ES2345490T3 - Aparato de deteccion y de caracterizacion de los tejidos biologicos. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de detección y de localización de la diferencia de densidad y/o de estructura y/o de composición química de un tejido biológico (7) que se somete a una iluminación continua en una primera banda de frecuencias determinada, apropiada para generar un fenómeno de fluorescencia, de autofluorescencia, o de luminiscencia en una segunda banda de frecuencias, caracterizado porque comprende las etapas que consisten en: - efectuar una adquisición de imagen del tejido biológico iluminado de esta forma, mediante unos medios de vídeo en color provistos de unos sensores de imágenes con un mosaico de píxeles provistos de filtros de colores complementarios, teniendo estos filtros un campo de reacción más amplio que el de los colores fundamentales, - para cada punto de la imagen obtenida de esta forma: a) recoger una información en relación con la energía recibida por cada píxel, de manera que se reconstituya la imagen del tejido biológico (7), b) amplificar la señal correspondiente a la energía recibida en la segunda banda de frecuencias para caracterizar, o hacer aparecer sobre la imagen obtenida, dicha diferencia del tejido biológico (7), realizándose esta amplificación de la señal correspondiente a la energía recibida en la segunda banda de frecuencias progresivamente para el conjunto de los píxeles del sensor de imagen actuando sobre las dos señales de colores complementarios asociados a cada uno de los colores fundamentales.
Description
Aparato de detección y de caracterización de los
tejidos biológicos.
La presente invención se refiere a un
procedimiento y a un dispositivo de detección, de localización, y de
caracterización de las diferencias de densidad, de estructura o de
composición química de un tejido biológico.
En el estado de la técnica anterior, se han
propuesto diversos procedimientos de detección, o de demostración,
de diferencias tisulares, de origen fisiológico, o histológico,
patológicas o no, que utilizan la autofluorescencia de los tejidos
que contienen unos cromóforos endógenos o la fluorescencia provocada
por unos colorantes administrados o cromóforos exógenos.
Se ha podido realizar así una cartografía en
tiempo real de la fluorescencia de los tejidos vivos, basándose en
el principio según el cual: el contenido en cromóforos es diferente
según que la zona observada esté sana o lesionada.
Así, se ha utilizado un método de este tipo para
la observación directa de las lesiones cariosas en tejidos duros
tales como el esmalte de los dientes, o en tejidos blandos tales
como la piel o la mucosa bucal, o, por vía endoscópica, en las
mucosas endocavitarias torácicas o abdominales.
También se han propuesto diversos procedimientos
de detección y de caracterización de diferencias tisulares, en los
que se iluminan unos tejidos mediante una luz monocromática de una
longitud de onda determinada, de tal manera que ésta emita en
retorno unas radiaciones por luminiscencia a una longitud de onda
diferente.
Según este principio y a título de ejemplo
comparando la intensidad de la luminiscencia emitida por una zona
sana de un diente y una zona cariada de éste, se determina, mediante
unas mediciones respectivas en estas dos longitudes de onda
específicas, en particular mediante una operación matemática,
calculando la diferencia entre estas dos intensidades, la presencia
de una caries o la puesta en evidencia de una diferenciación tisular
o una alteración de superficie, en función del valor obtenido.
También se ha utilizado un método de este tipo
para la detección de procesos inflamatorios del páncreas in
vivo sobre unos modelos animales en los que se ha obtenido una
discriminación tisular significativa entre tejidos sanos y tejidos
lesionados comparando los espectros y las relaciones de intensidad
entre el azul y el rojo.
El documento US 2001/0049473 describe un método
y un sistema para detectar y localizar una diferencia de composición
de un tejido biológico sometido a una iluminación continua en una
primera banda de frecuencia capaz de producir un fenómeno de
fluorescencia, autofluorescencia o luminiscencia del tejido. Para la
adquisición de una imagen de fluorescencia, este documento utiliza
unas imágenes almacenadas adquiridas con por lo menos tres píxeles
diferentes de colores complementarios de manera que se aumenta la
sensibilidad de detección de la fluorescencia de una manera
conocida por el experto en la materia.
