочка кабеля; 2 – волоконные световоды; 3 – упрочняющий элемент

Поэлементная передача изображения волоконным жгутом

Применение волоконных световодов в медицине

• Волоконные элементы эндоскопа

Волоконно-оптический датчик

Развитие волоконно-оптических систем передачи

• 1. Уменьшение потерь в волокне отражают возможность повышения энергетической эффективности передачи оптических излучений по волокну на большие расстояния.

• 2. Повышение быстродействия или полосы пропускания волоконно-оптических систем передачи соответствуют уменьшению предельных размеров передаваемых деталей изображения (в стандартных вещательных системах – 6 Мбит/с).

• 3. Многомодовость, спектральное мультиплексирование и демультиплексирование свидетельствуют о возможности применения специальных методов передачи и обработки цветных изображений (будут отдельно рассмотрены в других разделах учебного пособия).

Модель волоконно-оптической системы передачи

Временное мультиплексирование

3 4 1 2 λ0

Aвх Aвых

Bвх Bвых

A1, A2,… A1, A2,…

B1, B2,… B1, B2,…

Оптическое частотное мультиплексирование

2 1 λ1+λ2

Aвх Aвых

Bвх Bвых

A1, A2,… A1, A2,…

B1, B2,… B1, B2,…

Диапазоны длин волн, используемые в ВОСП

Затухание в оптическом волокне

Глава 1.3. ЭНДОСКОПИЧЕСКИЕ ВИДЕОСИСТЕМЫ

• Эндоскопическая видеосистема как система телевидения

• Эндоскопическая видеосистема является полноправным представителем систем телевидения.

• Телевидением называется область современной радиоэлектроники, которая занимается передачей и приемом неподвижных и подвижных изображений электрическими средствами связи в реальном или измененном масштабе времени.

• Основная задача телевидения − получение на приемном телевизионном устройстве изображения, максимально соответствующего объекту передачи.

В основе телевидения лежат три физических процесса

• - преобразование световой энергии в электрические сигналы;

• - передача и прием электрических сигналов;

• - преобразование электрических сигналов в оптическое изображение;

Телевидение базируется на двух основных принципах

• - разбиение изображения передаваемого объекта на отдельные элементарные площадки;

• - поочередная передача яркости и цветности этих элементарных площадок.

Структурная схема системы электронного телевидения

Рис. 3.1. Структурная схема системы электронного телевидения:1 – преобразователь свет-сигнал (передающий); 2 – видеоусилитель; 3 – канал связи; 4 – синхрогенератор; 5 – блок разверток; 6 – видеоусилитель; 7 – канал синхронизации; 8 – блок разверток; 9 – преобразователь сигнал-свет (приемный); 10 – передаваемое изображение; 11 – объектив

Зрительная система человека как приемник оптической информации

• Изучение зрительной системы человека вызвано двумя обстоятельствами:

• - необходимостью более детального изучения механизма зрительного восприятия, который является прекрасным примером процедур обработки визуальной информации, для определения принципов построения и совершенствования ЭВ;

• - необходимостью правильного согласования характеристик ЭВ с характеристиками зрительной системы человека, т.к. сформированное на выходе ЭВ изображение предназначается исключительно для оперативного восприятия глазом человека.

Восприятие цвета объекта

• Цветное телевидение – это передача на расстояние с помощью специальных устройств информации не только о количественном разложении световой энергии в изображении, но и о его качественных (цветовых) свойствах

V(λ)

λ, нм

Рис. 3.4. Кривая относительной видимости глаза

Глава 1.4. НОСИТЕЛИ И АРХИВНОЕ ХРАНЕНИЕ

ЭНДОСКОПИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ • Неотъемлемым элементом оконечного оборудования

видеохируруги-ческого эндоскопического комплекса является память, которая необходима для управления его работой, представления высококачественных изображений хирургу, наполнения трафика телемедицины со скоростью Гб/с, а в дальнейшем и Тб/с. Наиболее яркими представителями устройств памяти являются оптические диски (CD-ROM, DVD-RAM, BD-ROM) и полупроводниковые устройства динамической памяти (DRAM), изготавливаемые методом фотолитографии.

