ПРИБОР ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ Российский патент 2009 года по МПК A61B5/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение касается способа и устройства выявления, локализации и исследования различий в плотности, структуре и химическом составе биологической ткани.

Уровень техники

Среди известных решений были предложены различные способы обнаружения или выявления тканевых различий физиологического или гистологического характера, патологических или не патологических, в которых используют автофлуоресценцию тканей, содержащих эндогенные хромофоры, или флуоресценцию, вызванную вводимыми красителями или экзогенными хромофорами.

Так, была разработана картография в режиме реального времени флуоресценции живых тканей, основанная на принципе, согласно которому содержание хромофоров отличается в зависимости от того, является ли наблюдаемая область здоровой или пораженной.

Такой метод был использован для прямого наблюдения кариесных поражений на твердых тканях, таких как зубная эмаль, или на мягких тканях, таких как кожа или слизистая оболочка рта, или, с применением эндоскопии, внутриполостных слизистых грудной клетки или брюшной полости.

Были также предложены различные способы обнаружения и исследований тканевых различий, в которых ткани освещают монохроматическими лучами света определенной длины волны таким образом, чтобы получить обратное люминесцентное излучение другой длины волны.

Согласно этому принципу, например, сравнивая интенсивность света, излучаемого здоровой зоной зуба и зоной этого зуба, пораженной кариесом, путем соответствующих измерений на этих двух специфических длинах волны, в частности путем математической операции вычисления разности между значениями этой интенсивности, определяют наличие кариеса или выявляют тканевые различия, или поверхностные изменения, в зависимости от полученного значения.

Такой метод был также использован для обнаружения воспалительных процессов в поджелудочной железе in vivo на подопытных животных, у которых была выявлена существенная дифференциация между здоровыми тканями и пораженными тканями при сравнении спектров и значений соотношения интенсивности между синим и красным цветом.

В научно-технической литературе указаны также другие области применения, например, в случае выявления in vivo злокачественных опухолей трахеобронхиального дерева, где было отмечено, что автофлуоресценция бронхов изменяется, когда ткань переходит от стадии дисплазии к карциноматозной стадии. В этом случае отмечается, что поражения приводят к уменьшению флуоресценции в зеленом цвете в полосе 500 нм и к увеличению спектральной полосы красного цвета в полосе 600 нм.

Этот же принцип используют также в офтальмологии для определения степени прозрачности хрусталика, в котором фотоокисление протеинов может быть выявлено при помощи флуоресценции.

Для таких вариантов применения необходимы устройства, использующие обычные оптические средства, содержащие фильтры спектрального разделения.

Недостатком таких фильтров является потребность в наличии дорогостоящих, громоздких и хрупких устройств. Кроме того, для них требуется высокая интенсивность света, что может привести к возникновению паразитных флуоресцентных излучений, которые могут исказить соотношение сигнал/шум и помешать обнаружению полезного сигнала.

Изложение существа изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является разработка и создание способа и устройства, обеспечивающих обнаружение, локализацию и исследование структурных или других различий биологической ткани, при этом устройство имеет простую конструкцию, является недорогим и простым в использовании и позволяет избежать артефактов (ложных сигналов), связанных с непредвиденными воздействиями на поверхность ткани и искажающих измерения.

Поставленная задача согласно настоящему изобретению решена путем создания способа обнаружения и локализации различия в плотности и/или структуре и/или химическом составе биологической ткани, которую подвергают воздействию непрерывного светового излучения в первом заданном частотном диапазоне с возможностью создания явления флуоресценции, автофлуоресценции или люминесценции во втором частотном диапазоне, способ характеризуется тем, что содержит следующие этапы:

осуществляют считывание изображения освещенной таким образом ткани при помощи средств цветной видеосъемки, оборудованных датчиками сигналов изображения с пиксельной мозаикой, оборудованными дополнительными цветовыми фильтрами,

при этом для каждой точки полученного таким образом изображения

а) собирают информацию по энергии, полученной каждым пикселем, для воспроизведения изображения биологической ткани,

б) сигнал, соответствующий полученной энергии, усиливают во втором частотном диапазоне, чтобы исследовать или выявить на полученном изображении указанное различие биологической ткани.