Para alcanzar su objetivo, este documento
utiliza la diferencia de fluorescencia extrínseca e intrínseca entre
tejido normal y tejido enfermo. En efecto, la fluorescencia
intrínseca es menos importante para las zonas enfermas que para las
zonas normales y, a la inversa, la fluorescencia extrínseca es más
importante en las zonas enfermas que en las zonas normales.
Para hacer visible esta diferencia, este
documento propone comparar la fluorescencia observada en una banda
de frecuencia particular con la fluorescencia total que se evalúa
independientemente. Así, este documento propone adquirir dos
imágenes: una imagen ordinaria y una imagen de fluorescencia como
entidades distintas y compararlas con el fin de apreciar la
diferencia en las bandas espectrales de las fluorescencias
intrínsecas y extrínsecas. Se trata de un procedimiento complejo
que trata dos imágenes adquiridas independientemente.
Se encuentran asimismo en la bibliografía otras
aplicaciones, en particular en el caso de la detección in
vivo de cánceres del árbol traqueo-bronquial, en
el que se ha constatado que la autofluorescencia de los bronquios
se modifica cuando el tejido pasa de un estado displásico a un
estado carcinomatoso. En este caso, se ha constatado que las
lesiones provocaban una disminución de la fluorescencia en el verde
alrededor de los 500 nm y un aumento en la banda de espectro del
rojo alrededor de los 600 nm.
También se ha utilizado este mismo principio en
oftalmología para valorar el grado de transparencia del cristalino
cuyas proteínas foto-oxidadas se pueden poner en
evidencia mediante florescencia.
Este tipo de aplicaciones recurren a unos
dispositivos que utilizan unos medios ópticos convencionales que
utilizan unos filtros de separación espectral.
En particular el documento US nº 6.393.315
describe un aparato para detectar y localizar unas zonas inflamadas
del tejido vivo utilizando la fluorescencia de estos tejidos. Se
obtiene una imagen de fluorescencia utilizando tres imágenes de
fluorescencia adquiridas cada una para una de tres bandas
espectrales que corresponden a las bandas de fluorescencia de los
diferentes tipos de tejidos. A continuación, se propone normalizar
las señales de fluorescencia en las tres bandas espectrales entre
sí o con unas señales recibidas en otras bandas espectrales de tal
manera que se hagan aparecer estas señales juntas con un máximo de
contraste de color en la imagen final. Con el objetivo de obtener
una imagen combinada de este tipo, se ha utilizado un conjunto de
filtros pasa banda adaptado a la selección de fluorescencias de los
cromóforos en cuestión.
Dichos filtros adolecen del inconveniente de
necesitar unos dispositivos costosos, voluminosos y frágiles. La
intensidad de la luz debe ser por otra parte importante, lo que
puede provocar unas emisiones de fluorescencia parásitas
susceptibles de deteriorar la relación señal/ruido y enmascarar la
detección de la señal pertinente.
La presente invención tiene por objetivo
proponer un procedimiento y un dispositivo que permitan asegurar la
detección, la localización, y la caracterización de diferencias de
estructura, u otros, de un tejido biológico, siendo este
dispositivo de constitución simple, de bajo coste, fácil de
realizar, y capaz de eliminar los diferentes artefactos unidos a
los diversos imprevistos susceptibles de actuar sobre la superficie
del tejido y susceptibles de perturbar la medición.