Дорожная карта, отражающая требования по

увеличению плотности записи на оптических дисках

Дорожная карта, отражающая требования по уменьшения толщины линий, создаваемых с помощью

метода фотолитографии

Структура цифрового архива

Пирамида характеристик носителей данных

Базовый вариант структуры сети

Раздельные серверы системы DAM и приложений видеоархива

Политика управления файлами в архиве

Глава 1.5. СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕДИЦИНЫ И

ТЕЛЕТРЕЙНИНГА • . Концепция развития телемедицинских технологий в Российской

Федерации• Основные направления применения ТМ технологий:• Телемедицинская консультация / теленаставничество (связь организуется

по схеме "точка - точка", что обеспечивает обсуждение больного лечащим врачом с консультантом / методическую помощь специалиста или преподавателя врачу или студенту).

• Телемониторинг (телеметрия) функциональных показателей (связь организуется по схеме "много точек - точка", когда данные многих пациентов передаются в консультативный центр).

• Телемедицинская лекция / семинар (связь организуется по схеме "точка - много точек", при которой лектор (преподаватель) может обращаться ко всем участникам одновременно, а они, в свою очередь, могут обращаться к лектору, при отсутствии возможности общаться друг с другом).

• Телемедицинское совещание / консилиум / симпозиум (связь организуется по схеме "многоточки" (сети), в результате чего все участники могут общаться друг с другом). Эти направления обеспечивают, соответственно, реализацию:

• Консультаций в ходе лечебно-диагностического процесса / эвакуационных мероприятий или обучения;

. «ИНТЕРНЕТ-медицина»

«ИНТЕРНЕТ-медицина» в настоящее время включает:

• информационную поддержку клинической медицины в вопросах консультирования больных;

• справочную службу в области охраны здоровья; • медико-статистическую информацию; • обеспечение доступа к базам данных библиотек; • информацию административного характера; • информацию в области телемедицины; • планы проведения конференций, выставок и

информационные сообщения по их завершении.

Сеть передачи данных «Kazakhstan Online»

Схема организации сети телемедицины в Алматинской

области

Схема организации сети телемедицины с

использованием спутниковых каналов связи

Схема организации сети телемедицины, построенной

на «гибридной» основе

Ethernet LAN

Наземная сеть связи

eth

LAN

Центральная районная больница

Искусственыйспутник Земли

ЦКС

Hub

eth

eth

Ser

Ser

Центральная областная больница(центры телемедицинских услуг)

FXS

FXS

FXS

FXS

Маршрутизатор

eth

Земнаяспутниковаястанция

Центральная районная больница

Центральная районная больница

Ethernet LAN

Маршрутизатор

Ethernet LAN

Маршрутизатор

Маршрутизатор

Структурная схема системы телетрейнинга

Глава 1.6. ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ, ПРИБОРНОЕ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭНДОСКОПИЧЕСКОЙ

ВИДЕОХИРУРГИИ • Инсуффлятор («ЭЛЕПС»)

Структурная схема инсуффлятора

Блок микропроцессорного управления 7

Датчик расхода газа 3

Предохранительный клапан низкого

давления 4

Датчик давлени

я 5

Блок индикации 8 Клавиатура 9

Магистраль СО2

К пациенту

Вход газа

Выход газа

Устройство подогрева

газа 6

Электронный редуктор газа

2

Предохранительный клапан высокого

давления и система очистки газа 1

Аквапуратор («ЭЛЕПС»)

Структурная схема аквапуратора

Насос 1

Педаль 10

Камера аспирации 2

Камера ирригации 3

Ёмкость для сбора жидкости

6

Ёмкость с раствором

7

Предохранительный клапан 8

Инструмент 11Блок управления насосом 9

Обратная связь

Др

осс

ел

ь 4

Др

осс

ел

ь 5

Электрохирургический генератор мощностью 200 Вт («ЭЛЕПС»)

Структурная схема электрохирургического

высокочастотного блока

Блок микропроцессорного управления (БУ) 4

Блок индикации 5 Клавиатура 7

Пациент 8

Источник мощности управляемый кодом

1

Выходной каскад (модулятор) 2

Педаль 6

Моно-режим

Биполярный режим

Блок коммутации и защиты пациента 3

Пассивный электрод 9

Резание Коагуляция

Волоконная брэгговская решетка

Простейший датчик на основе ВРБ

. Комбинированная сенсорная система

РАЗДЕЛ 2

• Глава 2.1. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

. Стандартные типы оптических волокон

Характеристики ОВ

Многомодовое волокно Одномодовое волокно

MMF 50/125 градиентное волокно

MMF 62,5/125 градиентное волокно

SF (NDSF) ступенчатое волокно

DSF волокно со смещенной дисперсией

ЛВС (Ethernet, Fast/Gigabit Ethernet, FDDI, ATM)

