BG2040U1

BG2040U1 - Apparatus for spectral diagnostics of skin tumor diseases

Info

Publication number: BG2040U1
Application number: BG002879U
Authority: BG
Inventors: Екатерина Борисова; Лъчезар Аврамов; Андрей Андреев
Original assignee: Екатерина Борисова; Лъчезар Аврамов; Андрей Андреев
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2015-04-30

Abstract

The apparatus is used in medicine for early diagnosis of skin tumor diseases by optical biopsy detection and analysis of changes in optical properties of tissues in the development of pathological processes. The apparatus works with several wavelengths of excitation, which receive data for fluorescent and spectral characteristics of reflecting a wider range of tumour formations with a high diagnostic accuracy. The apparatus includes PC (1) the containing block for processing and visualization (2), the control unit (3), connected via USB cable (4) with the USB connector (5) whose information outlets are connected to the USB spec information terminals (6). The optical input of the spectrometer (6) is connected to one end of the optical fibber optic light guide receptacle (11), and his user login-with starter button (12), as the user exits are associated with controlling inputs of the multiplexer (10) associated with the buzzer (13) and light sources (14), one of which airs in the wide part of the spectrum, and the rest in different narrow spectral areas for excitation of certain tissue fluorophores. Each of the light sources (14) is connected to one end of an optical private broadcast fibber optic emitting radiating (15), one end of which is connected mechanically in parallel with the second end of the foster fibber optic light guide (11) so that the tested surface coincides with the fibber wires-emitting radiating (15).

Description

Област на техникатаField of technology

Приборът намира приложение в медицината за ранна диагностика на кожни туморни заболявания.The device is used in medicine for early diagnosis of skin tumors.

Един от перспективните начини за ранна диагностика на туморните заболявания е чрез т.нар. оптична биопсия, която се основава на детекция и анализ на промените в оптичните характеристики на тъканите при развитие на патологични процеси. Използваните за целта устройства извършват оптично облъчване в определени спектрални области и в зависимост от анализа на оптичната реакция изработват съответна диагноза.One of the promising ways for early diagnosis of tumors is through the so-called. optical biopsy, which is based on the detection and analysis of changes in the optical characteristics of tissues during the development of pathological processes. The devices used for this purpose perform optical irradiation in certain spectral regions and, depending on the analysis of the optical reaction, make a corresponding diagnosis.

Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION

Известен е прибор за оптична биопсия /1/, включващ UV лазерен излъчвател, излъчвателен и приемен световод, спектрометър и персонален компютър (PC). Приборът дава диагностична информация за кожни туморни заболявания чрез детектиране на флуоресценцията на аминокиселините тирозин и триптофан в човешката кожа по метода на ендогенната флуоресцентна спектроскопия.An optical biopsy device (1) is known, including a UV laser emitter, an emitting and receiving light guide, a spectrometer and a personal computer (PC). The device provides diagnostic information for skin tumors by detecting the fluorescence of the amino acids tyrosine and tryptophan in human skin by endogenous fluorescence spectroscopy.

Недостатък на прибора е ограниченото приложение, тъй като могат да се детектират само изменения в спектъра на епидермиса на кожата, дължащо се на използването на UV дължина на вълната за възбуждане на флуоресцентния сигнал, която има ниска проникваща способност и е подходяща само за изследване на повърхностни кожни патологии (~ 100 microm), без да дава информация за техните размери и вид в дълбочината на тъканта. Самото използване на възбуждаща светлина в този спектрален диапазон не е оптимално от здравна гледна точка.The disadvantage of the device is the limited application, as only changes in the spectrum of the epidermis of the skin can be detected due to the use of UV wavelength to excite the fluorescent signal, which has a low penetrating power and is suitable only for the study of surface skin pathologies (~ 100 microm), without giving information about their size and type in the depth of the tissue. The use of excitation light in this spectral range alone is not optimal from a health point of view.

Известен е прибор за оптична биопсия /2/, включващ светодиоден излъчвател, CCD камера и PC. Действието на прибора се основава на детекгирането на екзогенна флуоресценция на немеланомни тумори и преканцерози, с помощта на фотосенсибилизатор, използван като контрастен флуоресциращ агент.An optical biopsy device (2) is known, including an LED emitter, a CCD camera and a PC. The operation of the device is based on the detection of exogenous fluorescence of non-melanoma tumors and precancerous lesions, using a photosensitizer used as a contrast fluorescent agent.

