Метод та програмно-апаратний засіб підвищення якості інтраскопічних зображень в умовах неоднорідного освітлення та нестаціонарних деградацій

Abstract

Гринюк І.О. Метод та програмно-апаратний засіб підвищення якості інтраскопічних зображень в умовах неоднорідного освітлення та нестаціонарних деградацій. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття ступеня доктора філософії за спеціальністю 163 – Біомедична інженерія. Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2026. Підготовка здійснювалась на кафедрі біотехнічних систем Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України. Дисертаційну роботу присвячено розв’язанню актуальної науково- практичної задачі біомедичної інженерії, що полягає у розробленні та науковому обґрунтуванні адаптивного багатокритеріального просторово- частотного методу і програмного засобу підвищення якості інтраскопічних зображень в умовах неоднорідного освітлення та нестаціонарних деградацій. Інтраскопічні системи функціонують в умовах змінного освітлення, оптичного розсіювання в тканинах, наявності біологічних рідин, відблисків та артефактів руху. Традиційні методи підвищення якості зображень не повною мірою враховують фізичні особливості формування інтраскопічного сигналу, що може призводити до втрати анатомічно значущих структур або появи штучних артефактів. У зв’язку з цим актуальним є розроблення спеціалізованих адаптивних методів обробки, орієнтованих на збереження діагностично важливої інформації. Актуальність теми зумовлена зростанням ролі інтраскопічних методів у клінічній практиці та необхідністю забезпечення високої діагностичної інформативності зображень, що формуються у складному біологічному середовищі та зазнають впливу мультиплікативної неоднорідності освітлення, адитивно-мультиплікативних шумів і оптичних спотворень. Особливо важливим є забезпечення стабільної якості інтраскопічних зображень засобами цифрової обробки, оскільки програмна компенсація деградацій дозволяє підвищити інформативність зображення без зміни апаратної конфігурації системи. Метою дослідження є розроблення та наукове обґрунтування методу і програмно-апаратного засобу підвищення якості інтраскопічних зображень в умовах складних оптичних та шумових спотворень. Об’єкт дослідження – процес формування та обробки інтраскопічних зображень у системах медичної діагностики в умовах неоднорідного освітлення та нестаціонарних деградацій. Предмет дослідження – методи та програмно-апаратні засоби підвищення якості інтраскопічних зображень на основі адаптивної просторово-частотної компенсації деградаційних спотворень. У першому розділі здійснено аналітичний огляд сучасних інтраскопічних діагностичних систем та методів підвищення якості медичних зображень. Проаналізовано фізичні фактори деградації, зокрема неоднорідність освітлення, адитивні та адитивно-мультиплікативні шумові складові, оптичні спотворення та артефакти руху. Встановлено обмеження класичних методів фільтрації та обґрунтовано необхідність формалізованої багатокритеріальної постановки задачі. У другому розділі розроблено математичну модель формування інтраскопічного зображення, що описує взаємодію мультиплікативної складової освітлення та шумових компонент. На основі цієї моделі задачу підвищення якості сформульовано як задачу багатокритеріальної оптимізації. Розроблено адаптивний просторово-частотний метод, який поєднує логарифмічну компенсацію освітлення та багатомасштабний аналіз із локально-адаптивною модифікацією коефіцієнтів. Проведений аналіз показав стійкість методу до нестаціонарних деградацій та змін умов формування зображення. У третьому розділі розроблено алгоритмічну структуру запропонованого методу та реалізовано програмний модуль у середовищі MATLAB, що забезпечує можливість повторної перевірки результатів та подальшої інтеграції розробленого модуля до медичних діагностичних систем. У четвертому розділі проведено експериментальні дослідження ефективності запропонованого методу. Виконано порівняльний аналіз із класичними методами обробки. За результатами об’єктивного оцінювання встановлено покращення показників структурної подібності (SSIM), контрастності (CNR) та стійкості до шумових деградацій порівняно з класичними методами цифрової обробки. Наукова новизна одержаних результатів. У дисертаційній роботі одержано такі нові наукові результати: 1. Запропоновано адаптивний багатокритеріальний просторово- частотний метод підвищення якості інтраскопічних зображень, який, на відміну від існуючих підходів, базується на фізично обґрунтованій математичній моделі формування зображення та забезпечує узгоджену обробку у просторовій і частотній областях з урахуванням локальних характеристик зображення. Запропонований підхід забезпечує підвищення інформативності інтраскопічних зображень за рахунок узгодженої компенсації локальних контрастних та шумових спотворень. 2. Вперше сформульовано багатокритеріальну постановку задачі підвищення якості інтраскопічних зображень, яка, на відміну від відомих, одночасно враховує критерії структурної подібності, контрастності та збереження меж, що дозволило забезпечити баланс між пригніченням шумів та збереженням дрібних структурних елементів. 3. Удосконалено підхід до обробки інтраскопічних зображень в умовах неоднорідного освітлення та нестаціонарних завад, який, на відміну від існуючих методів, враховує просторову варіативність освітлення та використовує адаптивну нормалізацію на основі локальних статистичних характеристик, що забезпечує підвищення стійкості обробки та зменшення втрати дрібних структурних деталей. 4. Удосконалено математичну модель формування інтраскопічного зображення, яка, на відміну від відомих моделей, враховує мультиплікативну складову освітлення та адитивно-мультиплікативний характер шумів, що дозволило більш адекватно описати процес формування зображення в реальних умовах інтраскопічної діагностики та підвищити точність подальшої обробки. 5. Набули подальшого розвитку методи оцінювання якості інтраскопічних зображень, які, на відміну від існуючих, доповнено комплексним використанням метрик PSNR, SSIM, CNR та ROC-аналізу із статистичною перевіркою значущості результатів, що дало змогу підвищити об’єктивність оцінювання ефективності методів обробки. Практичне значення одержаних результатів полягає у можливості інтеграції розробленого програмного модуля в існуючі інтраскопічні діагностичні системи без модифікації їх апаратної частини, що забезпечує можливість покращення візуалізації анатомічних структур та підвищення достовірності попереднього аналізу медичних зображень у клінічній практиці. Основні положення дисертації апробовано на міжнародних і всеукраїнських науково-практичних конференціях. За результатами дослідження опубліковано 6 наукових праць, з яких 3 статті у фахових виданнях та 3 матеріали конференцій