ЛВС (Ethernet, Fast/Gigabit Ethernet, FDDI, ATM)

Протяженные сети (Ethernet, Fast/Gigabit Ethernet, FDDI, ATM), магистрали SDH)

Сверхпротяженные сети, супермагистрали (SDH, ATM)

Ход лучей в многомодовом оптическом волокне

со ступенчатым профилем

. Распространение света по разным типам волокон

Определение длины волны отсечки

Спектральные зависимости затухания и

дисперсии NZDS волокон

. Спектральная зависимость затухания в

волокне TrueWave RS

Спектральная зависимость затухания в волокне AllWave

Глава 2.2. ПОТЕРИ И ДИСПЕРСИЯ В

ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ

• . Основные типы потерь в волокне

Факторы, влияющие на затухание в области

длины волны 1500 нм

Собственные потери в оптическом волокне

. Распространение света в изогнутом волокне

1

3 2

Виды дисперсии

Кривые временных задержек и удельных

хроматических дисперсий для:• а) многомодового градиентного волокна (62,5/125);

б) одномодового ступенчатого волокна (SF);в) одномодового волокна со смещенной дисперсией (DSF)

Появление поляризационной модовой дисперсии

Источники двулучепреломления в оптическом волокне

Двулучепреломление в оптическом волокне

Совместное действие явлений двулучепреломления и связи мод

Глава 2.3. ПЕРЕДАЧА ИЗОБРАЖЕНИЯ ПО

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОМУ ЖГУТУ

• Внешний вид волоконно-оптических жгутов

Расположение осветительного и передающего

изображение жгутов в эндоскопах:

Микролинзовый рельеф выходного торца

волоконного пучка

Микроволнистый рельеф поверхности линзы окуляра

Схема спектрального разложения и свертывания изображения, уменьшающего заметность мозаичной

структуры волоконного пучка

Снятие мозаичности структуры волоконного пучка с изображения методом синфазного сканирования вращающимися оптическими

клиньями (О и О' – объект и его изображение)

Прохождение луча вдоль изогнутого волокна

Схема системы передачи изображения и света в

гастродуоденоскопе ГД-Б-ВО-3

Конструкция объектива гастродуоденоскопа

Глава 2.4. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ • Оптические волокна и их использование в системах измерений

• достоинства оптических волокон:• - широкополосность (предполагается до нескольких десятков терагерц);• - малые потери (минимальные 0,154 дБ/км);• - малый (около 125 мкм) диаметр;• - малая (приблизительно 30 г/км) масса;• - эластичность (минимальный радиус изгиба 2 MM);• - механическая прочность (выдерживает нагрузку на разрыв примерно 7 кг);• - отсутствие взаимной интерференции (перекрестных помех типа известных в

телефонии "переходных разговоров");• - безындукционность (практически отсутствует влияние электромагнитной

индукции, а следовательно, и отрицательные явления, связанные с грозовыми разрядами, близостью к линии электропередачи, импульсами тока в силовой сети);

• - взрывобезопасность (гарантируется абсолютной неспособностью волокна быть причиной искры);

• - высокая электроизоляционная прочность (например, волокно длиной 20 см выдерживает напряжение до 10000 B);

По величине области измерений датчики можно

разделить на три класса

Рис. 2.4.1. Типы волоконно-оптических датчиков:a) точечный, б) квазираспределенный,

с) распределенный

. Типовой волоконно-оптический датчик (массив датчиков) со

спектральным кодированием

Рис. 2.4.2. Типовой волоконно-оптический датчик (массив датчиков) со спектральным кодированием

Модель дифракционной решетки Брэгга

. Датчики деформаций на основе ВРБ в жгуте

Сенсорная система на основе анализатора оптического спектра

Схема перестраиваемого эрбиевого лазера с линейным резонатором (а), с кольцевым резонатором (б), с кольцевым

резонатором и циркулятором (в)

Глава 2.5. ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА • Особенности распространения света