Недостатък на прибора е необходимостта от прилагане на допълнителен флуоресциращ маркер върху изследваната лезия за диагностициране на туморното образувание.A disadvantage of the device is the need to apply an additional fluorescent marker on the examined lesion to diagnose the tumor.

Известен е и прибор за оптична биопсия /3/, основан на разработен от Центъра за биомеди5 цинска фотоника към БАН метод за спектрална диагностика /4/, базиран на ендогенна флуоресцентна и отражателна спектроскопия с няколко дължини на вълната на възбуждане на флуоресцентния сигнал. Използват се характерни разлики в 10 спектрограмите на ендогенната флуоресценция и отразената светлина при нормалните и туморните клетки при възбуждане с определени дължини на вълната, като чрез подходяща математическа обработка може да се определи наличието и видът 15 на заболяването.An optical biopsy device (3) is also known, based on a method for spectral diagnostics (4) developed by the Center for Biomedical Photonics at the Bulgarian Academy of Sciences, based on endogenous fluorescence and reflection spectroscopy with several wavelengths of excitation of the fluorescent signal. Characteristic differences in the 10 spectrograms of endogenous fluorescence and reflected light in normal and tumor cells upon excitation with certain wavelengths are used, and the presence and type 15 of the disease can be determined by appropriate mathematical processing.

Предимство на прибора е, че работи с няколко дължини на вълната на възбуждане, което позволява да се получават данни за флуоресцентните и отражателните спектрални характеристики 20 на по-широк диапазон туморни образувания с висока диагностична точност. Не се изисква прилагане на допълнителни флуоресциращи агенти или предварителна обработка на изследваната кожна патология.The advantage of the device is that it works with several wavelengths of excitation, which allows to obtain data on the fluorescent and reflective spectral characteristics 20 of a wider range of tumors with high diagnostic accuracy. No additional fluorescent agents or pre-treatment of the studied skin pathology is required.

Приборът се състои от персонален компютър (PC), представляващ блок за обработка и визуализация, свързан по RS канал със спектрометър, оптичният вход на който е свързан с единия край на приемен оптичен световод, другият край на който 30 е свързан механически успоредно с единия край на излъчвателен световод така, че световодите да имат максимално съвпадащо си полезрение. Другият край на излъчвателния световод е свързан с някой от светодиодите, намиращи се в излъч3 5 вателен блок, един от които излъчва в широк спектрален диапазон (бяла светлина), а останалите - в различни тесни спектрални области за възбуждане на определени тъканни флуорофори. Излъчвателният блок съдържа и захранващ блок, свързан с 220 волтовата мрежа.The instrument consists of a personal computer (PC), a processing and visualization unit connected via an RS channel to a spectrometer, the optical input of which is connected to one end of a receiving optical fiber, the other end of which 30 is mechanically connected in parallel to one end. of a light guide so that the light guides have the same coincidental field of view. The other end of the light guide is connected to one of the LEDs located in the light block, one of which emits in a wide spectral range (white light), and the others - in different narrow spectral regions for excitation of certain tissue fluorophores. The transmitter unit also contains a power supply unit connected to the 220 volt network.

Действието на прибора следва метода на диагностика.The operation of the device follows the method of diagnosis.

Свободните краища на приемния и излъчвателния светодиод се куплират съответно с 45 оптичния вход на спектрометъра и един от светодиодите на измервателния блок. Насочва се общият край на световодите срещу здрав участък от кожата. Спектрометърът снема спектралната картина и по RS канал я предава в PC. Куплира се 50 свободният край на излъчващия световод съсThe free ends of the receiving and transmitting LEDs are coupled respectively to the 45 optical input of the spectrometer and one of the LEDs on the measuring unit. The common end of the light guides is directed against a healthy area of skin. The spectrometer takes the spectral picture and transmits it to the PC via RS channel. Couple 50 the free end of the emitting fiber with

