30 Дек

СЖАТИЕ ДВОИЧНЫХ ДАННЫХ В БЕСПРОВОДНОЙ КАПСУЛЬНОЙ ЭНДОСКОПИИ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Беспроводная капсульная эндоскопия — это новый перспективный метод исследования желудочно-кишечного тракта. В отличие от традиционных  методов, он единственный позволяет полностью осмотреть тонкую кишку без дискомфортного инструментального вмешательства (например, с использованием зонда).

Суть его заключается в следующем: пациент проглатывает миниатюрную капсулу, запивая небольшим количеством воды, и в течение примерно восьми часов капсула фотографирует его желудочно-кишечный тракт. Съемка производится два раза в секунду. Изображения затем передаются с помощью беспроводной связи на внешнее устройство, которое пациент в течение всего исследования носит на поясе. По окончании процедуры капсула выводится из организма естественным путём. Важно отметить, что при капсульной эндоскопии пациент вообще не испытывает неприятных ощущений, что является важным отрицательным фактором ЭФГДС (эзофагогастродуоденоскопия) и колоноскопии.

За время, в течение которого капсула проходит весь ЖКТ, на носителе накапливается порядка 57 тысяч изображений. После завершения исследования эти изображения передаются на стационарный компьютер, где происходит их обработка: распознавание патологий, если таковые имеются, и улучшение качества изображений в случае необходимости.

Своевременное проведение процедуры позволяет выявлять малейшие изменения слизистой желудка, тонкой и толстой кишки, в основном на ранних стадиях: это гастриты, эрозии, лейомиома, меланоз, болезнь Крона, скрытое кишечное кровотечение. Применяемые ранее видеогастроскопия и видеоколоноскопия как самостоятельные методы исследования не позволяют зафиксировать раннюю стадию заболевания, в то время как капсульная эндоскопия дает специалистам возможность увидеть малейшие изменения в ЖКТ.

Кроме того, традиционные методы исследования не позволяли гастроэнтерологам «заглянуть» в тонкий кишечник пациента, но с появлением капсульной эндоскопии у не поддающихся исследованию частков желудочно-кишечного тракта практически  не осталось.

За время работы капсула получает и передает десятки тысяч изображений ЖКТ пациента. Поэтому в системе беспроводной эндоскопии осо­бенно остро стоят вопросы мощности передатчика, обеспечения питания и раз­меров оборудования. Уменьшение объема передаваемой информации приведет к увели­чению частоты получаемого изображения, снижению питания, и как следст­вие, более долгой работе эндоскопа.

Таким образом, становится актуальной  задача сжатия изображений внутри капсулы, для получения максимума данных без увеличения размеров прибора, что для подобного устройства является критическим фактором.

В данной статье представлены теоретические и практические аспекты такой работы для эндоскопического комплекса «Ландыш».

Рассмотрим процесс обмена информацией в системе.

Данные с камеры поступают в память, организованную в виде очереди. Далее из памяти массив данных поступает по однобитному порту на микросхему сжатия. Цвет пикселя определяется тремя составляющими по цветовой модели RGB. После чего данные сжи­маются и отправляются по 8-ми битному порту на передатчик. Затем передат­чик капсулы посылает кодовые слова на внешний приёмник, который, в свою очередь, декодирует изображение.

Область применения устройста накладывает жесткие ограничения на схему сжатия, а именно:

  • Низкое энергопотребление, так как капсула работает на батарее, и таким образом высокая потребляемая мощность сократит время работы капсулы.
  • Массив данных в памяти обновляется каждые 0,5 секунд, следовательно, время сжа­тия не должно превышать этого ограничения.
  • Размеры применяемой капсулы составляют 1,5-2 см, что накладывает ограничение и на размер используемой в ней микросхемы. Оптимальным вариантом является размещение на кристалле размером 5х5мм.

На основе сравнительного анализа существующих алгоритмов сжатия информации без потерь в условиях неизвестной статистики, с учетом выдвигаемых требований к конечному устройству, был выбран  метод универсального кодирования тройками двоичных наборов [1].

Долгое время практическое применение универсального кодирования сдерживалось высокой трудоемкостью его реализации. Но благодаря развитию флэш-технологий эти трудности во многом преодолены [2] .

По определению, универсальное кодирование характери­зу­ется тем, что статистическая избыточность в двоичной кодовой последовательности стремится к нулю с ростом длины блоков, на которые разбивается исходная бинарная последовательность.