в фотонно-кристаллических волокнах

Запретные зоны в оболочке PCF с треугольной сеткой и

45% воздушным заполнением

Спектральная зависимость пространственной

нормализованной частоты

Положение границы между одно- и многомодовым режимом в зависимости от соотношения нормированных длины волны и диаметра

отверстий MFO

Полая сердцевина с удаленным центральным стержнем и двумя рядами колец: изображение (а) и спектральная зависимость

ослабления (б)

Глава 2.6. ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ

ВОЛОКОН И ВОЛОКОННЫЕ ЗОНДЫ

Изображения фотонно-кристаллических волокон с диэлектрической сердцевиной

Полые PCF волокна

Спектр интенсивности передаваемого импульса

. Генерация суперконтинуума с помощью перетянутых волокон

Зонды СМБП

Иллюстративное пояснение режимов работы СМБП

Структурная схема апертурного СМБП с

принудительной обратной связью

РАЗДЕЛ 3 Глава 3.1. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ КАНАЛ И ОСВЕТИТЕЛЬНАЯ

СИСТЕМА ВИДЕОЭНДОСКОПА • Обобщенная схема эндоскопа с волоконной оптикой

Общий вид гибкого медицинского эндоскопа с волоконной оптикой

Обобщенная структурная схема оптоэлектронного канала

Принципиальная схема источника «холодного» света

. Структурная схема осветителя

Структурная схема галогенового осветителя

Понижающий трансформатор

Блок плавного поджига

Лампа IКоммутатор

Лампа II

Глава 3.2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МАТРИЧНЫХ

ФОРМИРОВАТЕЛЕЙ ВИДЕОСИГНАЛА

• . Принцип работы ПЗС

Схема субпикселей ПЗС-матрицы с карманом n-типа

Рис. 3.2.3. К пояснению процесса перетекания зарядовых пакетов

Сдвиговый регистр на ПЗС

Рис. 3.2.4. Фазы работы сдвигового регистра

T1

T2

T3

Ф1

Ф2 Ф3

U2 U1 U1

U2 U3 U1

U1 U2 U1

Рис. 3.2.5. Устройство съема информациис ПЗС

Рис. 3.2.6. Линейный твердотельный формирователь видеосигнала:СР – сдвиговый регистр; ВУ – выходное устройство; УС - усилитель

Ф1, Ф2, Ф3

N1 N2 N3 N4

Рис. 3.2.7. Линейный преобразователь с разделенными секциями:1 – накопительный регистр; 2 – затвор; 3 – регистр хранения;ВУ – выходное устройство; УС – усилитель

Рис. 3.2.8. Двумерный твердотельный матричный преобразователь: ВР – выходной регистр; СХ – секция хранения; СН – секция накопления; ВУ – выходное устройство; УС – усилитель

Ф1 Ф2 Ф3

Ф1

Ф2

Ф3

Рис. 3.2.9. Матричный приемник со строчно-кадровым переносом

матрица элементов изображения

ад

ре

са

стр

ок

сигнальный процессор

адреса столбцов

SВЫХ

Рис. 3.2.12. Структурная схема КМОП-преобразователя

Сравнение структуры матриц

Структура одночиповой камеры

Глава 3.3. ПЛАЗМЕННЫЕ И

ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПЛОСКИЕ ДИСПЛЕИ

• Устройство ячейки плазменной панели

Система электродов панели

Формирование растра

Формирование яркости ячейки в ЭЛТ и PDP

Устройство активной TN-матрицы

Рассеиватель

Входной поляризатор

Горизонтальная линия данных

Конденсатор

Вертикальная линия данных

Тонкопленочный транзистор

Прозрачный электрод

Направляющие слои Общий прозрачный электрод

Слои ЖК-вещества

Цветной фильтр

Рассеиватель

Выходной поляризатор

Стекло

СВЕТ

Стекло

Углы обзора TN-матрицы

Устройство ячейки IPS

Анализатор

Направляющие оси

Поляризатор

Прозрачные электроды

Взаимное расположение доменов

Устройство ячейки PVA

Глава 3.4. ВЫСОКОКОНТРАСТНЫЕ ПЛОСКИЕ

ПАНЕЛИ

• Характеристики зрительной системы человека

Оптическая схема прототипа HDR-дисплея на базе DLP-проектора

и ЖК-панели

. Структура двухмодуляторного дисплея (ЖК-панель +

массив светодиодов)