В соответствии с настоящим изображением можно осуществить обработку собранных данных во втором частотном диапазоне, чтобы исследовать полученное структурное различие в цвете, отличном от цвета, естественно присущего этой второй полосе частот.

Объектом настоящего изобретения является также устройство для обнаружения и локализации различия в плотности и/или структуре и/или химическом составе биологической ткани, характеризующееся тем, что содержит

средства, выполненные с возможностью непрерывного освещения биологической ткани светом в первом заданном частотном диапазоне для создания явления флуоресценции во втором частотном диапазоне,

средства цветной видеосъемки, содержащие датчики сигнала изображения с мозаикой пикселей, содержащих дополнительные цветовые фильтры,

средства считывания и вычисления, выполненные с возможностью сбора информации по каждой точке полученного таким образом изображения, касающейся энергии, полученной каждый пикселем, для воспроизведения изображения биологической ткани,

средства усиления сигнала, соответствующего полученной энергии, во втором частотном диапазоне, для исследования или выявления указанного различия биологической ткани на полученном изображении.

Это устройство может также содержать средства обработки полученной информации во втором частотном диапазоне для исследования выявленного структурного различия в цвете, отличающемся от цвета, естественным образом соответствующего этой второй полосе частот.

Объектом настоящего изобретения является также способ обнаружения и локализации различия в плотности и/или структуре и/или химическом составе биологической ткани, которую подвергают воздействию непрерывного светового излучения в первом заданном частотном диапазоне с возможностью получения явления флуоресценции, автофлуоресценции или люминесценции во втором частотном диапазоне, характеризующийся тем, что содержит следующие этапы:

осуществляют считывание изображения освещенной таким образом ткани при помощи средств считывания изображения, содержащих монохроматические датчики изображений, а именно датчик яркости и, по меньшей мере, один датчик, оборудованный цветовым фильтром для цвета, соответствующего цвету флуоресценции, излучаемой во время обнаружения исследуемого различия,

при этом для каждой точки полученного таким образом изображения

а) собирают информацию по энергии, полученной каждым пикселем, для воспроизведения изображения биологической ткани,

б) сигнал, соответствующий полученной энергии, усиливают во втором частотном диапазоне, чтобы исследовать или выявить на полученном изображении указанное различие биологической ткани.

Объектом настоящего изобретения является также устройство для обнаружения и локализации различия в плотности и/или структуре и/или химическом составе биологической ткани, характеризующееся тем, что содержит

средства, выполненные с возможностью непрерывного освещения биологической ткани светом в первом заданном частотном диапазоне для получения явления флуоресценции во втором частотном диапазоне,

средства считывания изображений, содержащие монохроматические датчики изображения, а именно датчик яркости и, по меньшей мере, один датчик, оборудованный цветовым фильтром для цвета, соответствующего цвету флуоресценции, излучаемой во время обнаружения исследуемого различия,

средства считывания и вычисления, выполненные с возможностью сбора информации по каждой точке полученного таким образом изображения, касающейся энергии, полученной каждый пикселем, для воспроизведения изображения биологической ткани,

средства усиления сигнала, соответствующего полученной энергии, во втором частотном диапазоне, для исследования или выявления указанного различия биологической ткани на полученном изображении.

Настоящее изобретение характеризуется также тем, что в отличие от известных устройств в нем не используют монохроматический источник света, что позволяет ему, с одной стороны, использовать большую часть энергии, подаваемой световым источником, и, с другой стороны, используя полосу излучений, находящуюся в видимой области, выдавать изображение исследуемых тканей (в области стоматологии - изображение зуба, в других областях - изображение слизистой оболочки, кожи, глаза и т.д.).