Así, la presente invención tiene por objeto un
procedimiento de detección y de localización de la diferencia de
densidad y/o de estructura y/o de composición química de un tejido
biológico que es sometido a una iluminación continua en una primera
banda de frecuencias determinada, apropiada para generar un fenómeno
de fluorescencia, de autofluorescencia, o de luminiscencia en una
segunda banda de frecuencias, caracterizado porque comprende las
etapas que consisten en:
- efectuar una adquisición de imagen del tejido
biológico iluminado de esta forma, mediante unos medios de vídeo en
color provistos de unos sensores de imágenes con un mosaico de
píxeles provistos de filtros de colores complementarios,
- para cada punto de la imagen obtenida de esta
forma:
a) recoger una información en relación con la
energía recibida por cada píxel, de manera que se reconstituya la
imagen del tejido biológico,
b) amplificar la señal correspondiente a la
energía recibida en la segunda banda de frecuencias para
caracterizar de esta forma, o hacer aparecer sobre la imagen
obtenida, dicha diferencia del tejido biológico.
Según la invención, se podrá realizar un
tratamiento de las informaciones recogidas en la segunda banda de
frecuencias, de manera que se caracteriza la diferencia de
estructura obtenida en un color distinto que el correspondiente
naturalmente a esta segunda zona de frecuencias.
La presente invención tiene asimismo por objeto
un dispositivo de detección y de localización de la diferencia de
densidad y/o de estructura y/o de composición química de un tejido
biológico, caracterizado porque comprende:
- unos medios apropiados para iluminar en
continuo el tejido biológico con una luz que se sitúa en una primera
banda de frecuencias determinada, de manera que genera un fenómeno
de fluorescencia en una segunda banda de frecuencias,
- unos medios de vídeo en color provistos de
sensores de imágenes con un mosaico de píxeles provistos de filtros
de colores complementarios,
- unos medios de adquisición y de cálculo
apropiados, para cada punto de la imagen obtenida de esta forma,
para recoger una información en relación con la energía recibida por
cada píxel, para reconstituir de esta forma la imagen del tejido
biológico,
- unos medios de amplificación de la señal
correspondiente a la energía recibida en la segunda banda de
frecuencias de manera que se caracteriza, o se hace aparecer sobre
la imagen obtenida, dicha diferencia del tejido biológico.
Este dispositivo podrá comprender asimismo unos
medios de tratamiento de las informaciones recogidas en la segunda
banda de frecuencias, de manera que se caracteriza la diferencia de
estructura obtenida en un color distinto al correspondiente
naturalmente a esta segunda zona de frecuencias.
La presente invención es particularmente
interesante porque, contrariamente a los dispositivos de la técnica
anterior, no recurre a una fuente de luz monocromática, lo que le
permite por una parte utilizar una mayor parte de la energía
suministrada por la fuente luminosa y, por otra parte, utilizando
una banda de radiaciones que se sitúa en el dominio de lo visible,
suministrar una imagen de los tejidos estudiados (en el campo dental
una imagen del diente o, en otros campos, la imagen de una mucosa,
de la piel, de un ojo, etc.).
En un modo de realización de la invención, y en
el caso por ejemplo de la observación de un tejido duro tal como el
esmalte de un diente, en el que la segunda banda de frecuencias se
centra en un color fundamental (en el ejemplo mencionado el rojo),
los sensores CCD de los medios de vídeo en color estarán provistos,
a nivel de cada uno de los píxeles, de filtros cuyo color será
preferentemente uno de los colores complementarios a saber, el
amarillo, el magenta y el cian. La utilización de dichos filtros
complementarios es interesante porque por una parte el campo de
reacción de estos filtros, y por lo tanto la sensibilidad de los
sensores, es más amplia que la de los colores fundamentales y, por
lo tanto la sensibilidad de los sensores, es mayor que la de los
colores fundamentales, y por otra parte, es posible actuar así sobre
dos señales, a saber las de los colores complementarios asociados a
cada uno de los colores fundamentales en vez de actuar únicamente
sobre una sola señal, a saber la asociada a los colores
fundamentales, lo que permite asegurar una mejor gestión de los
filtrados realizados.
A continuación se describirá, a título de
ejemplo no imitativo, una forma de realización de la presente
invención, haciendo referencia al dibujo adjunto, en el que:
La figura 1 es una vista esquemática de un
aparato de detección, de localización y de caracterización de la
diferencia de estructura de un tejido biológico según la
invención.
