ES2552370B1 - Spectral photoactive imaging system - Google Patents
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Abstract
Sistema que estimula un órgano o tejido del ser vivo, o cualquier objeto o fenómeno que pueda caracterizarse espectralmente, irradiando con ondas electromagnéticas en diferentes bandas espectrales (visible e infrarrojo cercano) y capta con un sensor de imagen la respuesta a ese estímulo, en cada banda espectral emitida. La radiación reflejada, en intensidad y longitud de onda, es analizada con un procesado de imagen que presenta como resultado, en tiempo real, la firma espectral que identifica la muestra de estudio.#Con este sistema se realizan tareas de fotodiagnóstico (identificación de lesiones, heridas o enfermedades por medio de la firma espectral que las caracteriza), aplicación de fototerapias personalizadas (utilizando como elemento del control del tiempo del tratamiento la capacidad de absorción de la zona irradiada del paciente) u otras aplicaciones que se deriven del conocimiento de la caracterización espectral.System that stimulates an organ or tissue of the living being, or any object or phenomenon that can be spectrally characterized, radiating with electromagnetic waves in different spectral bands (visible and near infrared) and captures with an image sensor the response to that stimulus, in each emitted spectral band. The reflected radiation, in intensity and wavelength, is analyzed with an image processing that presents, in real time, the spectral signature that identifies the study sample. # With this system photodiagnostic tasks are performed (lesion identification , wounds or diseases by means of the spectral signature that characterizes them), application of personalized phototherapies (using as an element of the treatment time control the absorption capacity of the irradiated area of the patient) or other applications that derive from the knowledge of the spectral characterization.
Description
Sistema fotoactivo espectral de imagen. Spectral photoactive imaging system.
La invención se encuadra en el sector técnico de equipos biomédicos, más concretamente en el relativo a dispositivos de imagen espectral. The invention falls within the technical sector of biomedical equipment, more specifically in that related to spectral imaging devices.
Dentro de la tecnología médica actual de especial interés son las aplicaciones con técnicas de imagen, ya que abarcan una doble funcionalidad, pudiendo tener como fin el tratamiento o el diagnóstico de patologías. La mayoría de estas técnicas utilizan radiación electromagnética para visualizar resultados, sin embargo, no tienen en cuenta que cada individuo absorbe o refleja de forma diferente la radiación electromagnética a la que es sometido de forma estándar. Within the current medical technology of special interest are the applications with imaging techniques, since they cover a double functionality, being able to have the purpose of treating or diagnosing pathologies. Most of these techniques use electromagnetic radiation to visualize results, however, they do not take into account that each individual absorbs or reflects differently the electromagnetic radiation to which it is subjected as standard.
Todo objeto, individuo o fenómeno interacciona de forma distinta con las radiaciones electromagnéticas atendiendo a su composición y estructura. En aplicaciones dermatológicas las propiedades ópticas de la piel son muy diferentes de una persona a otra, o de un tejido dañado a uno sano. Los parámetros de la piel que determinan dicho comportamiento diferencial tienen una base microscópica (estructura secundaria de las proteínas, conformación de los ácidos nucleicos, etc.) y macroscópica (pigmentación, perfusión tisular, etc.) [1]. Every object, individual or phenomenon interacts differently with electromagnetic radiation according to its composition and structure. In dermatological applications the optical properties of the skin are very different from one person to another, or from a damaged tissue to a healthy one. The skin parameters that determine such differential behavior have a microscopic basis (secondary structure of proteins, conformation of nucleic acids, etc.) and macroscopic (pigmentation, tissue perfusion, etc.) [1].