Hryniuk I.O. Method and Software-Hardware Tool for Enhancing the Quality of Intrascopic Images under Conditions of Non-Uniform Illumination and Non- Stationary Degradations. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 163 – Biomedical Engineering. Ternopil Ivan Puluj National Technical University, Ternopil, 2026. The dissertation is devoted to solving an актуal scientific and practical problem in biomedical engineering, which consists in the development and scientific substantiation of an adaptive multicriteria spatial-frequency method and software tool for enhancing the quality of intrascopic images under conditions of non-uniform illumination and non-stationary degradations. Intrascopic systems operate under conditions of variable illumination, optical scattering in tissues, the presence of biological fluids, glare, and motion artifacts. Traditional image enhancement methods do not fully take into account the physical features of intrascopic signal formation, which may lead to the loss of anatomically significant structures or the appearance of artificial artifacts. In this regard, the development of specialized adaptive processing methods focused on preserving diagnostically important information is of considerable relevance. The relevance of the research topic is determined by the growing role of intrascopic methods in clinical practice and the need to ensure high diagnostic informativeness of images formed in a complex biological environment and affected by multiplicative illumination non-uniformity, additive-multiplicative noise, and optical distortions. Ensuring stable quality of intrascopic images using digital processing methods is particularly important, since software-based compensation of degradations makes it possible to improve image informativeness without changing the hardware configuration of the system. The aim of the research is to develop and scientifically substantiate a method and a software-hardware tool for enhancing the quality of intrascopic images under conditions of complex optical and noise distortions. The object of the research is the process of formation and processing of intrascopic images in medical diagnostic systems under conditions of non-uniform illumination and non-stationary degradations. The subject of the research is methods and software-hardware tools for enhancing the quality of intrascopic images based on adaptive spatial-frequency compensation of degradation distortions. The first chapter presents an analytical review of modern intrascopic diagnostic systems and methods for enhancing the quality of medical images. Physical degradation factors, including illumination non-uniformity, additive and additive-multiplicative noise components, optical distortions, and motion artifacts, are analyzed. The limitations of classical filtering methods are identified, and the necessity of a formalized multicriteria problem formulation is substantiated. The second chapter develops a mathematical model of intrascopic image formation that describes the interaction between the multiplicative illumination component and noise components. Based on this model, the image enhancement problem is formulated as a multicriteria optimization problem. An adaptive spatial- frequency method combining logarithmic illumination compensation and multiscale analysis with locally adaptive coefficient modification is developed. The robustness of the method to non-stationary degradations and its invariance to changes in image formation conditions are theoretically substantiated. The third chapter develops the algorithmic structure of the proposed method and implements a software module in the MATLAB environment, which provides the possibility of repeated verification of the obtained results and further integration of the developed module into medical diagnostic systems. The fourth chapter presents experimental studies of the effectiveness of the proposed method. A comparative analysis with classical processing methods is performed. According to the results of objective evaluation, improvements in structural similarity (SSIM), contrast (CNR), and robustness to noise degradations compared to classical digital image processing methods are established. Scientific novelty of the obtained results. The dissertation presents the following new scientific results: 1. An adaptive multicriteria spatial-frequency method for enhancing the quality of intrascopic images is proposed. Unlike existing approaches, the proposed method is based on a physically substantiated mathematical model of image formation and provides coordinated processing in spatial and frequency domains while taking into account local image characteristics. The proposed approach improves the informativeness of intrascopic images through coordinated compensation of local contrast and noise distortions. 2. For the first time, a multicriteria formulation of the problem of enhancing the quality of intrascopic images has been developed. Unlike existing approaches, it simultaneously considers the criteria of structural similarity, contrast, and edge preservation, which made it possible to achieve a balance between noise suppression and preservation of fine structural elements. 3. The approach to processing intrascopic images under conditions of non- uniform illumination and non-stationary noise has been improved. In contrast to existing methods, the proposed approach takes into account spatial illumination variability and uses adaptive normalization based on local statistical characteristics, which increases processing robustness and reduces the loss of fine structural details. 4. The mathematical model of intrascopic image formation has been improved. Unlike known models, it takes into account the multiplicative illumination component and the additive-multiplicative nature of noise, which made it possible to more adequately describe the process of image formation under real conditions of intrascopic diagnostics and improve the accuracy of further processing. 5. Methods for assessing the quality of intrascopic images have been further developed. Unlike existing approaches, they are supplemented by the integrated use of PSNR, SSIM, CNR metrics and ROC analysis with statistical significance testing of the obtained results, which increased the objectivity of evaluating the effectiveness of processing methods. The practical significance of the obtained results lies in the possibility of integrating the developed software module into existing intrascopic diagnostic systems without modification of their hardware components, which provides improved visualization of anatomical structures and increases the reliability of preliminary analysis of medical images in clinical practice. The main provisions of the dissertation were tested at international and national scientific and practical conferences. Based on the research results, 6 scientific publications were published, including 3 articles in professional scientific journals and 3 conference proceedings