La figura 2 es una vista esquemática que muestra
los dominios de las longitudes de onda a las que se recurre en el
caso de una aplicación clínica del campo dental según la presente
invención.
El dispositivo según la invención que está
representado en la figura 1 está constituido por una lámpara de
xenón 1 que es alimentada por un generador de corriente 3. La luz
que no es monocromática emitida por la lámpara 1 es filtrada a la
salida de la lámpara por un filtro 4 que permite conservar a la
salida una banda de radiaciones que se extiende del ultravioleta
hasta el visible cercano. Estas radiaciones luminosas atraviesan un
tubo guíaondas 5 e iluminan en continuo un tejido biológico, en
este caso constituido por un diente 7 de un paciente. El tubo
guíaondas 5 es atravesado por un canal central y longitudinal de eje
xx' a través del cual una cámara de toma de vistas vídeo en color
11 es capaz de filmar el diente 7.
La cámara 11 está conectada a unos medios de
tratamiento de las señales 13 conectados a su vez a unos medios de
visualización de vídeo 15.
El filtro 4 es, en el presente modo de
realización, apropiado para dejar pasar una banda de longitudes de
onda centrada alrededor de 370 nm, comprendiendo una parte de esta
banda de frecuencias, como se ha representado en la figura 2, una
parte A situada en el dominio visible.
Es sabido que bajo el efecto de esta
iluminación, el constituyente mineral del diente, a saber el esmalte
de éste, produce una radiación de fluorescencia situada en el
dominio del verde y del azul.
Por otra parte, se ha constatado que las partes
del esmalte del diente que han sufrido un inicio de alteración
parcial debido a una caries, emiten una radiación de fluorescencia
en el dominio de 650 nm, dicho de otra forma, a nivel de las
radiaciones rojas.
Según la invención, se registra con ayuda de la
cámara de vídeo en color 11 una imagen que es la resultante de
varias bandas espectrales, a saber:
- una imagen del diente resultante de la
iluminación producida sobre éste por la parte visible del espectro
de iluminación,
- una imagen del diente procedente de la
fluorescencia del esmalte de éste generada por su iluminación en el
dominio del ultravioleta producido por el espectro de
iluminación,
- una imagen de fluorescencia (en el dominio del
rojo, o sea alrededor de 650 nm) emitida por las zonas alteradas
del esmalte del diente debido a una caries.
Según la invención, se realiza una amplificación
de la señal de fluorescencia generada en el rojo (alrededor de 650
nm) por las partes alteradas del diente. Para ello, los píxeles de
los sensores CCD están equipados preferentemente con filtros de
colores complementarios, a saber amarillo, magenta y cian a los que
se añade un filtro verde. Se comprende que en estas condiciones un
píxel provisto por ejemplo de un filtro amarillo dejará pasar las
radiaciones rojas y las radiaciones verdes si dicho píxel recibe una
energía luminosa. Desde el momento en que este píxel reciba una
energía luminosa, será conveniente determinar si ésta es una
radiación roja, en cuyo caso será conveniente amplificarla, o si
por el contrario, se trata de una radiación verde, en cuyo caso no
será amplificada. Para ello, se consulta el píxel vecino que
comprende un filtro verde y si éste está saturado, implicaría que
la radiación es verde en su totalidad y que por lo tanto no hay
radiación roja que amplificar para este píxel. En el caso inverso,
se tratará del rojo, lo que provocará una amplificación.
Se procederá así progresivamente para el
conjunto de los píxeles del sensor CCD. Un modo de funcionamiento
de este tipo se traducirá por la visualización sobre la pantalla de
vídeo 15 de una parte de la imagen del diente (procedente, como se
ha indicado anteriormente, de una parte de su iluminación con luz
visible y por otra parte de la fluorescencia del esmalte producida
en el dominio de las longitudes de onda azul/verde), y por otra
parte, y superpuesta a éstas, de la imagen, de color rojo de la
caries detectada.
