Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук

Эндоскоп будет видеть, как человек

 

Данная статья вышла в издании Коммерсантъ

Ученые из Научно-технического центра уникального приборостроения РАН и Национального исследовательского университета МЭИ разрабатывают отечественные технологии измерительной эндоскопии.

Эндоскопы — приборы для анализа внутренних полостей — обычно ассоциируются с медициной, но находят все более широкое применение и в промышленности. В настоящее время они используются не только для визуализации труднодоступных объектов, но и для измерения их геометрических параметров.

Эндоскоп использует зонд для формирования и передачи изображения. Возможность доставки эндоскопического зонда в зону контроля через отверстия малого диаметра и наглядность интерпретации регистрируемых данных позволяют визуально оценивать состояние поверхности, выявлять и классифицировать имеющиеся отклонения от нормы. В медицине эндоскопы широко используются для исследования и лечения внутренних органов человека при введении зондов через естественные отверстия тела или через операционные разрезы. Промышленная эндоскопия используется для неразрушающего контроля состояния внутренних полостей двигателей, парогенераторов, теплообменников и других изделий и зачастую становится той обязательной процедурой на различных этапах их производства, сборки и испытаний, качество проведения которой в значительной степени определяет их штатное безаварийное функционирование.

Первоначально гибкие оптоволоконные и жесткие линзовые эндоскопы представляли собой лишь средство визуального контроля, в которых изображение объекта необходимо было наблюдать в окуляр. Дополненные системами фото- и видеорегистрации, они стали телеинспекционными приборами, допускающими демонстрацию области контроля в реальном времени на экране монитора. В силу конструктивных особенностей волоконные эндоскопы страдали от некоторых недостатков, среди которых прежде всего — низкое пространственное разрешение изображения. Стремление преодолеть их и расширить функциональные возможности эндоскопической техники привели к созданию нового класса приборов — видеоэндоскопов, в основе которых лежат миниатюрные видеокамеры, расположенные на дистальном конце зонда. Развитие и широкое внедрение миниатюрных приемников излучения открыли разработчикам эндоскопических приборов доступ к обширному инструментарию цифровой обработки данных. Объединив достоинства предшественников, видеоэндоскопы сохранили возможность использования гибких зондов, обеспечивая высокое качество изображения, цифровую обработку данных в реальном времени и компактное конструктивное исполнение.

Современная видеоэндоскопическая аппаратура позволяет осуществлять визуальный анализ состояния поверхности и оценивать размеры выявленных дефектов. Измерительные видеоэндоскопы, серийно выпускаемые только за рубежом и получившие широкое распространение в России, имеют ряд недостатков — в частности, закрытую архитектуру программного обеспечения, которая сильно ограничивает возможности его доработки и оптимизации под решение конкретных задач.

Ученые из Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН и НИУ МЭИ разрабатывают отечественные методы и аппаратно-программные средства измерительной видеоэндоскопии. Для проведения пространственных геометрических измерений впервые в России разработана и изготовлена серия миниатюрных эндоскопических оптических систем, обеспечивающих регистрацию стереоскопических изображений на один приемник излучения. Принцип работы таких систем схож с механизмом стереоскопического зрения человека. Глубина изображения и форма наблюдаемых предметов при таком подходе воспринимаются за счет совместного анализа изображений, получаемых с разных ракурсов. За счет применения разработанных алгоритмов осуществляется трехмерная визуализация формы элементов труднодоступных объектов и измерение их геометрических параметров с помощью видеоэндоскопических зондов диаметром 6 мм.

Пример зарегистрированного стереоскопического изображения (слева) и восстановленная по нему форма наблюдаемого объекта (справа)

Пример зарегистрированного стереоскопического изображения (слева) и восстановленная по нему форма наблюдаемого объекта (справа)

Отличие подхода, предложенного российскими инженерами,— совместное проектирование аппаратного и программного обеспечения с учетом свойств объекта контроля, что позволяет уже на начальных этапах моделирования оценивать точность измерений и оптимизировать оптическую систему и применяемые алгоритмы. В приборах использованы оригинальные методы измерения и анализа, реализованные в виде встроенного программного обеспечения. Разработка данного аппаратно-программного комплекса позволяет значительно повысить скорость и объективность проведения эндоскопического контроля труднодоступных полостей множества объектов в промышленности и биомедицине — в частности, повысить точность, диапазон и повторяемость измерений их геометрических размеров по сравнению с лучшими мировыми аналогами.

Пример измерения геометрических параметров объекта

Пример измерения геометрических параметров объекта

Основным результатом применения разработанных методов и аппаратно-программных средств может стать повышение эффективности контроля качества изготовления и эксплуатации, например, ракетно-космической, авиационной и другой техники за счет повышения информативности и объективности ее оптического неразрушающего контроля на этапе изготовления, испытаний и обслуживания, а также внедрение отечественной аппаратуры в различные отрасли промышленности. Предварительный анализ рынка показывает, что даже при мелкосерийном производстве стоимость разработанных аппаратно-программных средств существенно ниже существующих зарубежных аналогов. Это позволит снизить стоимость видеоэндоскопического контроля многих объектов и повысить его эффективность за счет адаптации под решение конкретных задач.


Александр Мачихин, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН, доцент НИУ МЭИ; Алексей Горевой, младший научный сотрудник Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН, инженер НИУ МЭИ; Демид Хохлов, младший научный сотрудник Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН, инженер НИУ МЭИ