2040 UI следващия светодиод и процедурата се повтаря за всеки от светодиодите. Насочва се общият край на световодите срещу предполагаемия тумор и цялата операция се повтаря. Получените резултати се обработват от PC с инсталиран специализиран 5 програмен пакет, извършващ мултиспектрален анализ. Методиката се основава на определяне на характеристични точки на спектралните линии и проследяване на динамиката на промяна на тяхната стойност, свързана с развитие на патологични 10 процеси. Обобщеният резултат дава прогнозна диагностична оценка за наличие на тумор, вида и фазата на развитието му.2040 UI the next LED and the procedure is repeated for each of the LEDs. The common end of the light guides is directed against the suspected tumor and the whole operation is repeated. The obtained results are processed by a PC with a specialized 5 software package installed, performing multispectral analysis. The methodology is based on determining the characteristic points of the spectral lines and tracking the dynamics of change of their value associated with the development of pathological processes. The summarized result gives a prognostic diagnostic assessment for the presence of a tumor, its type and stage of development.

Недостатък на прибора е невъзможността за постигане на предлаганата от метода точност, 15 д ължаща се на необходимостта от множество ръчни операции, при които могат да се променят условията на измерванията (напр. изместване на общия край на световодите спрямо изследваната област), при което се внасят допълнителни грешки в измерва- 20 нията.A disadvantage of the instrument is the impossibility to achieve the accuracy offered by the method, 15 due to the need for multiple manual operations in which the measurement conditions can be changed (eg displacement of the common end of the optical fibers relative to the studied area). introduce additional errors in the measurements.

Цел на настоящия полезен модел е да се предложи прибор, реализиращ описания метод, който има повишена точност на диагностициране, постигана чрез автоматизиране и ускоряване на 25 процеса на снемане на спектралните характеристики.The aim of the present utility model is to propose a device implementing the described method, which has increased diagnostic accuracy, achieved by automating and accelerating 25 processes of recording spectral characteristics.

Техническа същност на полезния моделTechnical essence of the utility model

Предложеният прибор за спектрална βθ диагностика на кожни туморни заболявания се състои от PC, съдържащ блок за обработка и визуализация, свързан с блок за управление на прибора, свързан посредством USB кабел с USB куплунг, чийто информационни изводи са свързани 3 5 с информационните USB изводи на спектрометър, а захранващите изводи на USB куплунга са свързани със захранващ блок. Изходът на захранващия блок е свързан с акумулаторна батерия и генератор на захранващо напрежение, изходът на 40 който е свързан със захранващите USB изводи на спектрометъра и със захранващите изводи на мултиплексор. Оптичният вход на спектрометъра е свързан с единия край на приемен оптичен световод, потребителският вход на спектрометъра 45 е свързан със стартов бутон, а потребителските изходи са свързани с управляващите входове на мултиплексора, изходите на който са свързани съответно със зумер и няколко светлинни източника (СД, ЯД), единият от които излъчва в широка част 50 от спектъра (бяла светлина), а останалите в различни тесни спектрални области за възбуждане на определени тьканни флуорофори. Всеки от светлинните източници е свързан оптически с единия край на собствен излъчвателен световод, вторият край на който е свързан механически успоредно с втория край на приемния световод така, че оптически свързаната с приемния световод изследвана повърхност да съвпада с осветяваната от излъчващите световоди. Всички елементи на прибора освен PC и USB кабела са разположени в единен корпус.The proposed device for spectral βθ diagnosis of skin tumors consists of a PC containing a processing and visualization unit connected to a control unit of the device connected via a USB cable with a USB connector, whose information terminals are connected 3 5 to the USB information terminals of spectrometer, and the power pins of the USB connector are connected to a power supply. The output of the power supply unit is connected to a rechargeable battery and a supply voltage generator, the output of 40 which is connected to the power supply USB terminals of the spectrometer and to the power supply terminals of the multiplexer. The optical input of the spectrometer is connected to one end of a receiving optical fiber, the user input of the spectrometer 45 is connected to a start button, and the user outputs are connected to the control inputs of the multiplexer, the outputs of which are connected to a buzzer and several light sources. , JAD), one of which emits in a wide part 50 of the spectrum (white light), and the others in different narrow spectral regions for excitation of certain tissue fluorophores. Each of the light sources is optically connected to one end of its own emitting fiber, the other end of which is mechanically connected in parallel with the other end of the receiving optical fiber so that the optically connected to the receiving optical fiber surface coincides with that illuminated by the emitting optical fibers. All elements of the device except the PC and the USB cable are located in a single housing.