Принцип формирования изображения

двухмодуляторной схемой HDR-дисплея

Структура процессора для обработки видеосигнала

ЖК-дисплей с динамической светодиодной подсветкой

Топология светодиодного экрана

. Формирование изображения на экране 70” ЖК-телевизора Samsung

Глава 3.5. ПЛОСКИЕ ЭМИССИОННЫЕ ДИСПЛЕИ

• Технология OLED

• Структура полимера, лежащего в основе POLED

. Энергетические уровни и принцип работы POLED

Структура пикселя TOLED

Структура дендримера

Процесс нанесения полимера на подложку

Структура пассивной и активной матриц

Структура панели FED

Структура и процесс формирования

нанопикселей FED

Сравнение FED и LCD дисплеев

Сравнение конструкции ЭЛТ и SED

Глава 3.6. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

ВИДЕОЭНДОСКОПИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

• Расположение ткани и плоскости сканирования

. Подслизистое образование – киста пищевода

Обработка с использованием арифметических операций

Результат нелинейного растяжения динамического диапазона интенсивностей

пикселей изображения

РАЗДЕЛ 4глава 4.1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ УСТРОЙСТВА И РАБОТЫ

ПРОИГРЫВАТЕЛЕЙ CD • Структура CD и дорожки записи

Питы

Флэты

Ширина дорожкиот 0,4 до 0,5 мкм

Шаг дорожки

1,6 мкм

Рис. 4.1.1. Увеличенное схематичноеизображение поверхности CD

Рис. 4.1.2. Принципы формирования поверхности дисков и считывания записанной информации: Р − расщепитель; ФП − фотоприемник; Л − линза; ЗС − защитный слой; Д − диск; Ф − фокус; П − пит; ОП и ОФ – световые потоки, отраженные соответственно от питов и флэтов

ЗС

ФП

Р

Лазер

Л

ОФ

ОФ

ОП

Ф

П

ОП

Рис. 4.1.3. Процесс считывания лазером информации со стороны базы CD

Информационная поверхность Сфокусированный луч

около 1 мм

Базовый слой 1мм

Пыль Царапина

Лазерный луч

Рис. 4.1.4. Обобщенная структурная схема лазерного проигрывателя CD: ГВ – головка воспроизведения; САРЛС – система автоматического регулирования линейной скорости; САРРС – система автоматического регулирования радиального слежения; САРФ – система автоматического регулирования фокусировки; ЭУОС – электронные устройства обработки сигналов; СП – система позиционирования; СМП – системный микропроцессор; ПУИ – панель индикации и управления

САРЛС

ЭУОС

САРФ

ГВ

СП

САРРС

СМП

ПУИ

• • •

CD

Объектив - двухкоординатный элемент

Возможность перемещения

Зеркальная призма

КоллиматорПолупроницаемаязеркальная призма

Дифракционная решетка

Лазерный диод

Двояковогнутая линза

Цилиндрическая линза

Фотодиодная матрицаРис. 4.1.6. Оптический путь лазерных лучей через элементы ПОС

Главный центральный луч

Луч первого порядкаЛуч первого порядка

λ 2λ 3λ

Рис. 4.1.7. Диаграмма интенсивности излучения после прохождения дифрешетки

Оптимальная точка фокуса позади информационной поверхности диска

Правильная точка фокуса

Оптимальная точка фокусаперед информационной поверхностью диска

-

+

+

Е

Сигнал отслеживания ошибки

Сигнал ошибки фокусировки

Сигнал информации (А+C)+(B+D)

(A+C)−(B+D)

E − F

Рис. 4.1.8. Сигналы на фотодетекторах

F

D

A

C

B

-+ Сигнал рассогласования (TER)

Дифракционная решеткаПризма Дорожка питов и флэтов

Пятно TRA

Главное пятно

Пятно TRC

TRC (E)

TRA (F)

Лазерный луч

Датчикфокусировкии сигналов

Рис. 4.1.9. Принцип действия системы отслеживания луча

Глава 4.2. ПЕРЕМЕЖЕНИЕ, ИСПРАВЛЕНИЕ ОШИБОК И КАНАЛЬНОЕ КОДИРОВАНИЕ В УСТРОЙСТВАХ ЗАПИСИ/ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ CD И

DVD

Входной аудиосигнал

Биты (символы паритета)