Evidentemente, sería posible según la invención,
si es necesario, transformar posteriormente la radiación roja
detectada en unas radiaciones de visualización de cualquier otro
color más apropiado.
La presente invención permite asimismo, con el
fin de facilitar la detección de la zona alterada del diente,
eliminar de la visualización fluorescencias parásitas de colores
cercanos provocadas por otros parámetros tales como el sarro, la
placa dental, o unas amalgamas resultado de tratamientos anteriores,
o cualquier otro elemento biológico útil para el diagnóstico
buscado.
Así, se ha constatado experimentalmente que,
añadiendo al espectro de iluminación unas radiaciones situadas en
un dominio de longitud de onda del orden de 400 nm, se modificaba el
espectro de florescencia producido desplazando la banda de
fluorescencia de las fluorescencias parásitas.
Evidentemente, mediante una modificación del
espectro de emisión, se podrían eliminar otros fenómenos de
fluorescencia parásitos susceptibles de perturbar la medición y que
se deberían a la presencia sobre el esmalte de sarro, o de placa
dental.
Según la invención, se podría recurrir asimismo
a unos sensores de imagen monocromos, en particular de tipo CCD.
Los medios de adquisición de imagen estarían entonces constituidos
por una parte por un primer sensor de luminancia y por otra parte,
por un sensor provisto de un filtro del color correspondiente al de
la fluorescencia emitida durante la detección de la diferencia
buscada. Por ejemplo en el caso de la búsqueda de una caries este
filtro tendrá un color que dejará pasar una radiación de 650 nm y en
el caso de la búsqueda de tejidos displásicos o carcinomatosos
tendrá un color que dejará pasar una radiación de 500 nm.
Evidentemente, el dispositivo según la invención solo podrá
detectar entonces anomalías de un solo tipo. Evidentemente sería
posible prever entonces otros sensores monocromos equipados con
otros filtros que permitan cada uno acceder a una aplicación
suplementaria.
En un modo de realización particular de la
invención, la cámara 11 podrá estar provista de medios que le
permitan funcionar o bien en detección de fluorescencia, o bien en
visualización de la zona observada en imagen de vídeo convencional.
Para ello, el objetivo estará provisto de un filtro que corresponda
a una atenuación de la luz emitida. La pieza de mano de la cámara
estará provista de un conmutador que permita utilizar el filtro
dedicado cuando se esté en fluorescencia o desactivarlo para la
formación de imágenes en vídeo convencional. En modo fluorescencia,
será posible además disponer un filtro de color delante del objetivo
para mejorar su contraste.
Aunque se ha descrito la puesta en práctica de
la presente invención principalmente con respecto a aplicaciones
que se sitúan principalmente en el campo dental, se podrá utilizar
asimismo para la detección y la localización de alteraciones
tisulares tales como las de la mucosa bronquial cuya
autofluorescencia en el verde (500 nm aproximadamente) disminuye y
en el rojo aumenta aproximadamente a 600 nm.
Asimismo, se podría recurrir a unos sensores
distintos de los CCD y en particular a unos sensores CMOS.
Se podrían detectar y localizar asimismo unas
lesiones de tejidos, tales como los del páncreas, que, iluminados
en una banda de frecuencias centrada sobre una radiación de longitud
de onda de 400 nm, generan un aumento significativo de la
fluorescencia en el rojo (630 nm).