В варианте осуществления настоящего изобретения и, например, в случае исследования твердой ткани, такой как зубная эмаль, где второй частотный диапазон сконцентрирован на основном цвете (в упомянутом примере таким цветом является красный), CCD-датчики средств цветной видеосъемки на уровне каждого из своих пикселей будут содержать фильтры, цвет которых предпочтительно будет одним из дополнительных цветов, а именно желтым, пурпурным и голубым. Преимуществом использования таких дополнительных фильтров является то, что, с одной стороны, область реагирования этих фильтров и, следовательно, чувствительность датчиков больше, чем для основных цветов, и, с другой стороны, это позволяет воздействовать на два сигнала, то есть на сигналы основных цветов, связанные с каждым из дополнительных цветов, вместо того, чтобы воздействовать только на один сигнал, а именно на сигнал, связанный с каждым из основных цветов, что обеспечивает лучшее управление фильтрованием.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительного варианта выполнения, представленного в качестве неограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает схему прибора обнаружения, локализации и исследования структурного различия биологической ткани, согласно изобретению;

Фиг. 2 - диаграмму областей длин волн, используемых в приборе для клинических исследований в области стоматологии, согласно изобретению.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит ксеноновую лампу 1 (фиг. 1), питание которой осуществляется от генератора 3 тока. Немонохроматический свет, излучаемый лампой 1, фильтруется на выходе лампы фильтром 4, позволяющим сохранять на выходе полосу излучений от ультрафиолетового до ближайшего видимого. Эти световые излучения проходят через волновод 5 и непрерывно освещают биологическую ткань, в данном случае зуб 7 пациента. Через волновод 5 проходит центральный продольный канал с осью хх', через который цветная видеокамера 11 может снимать зуб 7.

Камера 11 соединена со средствами 13 обработки сигналов, соединенными, в свою очередь, со средствами 15 воспроизведения видеоизображения.

В данном варианте осуществления фильтр 4 выполнен с возможностью пропускания диапазона длин волн около 370 нм, при этом часть этого частотного диапазона содержит часть А (фиг.2), находящуюся в видимой области спектра.

Как известно, под действием этого освещения минеральная составляющая зуба, то есть его эмаль, испускает флуоресцентное излучение, находящееся в области зеленого и синего цветов.

Кроме того, было отмечено, что части зубной эмали, в которых началось частичное изменение в результате кариеса, испускают флуоресцентное излучение в области 650 нм, то есть на уровне красного излучения.

Согласно изобретению при помощи цветной видеокамеры 11 было записано изображение, являющееся результирующей нескольких спектральных полос:

изображение зуба, полученное в результате его освещения видимой частью спектра освещения;

изображение зуба, полученное в результате флуоресценции его эмали, возникающей при его освещении в ультрафиолетовой области спектра освещения;

флуоресцентное изображение в области красного цвета, то есть примерно 650 нм, исходящее от измененных участков зубной эмали, пораженных кариесом.

Согласно изобретению осуществляют усиление флуоресцентного сигнала, генерируемого в красном цвете (около 650 нм) пораженными участками зуба. Для этого пиксели CCD-датчиков предпочтительно содержат фильтры дополнительных цветов, т.е. желтого, пурпурного и голубого, к которым добавляют зеленый фильтр. В этих условиях понятно, что пиксель, содержащий, например, желтый цвет, будет пропускать красное излучение и зеленое излучение, если этот пиксель получает световую энергию. Как только пиксель получит световую энергию, следует определить, является ли энергия красным излучением, и если это так, то необходимо ее усилить, или наоборот, если речь идет о зеленом излучении, то ее не усиливают. Для этого проверяют соседний пиксель, содержащий зеленый фильтр, и если он оказывается насыщенным, то это значит, что излучение в основном является зеленым и, следовательно, нет красного излучения, которое необходимо усилить для этого пикселя. В противном случае речь идет о красном свете, что повлечет за собой усиление.

Таким образом переходят от одного ближайшего пикселя к другому для всех пикселей CCD-датчика. Этот операционный метод дает в результате на мониторе 15 воспроизведение изображения зуба, полученного путем его освещения видимым светом и от флуоресценции эмали, получаемой в области длин волн «синий/зеленый», а также наложенного на него изображения красного цвета, соответствующего обнаруженному кариесу.