ФНЧ

ФНЧ УВХ АЦП

УВХ АЦПЛевый

Правый

41,1 кГц

Первый мультиплексор

CIRC-кодер

Кодер сигналов контроля и дисплей

Синхро-генератор

Модулятор канала

Второй мультиплексор

Генератор таймера

Сигнал таймера

Лазер записи Мастер-копия компакт диска

Рис. 4.2.1. Процесс записи аудиоинформации на CD

Биты (символы данных)

Лазерный пучок

Выходные последовательные данные на лазер

Считывание лучом двух смежных переходов одновременно

Питы

Флэты

Линза

Лазерный луч

Дорожка с данными в 8-битовом коде

Нормальное считываниесоседней информации

Питы

ФлэтыЛинза

Лазерный луч

Дорожка с данными в 14-битовом коде

Рис. 4.2.4. Эффект EFM-модуляции

Схема питаниялазера

Лазерная оптическая система

Система автофокусироваки и радиального трекинга

Тактовая схема

Синхрогенератор

4,3218МГц

EFM-демодуляторФотодиодная матрицаПредусилитель ВЧ сигнала (EFM)

ERCOСхема интерполяции и блокировки

Цифровой фильтр идемультиплексор ЦАП

АП

Усилитель

Левый аудиоканал

ЦАП Усилитель

Правый аудиоканал

Декодер сигналовконтроля и дисплея

Панель управления

Панель дисплея

Системный контроллер

Усилитель серво-двигателя вращения диска

Mute

≈ 600мВ

3Т 5Т 7Т 9Т 11Т 4Т 6Т 8Т 10Т

Рис. 4.2.7. Сигнал EFM на выходе ВЧ-предусилителя

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

••• ••• ••••

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

••• ••• ••••

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Исходная форма

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Выборкаданных на CD

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Данные после прочтения

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Выпадение

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Данные последеперемежения

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

а) б)

Рис. 4.2.8. Принцип перемежения и деперемежения:а − без чередования, б − с чередованием

Глава 4.3. DVD, HD DVD, BD КАК БАЗОВЫЕ

НОСИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ

• Логотип DVD-Video

Геометрические характеристики CD (слева) и DVD (справа)

Структура DVD

Процесс считывания двухслойного диска

Типы DVD

Волнообразные выступы и желобки для записи в DVD-RAM

Дорожки для записи DVD-R

Файловая структура DVD-Video

. Местоположение длины волны излучения лазера для работы с HD DVD в спектре видимого диапазона

электромагнитных волн

Поверхности обычного DVD и HD DVD дисков

Принципы считывания информации c DVD и HD DVD

. Структура комбинированных дисков

Соотношение длины волны, числовой апертуры и емкости диска

Глава 4.4. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ

ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ BD • Структурная схема лазерного устройства для записи и

воспроизведения BD

Метки и форма импульсов для их прожига

Общая форма волны записывающего импульса

Адаптивное управление записью

Длина битового канала и минимальная длина пробега для различных ограничений d при

одинаковой емкости записи

Структура адресной информации

Комбинация MSK и STW при отображении «0» и «1» адресного бита

Отношение сигнал/шум для детектирования отметок

MSK и STW

Структура универсальной оптической головки CD/DVD/BD

Структура универсальной оптической головки CD/DVD/BD

. Эффективность дифракции (вверху) и форма дифракционной решетки (внизу)

Форма линзы с ДОЭ

Конструкция ГОЭ и его принцип работы

Глава 4.5. МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ДИСКИ

MINIDISC (MD)

• Концепция и спецификации

Блок-схема системы MD

Поперечное сечение MD, поддерживающих только чтение

Поперечное сечение перезаписываемых MD

Формат конфигурации данных MD

Алгоритм ATRAC

. Структура перезаписываемого MD

Профиль магнитного поля головки

Сила трения магнитной головки

Сравнение плотности записи MD

а б в

Рис. 4.5.13. Технологии записи магнитооптических дисков

Рис. 4.5.14. Модуляция магнитного поля с лазерным

стробированием

Рис. 4.5.15. Временные диаграммы записи

в системе HS

Глава 4.6. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ ЗАПИСИ И

АРХИВНОГО ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

• . Развитие технологий записи

. Продольная и поперечная магнитная запись

Основной и вспомогательный полюсы головки для PMR

Структура магнитного слоя фирмы Hitachi

Перспективные технологии оптической записи

Голографическая запись (слева) и воспроизведение (справа)