Предимство на прибора е повишената точност на изработваната диагноза, дължаща се на автоматизираното и ускорено извършване на снемането на спектралните характеристики при еднакви условия. Друго предимство е преносимостта и независимостта от 220 волтова мрежа при използване на лаптоп като PC.The advantage of the device is the increased accuracy of the diagnosis, due to the automated and accelerated recording of the spectral characteristics under the same conditions. Another advantage is the portability and independence of the 220 volt network when using a laptop as a PC.

Пояснение на приложените фигуриExplanation of the attached figures

На фигура 1 е представена блок схема на предлагания прибор за спектрална диагностика на кожни туморни заболявания.Figure 1 shows a block diagram of the proposed device for spectral diagnosis of skin tumors.

На фигура 2 е представено взаимното разположение на вторите краища на световоди 11 и 15.Figure 2 shows the relative position of the second ends of the optical fibers 11 and 15.

На фигура 3 са представени флуоресцентни спектрограми на нормална кожа и различни лезии при възбуждане с дължина на вълната 385 nm.Figure 3 shows fluorescence spectrograms of normal skin and various lesions upon excitation with a wavelength of 385 nm.

На фигура 4 са представени отражателни спектрограми на нормална кожа и предракова лезия при осветяване с бяла светлина.Figure 4 shows reflective spectrograms of normal skin and a precancerous lesion under white light.

На фигура 5а, 56 и 5в са представени флуоресцентни спектрограми на спиноцелуларен карцином при възбуждане с различна дължина на вълната 366 nm, 385 nm и 405 nm.Figures 5a, 56 and 5b show fluorescent spectrograms of squamous cell carcinoma at excitation with different wavelengths of 366 nm, 385 nm and 405 nm.

Примерно изпълнение на полезния моделExemplary implementation of the utility model

Съгласно фигура 1 предложеният прибор за спектрална диагностика на кожни туморни заболявания се състои от PC 1, съдържащ блок за обработка и визуализация 2, свързан с блок за управление на прибора 3, свързан с посредством USB кабел 4 с USB куплунг 5, чийто информационни изводи са свързани с информационните USB изводи на спектрометър 6, а захранващите изводи на USB куплунга 5 са свързани със захранващ блок 7. Изходът на захранващия блок 7 е свързан с акумулаторна батерия 8 и генератор на от светодиодите 14. Излъчената от светодиода 14 възбуждаща светлина чрез световода 15 осветява избрания участък от кожата, предизвиквайки флуоресценция. Управляващият блок подава 5 команда към спектрометъра 6 за снемане спектралната картина на флуоресцентния и отразения сигнал (фиг. 3, 4, 5) и приемането й обратно по USB кабела 4, прехвърля получената информация в блока за обработка и визуализация 10 2, след което автоматично повтаря процедурата за останалите светлинни източници 14 и чрез подаване на команда за включване от мултиплексора 10 на зумера 13 подава звуков сигнал за завършена операция.According to Figure 1, the proposed device for spectral diagnosis of skin tumors consists of a PC 1 comprising a processing and visualization unit 2 connected to a control unit of the device 3 connected by a USB cable 4 with a USB connector 5, the information outputs of which are connected to the information USB pins of the spectrometer 6, and the power pins of the USB plug 5 are connected to the power supply unit 7. The output of the power supply unit 7 is connected to a battery 8 and a generator of LEDs 14. The excitation light emitted by the LED 14 illuminates the selected area of skin, causing fluorescence. The control unit gives 5 command to the spectrometer 6 to capture the spectral picture of the fluorescent and reflected signal (Fig. 3, 4, 5) and receive it back via the USB cable 4, transfers the received information to the processing and visualization unit 10 2, then automatically repeats the procedure for the remaining light sources 14 and by issuing a command to turn on from the multiplexer 10 of the buzzer 13 sends an audible signal for a completed operation.