Разумеется, что в соответствии с настоящим изобретением можно впоследствии преобразовать обнаруженное красное изображение в воспроизводимое изображение любого другого, более подходящего цвета.

Для облегчения обнаружения пораженного участка зуба изобретение позволяет также устранить на мониторе паразитные флуоресценции соседних цветов, порождаемые другими факторами, в частности, такими как зубной камень, зубной налет или амальгама, оставшаяся после пломбирования, или любой другой биологический элемент, используемый для диагностирования.

Таким образом, экспериментальным путем было установлено, что добавляя к спектру освещения излучения, находящиеся в области длины волны порядка 400 нм, можно изменять полученный спектр флуоресценции, отделяя полосу флуоресценции от паразитных флуоресценций.

Разумеется, что путем изменения спектра излучения можно устранить другие паразитные флуоресцентные явления, которые могут исказить измерения и которые возникают вследствие присутствия зубного налета на эмали зуба.

В соответствии с настоящим изобретением можно также использовать монохроматические датчики изображения, в частности CCD-датчики. В этом случае средства считывания изображений могут содержать первый датчик яркости и датчик, оборудованный цветовым фильтром, соответствующим цвету флуоресценции, излучаемой во время выявления исследуемого различия. Например, в случае исследования кариеса фильтр будет иметь цвет, пропускающий излучение 650 нм, а в случае исследования тканей на стадии дисплазии или на карциноматозной стадии он должен иметь цвет, пропускающий излучение 500 нм. Само собой разумеется, что в этом случае устройство в соответствии с настоящим изобретением сможет обнаруживать аномалии только одного типа. Можно, конечно, предусмотреть и другие монохроматические датчики, содержащие другие фильтры, каждый из которых предназначен для дополнительного варианта применения.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения камера 11 может содержать средства, позволяющие ей работать либо в режиме обнаружения флуоресценции, либо в режиме отображения наблюдаемой зоны в виде обычного видеоизображения. Для этого объектив должен быть оборудован соответствующим фильтром для ослабления излучаемого света. Ручка камеры будет содержать переключатель, позволяющий использовать фильтр в режиме обнаружения флуоресценции или отключать его для получения обычного видеоизображения. В режиме обнаружения флуоресценции можно также устанавливать перед объективом цветной фильтр для повышения контрастности.

Несмотря на то, что осуществление настоящего изобретения было в основном описано в связи с применением в области стоматологии, его можно также применять для обнаружения и локализации других тканевых поражений, например поражений бронхиальной слизистой оболочки, автофлуоресценция которой в области зеленого цвета (около 500 нм) уменьшается, а автофлуоресценция в красном цвете увеличивается в области около 600 нм.

Точно так же, кроме CCD-датчиков можно использовать другие датчики, в частности CMOS-датчики.

Можно также производить обнаружение и локализацию поражений тканей, таких как ткани поджелудочной железы, которые при освещении в полосе частот, сконцентрированной вокруг излучения длиной волны 400 нм, способствуют существенному увеличению флуоресценции в красном цвете (630 нм).

Настоящее изобретение касается способа обнаружения и локализации различия в плотности и/или структуре и/или химическом составе биологической ткани, которую подвергают воздействию непрерывного светового излучения в первом заданном частотном диапазоне с возможностью получения явления флуоресценции, автофлуоресценции или люминесценции во втором частотном диапазоне. Способ характеризуется тем, что осуществляют считывание изображения освещенной ткани при помощи средств цветной видеосъемки, оборудованных датчиками сигналов изображения с мозаикой пикселей, содержащих дополнительные цветовые фильтры. При этом для каждой точки полученного таким образом изображения собирают информацию по энергии, полученной каждым пикселем, для воспроизведения изображения биологической ткани, а сигнал, соответствующий полученной энергии, усиливают во втором частотном диапазоне, чтобы исследовать или выявить на полученном изображении указанное различие биологической ткани. Приведены средства для осуществления данного способа и его варианта с монохроматическими датчиками изображения. Изобретение имеет простую конструкцию, недорого и позволяет избежать артефактов, искажающих измерения. 4 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ обнаружения и локализации различия в плотности и/или структуре и/или химическом составе биологической ткани, которую подвергают воздействию непрерывного светового излучения в первом заданном частотном диапазоне с возможностью получения явления флуоресценции, автофлуоресценции или люминесценции во втором частотном диапазоне, заключающийся в том, что
осуществляют считывание изображения освещенной ткани при помощи средств цветной видеосъемки, оборудованных датчиками сигналов изображения с мозаикой пикселей, содержащих дополнительные цветовые фильтры,
при этом для каждой точки полученного изображения
а) собирают информацию по световой энергии, полученной каждым пикселем, для воспроизведения изображения биологической ткани,
б) усиливают сигнал, соответствующий полученной световой энергии, во втором частотном диапазоне, чтобы исследовать или выявить на полученном изображении указанное различие биологической ткани.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют обработку собранных данных во втором частотном диапазоне, чтобы исследовать структурное различие в цвете, отличном от цвета, естественно присущего полосе частот второго частотного диапазона.