Технические характеристики устройств

голографической памяти

Структура памяти на основе полимерной пленки

Схема устройства (слева) и увеличенная трехмерная модель, иллюстрирующая принцип работы накопителя

Millipede

Устройство молекулярной памяти

РАЗДЕЛ 5 Глава 5.1. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ

ТЕЛЕМЕДИЦИНЫ • Структура телемедицинского центра со

спутниковой связью

Структурная схема мультимедийной телемедицинской платформы

Спутниковый канал доставки информации

Спутниковая система с обратным каналом связи

Спутниковый канал связи DVB-S2

Наземная система связи DVB-T

Спутниковая система портативной связи DVB-SH

Совместное использование каналов DVB-T и DVB-H

Стационарное исполнение телемедицинских систем:

для операционных залов; для диагностических кабинетов

Мобильная телемедицинская система Мобильная

телемедицинская система

Глава 5.2. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ БЕСПРОВОДНЫЕ

ТЕХНОЛОГИИ МЕДИЦИНСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

• Принцип построения Simply Blue

Структурная схема модуля LMX9820A

. Беспроводной мониторинг

Блок-диаграмма передачи медицинских данных

. Блок-диаграмма беспроводной передачи данных

Множество Wi-Fi-сетей внутри здания

Совместная работа Wi-Fi-сетей и сети MeshLogic

Типовая топология сети ZigBee

Типовая топология сети MeshLogic

Глава 5.3. ТЕХНОЛОГИИ ВИДЕОКОНФЕРЕНЦСВЯЗИ

• Базовая архитектура стандарта H.323

Структура терминала H.323

. Мультимедиа шлюз H.323/PSTN

Контроллер зоны (Gatekeeper)

Схемы централизованной и децентрализованной

организаций конференции в H.323

Схемы децентрализованной и смешанной организаций

конференции в H.323

Структурная схема видеокодера MPEG-4

Рис. 5.3.8

Оценка движения

Компенсация движения

Восстановление коэффициентов

Коммутация

Обратное ДКП

Выход

Вход видео

ДКПКвантование коэффициентов

Кодирование Мультиплексирование

Накопитель кадров

Предсказание

Предсказание

Предсказание

Обобщенная модель кодирования MPEG-7

Глава 5.4. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

ПЕРЕДАЧИ СО СПЕКТРАЛЬНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ

• Зависимость расстояния от ширины полосы пропускания кабеля

Спектральные поддиапазоны

Расширенный спектральный план оптических несущих

Блок-схема системы WDM

Типовая схема и контрольные точки мониторинга ВОСП-СР

Глава 5.5. МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ IPTV В СИСТЕМАХ

ЭНДОСКОПИЧЕСКОГО РЕЙНИНГА И ТЕЛЕМЕДИЦИНЫ

Топология построения телемедицинской сети

Модели логического доступа к сети

. Инкапсуляция MPEG в IP кадр Поток MPEG

Транспортный MPEG-пакет

Транспортный MPEG-пакет … Транспортный

MPEG-пакет

ЗаголовокТранспортный MPEG-пакет

Транспортный MPEG-пакет

…Транспортный MPEG-пакет

Трейлер

Сетевая пакетная нагрузка

Сетевой пакет

Передача трафика Unicast. Передача трафика Broadcast

Передача трафика Multicast

Глава 5.6. НАНОФОТОНИКА В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЯХ Дорожная карта, отражающая

требования по уменьшению размеров фотонных устройств для «очень

коротких» телекоммуникационных систем

. Принципы разделения «дифракционной

оптики» и «нанофотоники»

Иерархические уровни развития нанофотоники и

дифракционной оптики

Схематическое представление одномерного фотонного

кристалла

Схематическое представление двумерного фотонного кристалла

. 2,5D фотонно-кристаллическая структура

. Дефекты фотонных кристаллов и устройства на их основе

Спектр и структура резонаторов HN

Фильтры на основе противонаправленного взаимодействия мод:

а - в волноводах W1 и W0.8; б – в волноводах W3 и W5.