Claims (8)
1. Procedimiento de detección y de localización
de la diferencia de densidad y/o de estructura y/o de composición
química de un tejido biológico (7) que se somete a una iluminación
continua en una primera banda de frecuencias determinada, apropiada
para generar un fenómeno de fluorescencia, de autofluorescencia, o
de luminiscencia en una segunda banda de frecuencias,
caracterizado porque comprende las etapas que consisten
en:
- efectuar una adquisición de imagen del tejido
biológico iluminado de esta forma, mediante unos medios de vídeo en
color provistos de unos sensores de imágenes con un mosaico de
píxeles provistos de filtros de colores complementarios, teniendo
estos filtros un campo de reacción más amplio que el de los colores
fundamentales,
- para cada punto de la imagen obtenida de esta
forma:
a) recoger una información en relación con la
energía recibida por cada píxel, de manera que se reconstituya la
imagen del tejido biológico (7),
b) amplificar la señal correspondiente a la
energía recibida en la segunda banda de frecuencias para
caracterizar, o hacer aparecer sobre la imagen obtenida, dicha
diferencia del tejido biológico (7), realizándose esta amplificación
de la señal correspondiente a la energía recibida en la segunda
banda de frecuencias progresivamente para el conjunto de los
píxeles del sensor de imagen actuando sobre las dos señales de
colores complementarios asociados a cada uno de los colores
fundamentales.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque los colores complementarios son el cian,
el magenta y el amarillo.
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque se añade un filtro verde a los filtros
de colores complementarios.
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque, como el esmalte de un diente que ha
sufrido un inicio de alteración debido a una caries emite una
radiación de fluorescencia en el dominio de los 650 nm, dicho de
otra forma a nivel de las radiaciones rojas, se realiza una
amplificación de la señal de fluorescencia generada alrededor de
los 650 nm por las partes alteradas del diente, realizándose esta
amplificación progresivamente para el conjunto de los píxeles del
sensor CCD de la siguiente forma:
- si un píxel amarillo recibe una energía
luminosa, se consulta el píxel vecino que comprende, a su vez, un
filtro verde,
- si éste está saturado, implicará que la
radiación es verde en su totalidad y que no hay radiación roja que
amplificar para este píxel amarillo que no es por lo tanto
amplificada,
- si no, la energía luminosa recibida sobre el
píxel amarillo corresponde a una radiación roja, en cuyo caso es
amplificada.
5. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se realiza un tratamiento de las
informaciones recogidas en la segunda banda de frecuencias, de
manera que se caracteriza la diferencia de estructura obtenida en
un color distinto del que corresponde naturalmente a esta segunda
zona de frecuencias.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque se añade a la
banda de frecuencias del espectro de iluminación unas radiaciones
apropiadas para modificar el espectro de fluorescencia para
desplazar la banda de fluorescencia de las fluorescencias
parásitas.
7. Dispositivo de detección y de localización de
la diferencia de densidad y/o de estructura y/o de composición
química de un tejido biológico (7), caracterizado porque
comprende:
- unos medios (1) apropiados para iluminar en
continuo el tejido biológico (7) con una luz que se sitúa en una
primera banda de frecuencias determinada, de manera que genera un
fenómeno de fluorescencia en una segunda banda de frecuencias,
- unos medios de vídeo en color (11) provistos
de sensores de imágenes con un mosaico de píxeles provistos de
filtros de colores complementarios, teniendo estos filtros un campo
de reacción más amplio que el de los colores fundamentales,
- unos medios de adquisición y de cálculo
apropiados, para cada punto de la imagen obtenida de esta forma,
recoger una información en relación con la energía recibida por cada
píxel para reconstituir la imagen del tejido biológico (7),
- unos medios de amplificación de la señal
correspondiente a la energía recibida en la segunda banda de
frecuencias de manera que se caracteriza, o se hace aparecer sobre
la imagen obtenida, dicha diferencia del tejido biológico,
realizándose esta amplificación de la señal correspondiente a la
energía recibida en la segunda banda de frecuencias progresivamente
para el conjunto de los píxeles del sensor de imagen actuando sobre
las dos señales de los colores complementarios asociados a cada uno
de los colores fundamentales.
8. Dispositivo según la reivindicación 7,
caracterizado porque comprende unos medios de tratamiento
(13) de las informaciones recogidas en la segunda banda de
frecuencias, de manera que se caracteriza la diferencia de
estructura obtenida en un color diferente al correspondiente
naturalmente a esta segunda zona de frecuencias.
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