Насочва се корпусът 16 с общия край на световодите 11 и 15 срещу предполагаемия тумор и цялата операция се повтаря, като в края на операцията натрупаната в блока за обработка и визуализация 2 информация се обработва по 20 определен алгоритъм, разработен за мултиспекгрален анализ. Методиката се основава на определяне на характеристични точки на спектралните линии и проследяване на динамиката на промяна на тяхната стойност, свързана с 25 развитие на патологични процеси. Обобщеният резултат дава оценка за наличие на тумор, вида и фазата на развитието му, представляваща прогнозна диагноза, която се визуализира.The housing 16 with the common end of the optical fibers 11 and 15 is directed against the suspected tumor and the whole operation is repeated, and at the end of the operation the information accumulated in the processing and visualization unit 2 is processed by a certain algorithm developed for multispectral analysis. The methodology is based on determining the characteristic points of the spectral lines and tracking the dynamics of change in their value associated with the development of pathological processes. The summary result provides an assessment of the presence of the tumor, the type and stage of its development, representing a prognostic diagnosis that is visualized.

Claims

A device for spectral diagnostics of skin tumor diseases, consisting of a personal computer containing a processing and visualization unit spectrometer, the optical input of which is connected to one end of a receiving optical fiber and several light sources of different wavelengths, characterized in that the personal computer (1) also contains a device control unit connected to the processing and visualization unit (2), and by means of a USB cable (4) with a USB connector (5), the information terminals of which are connected to the USB information terminals of the spectrometer (6), and the power terminals of the USB connector (5) are connected to the power supply unit (7), as the output of the power supply unit (7) is connected to a battery (8) and a power supply generator (9), the output of which is connected to the USB power terminals of the spectrometer (6) and to the power terminals of the multiplexer (10), at a supply voltage 9, the output of which is connected to the USB power terminals of the spectrometer 6 and with the power outputs of the multiplexer 10. The optical input of the spectrometer 6 is connected to one end of the receiving optical fiber 11, the user input of the spectrometer 6 is connected to the start button 12, and the user outputs are connected to the control inputs of the multiplexer 10. are connected respectively to a buzzer 13 and four LED light sources 14, one of which emits in a wide part of the spectrum (white light) and the others in different narrow spectral regions for excitation of certain tissue fluorophores. Each of the light sources 14 is optically connected to one end of its own radiating light guide 15, the second end of which is mechanically connected in parallel to the second end of the receiving light guide 11 so that the optically connected to the receiving light guide 11 surface coincides with the illuminated light. 15. All elements of the device except PC 1 and the USB cable 4 are located in one housing 16, ergonomically shaped like a pistol.

The operation of the device follows the method of diagnosis.

The USB cable 4 to PC 1 is connected. The power supply unit 5 receives 5V voltage from the USB cable 4, converts it to 3.2V and supplies it to the lithium-ion battery 8 and to the power supply generator 9, which supplies the spectrometer 6 and the multiplexer 10. In the inactive state the consumption of the spectrometer 6 and the multiplexer 10 is less 35 than the energy provided by the USB cable and the difference is used to charge the battery 8. In the active state the consumption of the spectrometer 6 and the multiplexer 10 with the LEDs 14 may exceed the supplied USB cable 4 power and 40 then the difference is covered by the battery 8.

The housing 16 with the common end of the optical fibers 11 and 15 is directed against a healthy area of skin and the start button 12 is pressed, the signal of which 45 is fed to the user input of the spectrometer 6, from where it is read via the USB cable 4 from the control unit 3. sends back via the USB cable 4 command to the spectrometer 6 for feeding to the multiplexer 10 combination to select the first 5 0

2040 UI in which the user input of the spectrometer (6) is connected to a start button (12) and the user outputs are connected to the control inputs of the multiplexer (10), the outputs of which are connected respectively to the buzzer (13) and the light sources (14) , one of which emits in a wide part of the spectrum (white light) and the others in different narrow spectral regions, each of the light sources (14) being optically connected to one end of its own radiating light guide (15), the other end of which is connected mechanically in parallel with the second end of the receiving optical fiber (11) so that the optically connected to the receiving optical fiber (11) surface under study coincides with that illuminated by the radiating optical fibers (15).

Device for spectral diagnostics of skin tumor diseases according to claim 1, characterized in that all elements of the device except the personal computer and the USB cable are located in a single housing.