РАЗДЕЛ 6Глава 6.1. ЭЛЕКТРОХИРУРГИЯ

• Иллюстративная схема выделения тепла при движении электронов через срез ткани

. Диапазон частот ЭХ

Образование емкостного индуцированного тока в троакаре

. Монополярная электрохирургия

. Биполярная электрохирургия

. Рассеивание энергии в зоне пластины пациента

«Выпаривание» тканей при резании

«Высушивание» тканей при коагуляции

Фульгурация

Электрод пациента

. Отхождение электрода пациента от кожи приводит к

ожогам

Глава 6.2. УЛЬТРАЗВУК В ЭНДОСКОПИЧЕСКОЙ

ХИРУРГИИ

• Идеализированное поле плоского акустического излучателя

Изменение интенсивности колебаний в упругой волне в

зависимости от расстояния до излучателя

Геометрические характеристики сферического

излучателяи фокусированного ультразвукового поля

. Изменение знака кривизны фронта волны при

переходе через фокус

Конструкция акустического узла для резки мягких тканей

. Схема УЗ-аппарата с автоматической подстройкой частоты

Электронный радиальный эхоэндоскоп EG-3630UR с углом обзора

270° и рабочей частотой 5-10 МГц

Конструкция дистальной части эндоскопа BF-UC160F-OL8

Конструкция дистальной части эндоскопа BF-TE2

. Совместная технология деструкции и ирригации

Глава 6.3. ЛАЗЕРНАЯ ХИРУРГИЯ. ВОЛОКОННЫЕ

ЛАЗЕРЫ

• Лазерные хирургические зажимы и принцип их работы

Конструкция непрерывного волоконного лазера

Спектры излучения и поглощения ионов Yb3+ в алюмосиликатном

световоде (справа вверху – схема уровней)

. Схема лазера на основе активного волокна с двойной оболочкой

Схема накачки волоконных лазеров на световодах с двух- и трехэлементной первой оболочкой (слева представлены фотографии

поперечных сечений лазерных световодов)

Каскадный ВКР-лазер с длиной волны 1480 нм на ВРБ

Спектры комбинационного рассеяния в стеклообразных

SiO2, GeO2, P2O5 и B2O3

. ВКР-лазер на германатном световоде с накачкой от Er/Yb-волоконного

лазера

Глава 6.4. ИНСТРУМЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ

ИННОВАЦИОННОЙ ВИДЕОЭНДОСКОПИИ

• . . Инструменты для эндохирургии Игла Вереша («МФС»)

Пневмофиксатор троакара («МФС»)

. Крючок Редика («МФС»)

Диссектор биполярный («МФС»)

Трёхлепестковый ранорасширитель («МФС»)

Схема строения эндоскопической видеокапсулы:

1 – оптический колпак; 2 – линза; 3 – светодиоды; 4 – камера; 5 – батареи; 6

– передатчик; 7 – антенна

Глава 6.5. ДВУХЧАСТОТНЫЕ СИСТЕМЫ ОПРОСА ВОЛОКОННО-

ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ЭНДОСКОПИЧЕСКОЙ ВИДЕОХИРУРГИИ

• Система спектрального измерения параметров физических полей

Принципы определения параметров физических полей

Принципы определения параметров физических полей

Принципы определения параметров физических полей при

раздельном амплитудном анализе двухчастотного сигнала

Спектр отражения R (сплошная кривая) и групповая задержка τ (штриховая кривая) однородной ВРБ (на врезке – профиль показателя

преломления

Анализ взаимодействия двухчастотного сигнала с ВРБ

Рис. 5.6. Спектр входногодвухчастотного сигнала

Рис. 6.5.9. Зависимость при разных значениях

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

-2 -1 0 1 2

Обобщенная расстройка контура

Коэ

фф

ицие

нт м

одул

яции

m

0,2

0,6

1

1,4

1,8

Структурная схема устройства

Модель устройства в пакете OptiSystem

Глава 6.6. МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАННЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ДЛЯ ЭНДОСКОПИЧЕСКОЙ

ВИДЕОХИРУРГИИ • Структурная схема канала измерений

со сдвоенной решеткой

Спектр пропускания однородной ДП ВРБ

. Система съема информации с группы однотипных датчиков,

расположенных в одном волокне

Алгоритм послойного вычисления отклика группы

датчиков

Рис. 6.6.5. Загрузочное окно пакета прикладных программ«Оптоволоконный датчик»

Рис. 6.6.6. Моделирование затухания в ВРБ с растяжением:

а – 0%, б – 25%, в – 75%, г –100%

а

б

в

г