3. Способ по любому из п.1 или 2, отличающийся тем, что к полосе частот спектра освещения добавляют излучение, позволяющее изменить спектр флуоресценции для отделения полосы флуоресценции от паразитных флуоресценции.

4. Устройство для обнаружения и локализации различия в плотности, и/или структуре и/или химическом составе биологической ткани, отличающееся тем, что содержит
средства, выполненные с возможностью непрерывного освещения биологической ткани светом в первом заданном частотном диапазоне для получения явления флуоресценции во втором частотном диапазоне, средства цветной видеосъемки, содержащие датчики сигнала изображения с мозаикой пикселей, содержащих дополнительные цветовые фильтры, средства считывания и вычисления, выполненные с возможностью сбора информации по световой энергии по каждой точке полученного таким образом изображения, полученной каждый пикселем, для воспроизведения изображения биологической ткани,
средства усиления сигнала, соответствующего полученной световой энергии, во втором частотном диапазоне, для исследования или выявления указанного различия биологической ткани на полученном изображении.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что содержит средство обработки полученной информации во втором частотном диапазоне для исследования выявленного структурного различия в цвете, отличающемся от цвета, естественным образом соответствующего этой второй полосе частот.

6. Способ обнаружения и локализации различия в плотности и/или структуре и/или химическом составе биологической ткани, которую подвергают воздействию непрерывного светового излучения в первом заданном частотном диапазоне с возможностью получения явления флуоресценции, автофлуоресценции или люминесценции во втором частотном диапазоне, заключающийся в том, что
осуществляют считывание изображения освещенной ткани при помощи средств считывания изображений, содержащих монохроматические датчики изображения, в частности, датчик яркости и, по меньшей мере, один датчик, оборудованный цветовым фильтром, для получения цвета, соответствующего цвету флуоресценции, излучаемой во время обнаружения исследуемого различия, при этом для каждой точки полученного изображения
а) собирают информацию по световой энергии, полученной каждым пикселем, для воспроизведения изображения биологической ткани,
б) усиливают сигнал, соответствующий полученной световой энергии, во втором, частотном диапазоне, чтобы исследовать или выявить на полученном изображении указанное различие биологической ткани.

7. Устройство для обнаружения и локализации различия в плотности, и/или структуре и/или химическом составе биологической ткани, отличающееся тем, что содержит
средства, выполненные с возможностью непрерывного освещения биологической ткани светом в первом заданном частотном диапазоне для получения явления флуоресценции во втором частотном диапазоне, средства считывания изображений, содержащие монохроматические датчики изображения, в частности, датчик яркости и, по меньшей мере, один датчик, оборудованный цветовым фильтром для цвета, соответствующего цвету флуоресценции, излучаемой во время обнаружения исследуемого различия,
средства считывания и вычисления, выполненные с возможностью сбора информации по световой энергии по каждой точке полученного таким образом изображения, касающейся энергии, полученной каждый пикселем, для воспроизведения изображения биологической ткани, средства усиления сигнала, соответствующего полученной световой энергии, во втором частотном диапазоне, для исследования или выявления указанного различия биологической ткани на полученном изображении.