Метод предназначен для сжатия двоичных данных в условиях не­известной статистики источника сообщений. Примене­ние такого метода оправдано, когда требуется абсолютно точно восстановить исходную двоичную последовательность, т.е. сжатие данных за счет потери части информации недопустимо.

После разбиения исходной последователь­ности двоичных данных на блоки разрядностью n каждому блоку ставятся в соответствие три параметра, вычисляемые на основе содер­жимого блока:

1)  количество единиц в блоке — k;

2)  номер суммы их позиций — s;

3) номер данной конкретной комбинации в соответ­ствующем классе (элемент пересечения множеств K и S)  обозначим  b(n,k,s).

Доказано, что избыточность кодирования Rn в потоке выходных данных стремится к нулю с ростом длины исходных блоков n, т.е. кодирование, является асимптотически оптимальным:

limRn=0, где Rn=sup Rn (р)

n → ∞                     о<р<1

Rn (р) = nср/n Н (р)где, nср средняя длина кодового слова

Н (р) =  -(p log2p+q log2q) энтропия источника.

Номер для кодовой комбинации вычисляется по формуле:

   b(n,k,s)=r(ik 1,k, ik+ ik-1+…+ i1)+ r(ik-1 1,k-1, ik-1+ ik-2…+i1)+ …+                                                                

   + r (i2 1, 2, i2+ i1 ) =  r ( ij 1, j ,  im ),

    где  i  —  номера позиций единиц в исходном блоке.

Для уменьшения трудоемкости реализации имеет смысл ввести адаптацию в КТ, т.е. добавить в кодовое слово дополнительный бит, содержащий указание на то, кодировать информацию или нет, в зависимости от количества единиц во входном блоке. Реальные результаты исследования алгоритма КТ  с адаптацией (K1 — наибольшее количество единиц, при котором еще осуществляется кодирование) приведены в Таблице 1.

 

Таблица 1. Зависимость коэффициента сжатия КТ от различных параметров

 

n t, млн. тактов Размер, КБ K1 Ксж
 

 

32

3,2 268 2 1,15
3,5 264 3 1,16
5,2 262 4 1,17
15,5 260 5 1,18
60,1 259 6 1,19
 

 

48

3,2 259 3 1,19
3,6 255 4 1,20
5,9 251 5 1,22
15,35 249 6 1,23
64 80,5 254 5 1,20
128 8,4 255 4 1,20
256 12,6 256 4 1,19
512 24,1 259 4 1,18

Реализованная аппаратная модель обеспечивает  сжатие в реальном времени без потерь примерно на 20%. При этом соблюдаются все технические требования, выдвигаемые к беспроводному эндоскопу. Следует отметить, что применение КТ без адаптации позволяет увеличить степень сжатия, но при этом существенно возрастает сложность и энергопотребление системы.

Кроме того дополнительное увеличение коэффициента сжатия возможно за счет учета свойств симметрии КТ. Например при n=48, с точки зрения избыточности, наличие в блоке 6 единиц равноценно наличию 42 единиц и т.д.

Применение сжатия позволяет получить более полную информацию для последующего анализа и диагностики.

Поэтому представляется перспективным создание специализированной микросхемы, на вход которой поступала бы бинарная последовательность со статистической избыточностью, а с выхода снималась  последовательность, лишенная избыточности, тем самым  обеспечивалось бы сжатие данных.

                          

Литература  

  1. Метод универсального кодирования двоичных данных.

Александрович А.Е., Ядыкин И.М., Шурыгин В.А.

Журнал «Вопросы радиоэлектроники», выпуск 2,  М.,2011, с.94-115.

  1. Флэш-память – становление развитие и перспективы.

Васильев Н.П., Макаров В.В., Шурыгин В.А.

Журнал «Автоматизация в промышленности», март, М.,2011, с. 55-59.

СЖАТИЕ ДВОИЧНЫХ ДАННЫХ В БЕСПРОВОДНОЙ КАПСУЛЬНОЙ ЭНДОСКОПИИ
В статье рассматриваются возможности совершенствования технических средств для новейшего перспективного метода беспроводной капсульной эндоскопии желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) человека. Путем сжатия передаваемых двоичных данных удается существенно увеличить частоту передачи изображений, и, как следствие, уменьшить энергопотребление капсулы и ее габаритные размеры.
Written by: Вавренюк Александр Борисович, Макаров Виктор Валентинович, Шурыгин Виктор Александрович
Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
Date Published: 01/04/2017
Edition: euroasia-science.ru_29-30.12.2015_12(21)
Available in: Ebook