En el caso de tratamiento de lesiones, la fototerapia es una rama de la medicina que consiste en la aplicación de la radiación no ionizante en el sistema biológico humano. Estas terapias incluyen la exposición de partes del cuerpo afectadas por enfermedades a fuentes de luz artificial. Hoy en día, la dosis de radiación se establece según las recomendaciones generales específicas para cada tratamiento. Todas los pacientes afectados por enfermedades similares reciben los mismos tratamientos médicos y el tiempo de duración de los mismos es similar para todos ellos [2, 3, 4]. Sin embargo, no hay garantía de que la dosis recibida sea la recomendada, ya que la intensidad de la fuente de radiación puede degradarse, además el paciente puede absorber más o menos energía dependiendo del tipo de piel y lesión [1]. In the case of injury treatment, phototherapy is a branch of medicine that consists in the application of non-ionizing radiation in the human biological system. These therapies include exposure of body parts affected by diseases to artificial light sources. Today, the radiation dose is established according to the specific general recommendations for each treatment. All patients affected by similar diseases receive the same medical treatments and their duration is similar for all of them [2,3,4]. However, there is no guarantee that the dose received will be the recommended dose, since the intensity of the radiation source can be degraded, in addition the patient can absorb more or less energy depending on the type of skin and lesion [1].
En cuanto al diagnóstico de lesiones, en los últimos años se han obtenido grandes avances con técnicas de imagen no invasivas, implementado diversos métodos ópticos con el fin de ayudar a los médicos en la identificación precoz de diferentes patologías. En dermatología, entre estas técnicas se encuentra la Dermatoscopía, también llamada Microscopía de Epiluminiscencia y que se basa en una herramienta denominada dermatoscopio, frecuentemente utilizado en consulta por los dermatólogos, un instrumento no invasivo que proporciona una imagen ampliada y nítida de la lesión a estudiar. El inconveniente que presenta este método es que parece ser insuficiente para extraer información consistente con fines de diagnóstico y que se relacione con la estructura interna de la lesión. Requiere de una correcta interpretación y de la experiencia del facultativo, por si sola se consideran poco fiable [5]. As for the diagnosis of lesions, in recent years great advances have been obtained with non-invasive imaging techniques, implemented various optical methods in order to help doctors in the early identification of different pathologies. In dermatology, among these techniques is Dermatoscopy, also called Epiluminescence Microscopy and which is based on a tool called dermatoscope, frequently used in consultation by dermatologists, a non-invasive instrument that provides an enlarged and sharp image of the lesion to be studied. . The drawback presented by this method is that it seems to be insufficient to extract information consistent for diagnostic purposes and that is related to the internal structure of the lesion. It requires a correct interpretation and the experience of the doctor, by themselves they are considered unreliable [5].
La Microscopía Confocal de Reflectancia (MCR) es otra técnica que permite el diagnóstico de desórdenes dermatológicos con precisión in vivo. Con un microscopio láser no invasivo se visualizan las diferentes capas de la piel en tiempo real sobre el paciente y se estudia su estructura celular sin necesidad de realizar biopsia. El inconveniente que presenta es que se trata de una técnica limitada a centros muy especializados lejos todavía de incluirse en una rutina en consultas, ya que de momento requiere mucha experiencia, preparación y es un sistema muy costoso. En España pocos son los centros que cuentan con esta tecnología [6]. Confocal Reflectance Microscopy (MCR) is another technique that allows the diagnosis of dermatological disorders with precision in vivo. With a non-invasive laser microscope, the different layers of the skin are visualized in real time on the patient and their cell structure is studied without the need for biopsy. The disadvantage that it presents is that it is a technique limited to very specialized centers far from being included in a routine in consultations, since at the moment it requires a lot of experience, preparation and it is a very expensive system. In Spain few are the centers that have this technology [6].
La Espectroscopia de Reflectancia Difusa (DRS, Diffuse Reflectance Spectroscopy) es otra técnica que se basa en la utilización de dispositivos que descomponen la energía electromagnética incidente sobre un detector. El resultado es la obtención del denominado espectro (o firma) de energías en función de la longitud de onda, una gráfica donde se muestra la intensidad de la energía reflejada o absorbida en función de una banda ancha de longitudes de onda específicas. Las propiedades de absorción y dispersión de los tejidos dependen de su composición bioquímica y estructura celular, fundamentalmente de la presencia de oxihemoglobina, deoxihemoglobina y melanina entre otros. El análisis de la respuesta espectral en las bandas del visible e infrarrojo cercano (entre 420 nm y 780 nm del espectro electromagnético) es una técnica que aporta gran información para la identificación de enfermedades cutáneas [7, 8, 9]. La tecnología que hace posible este análisis se denomina sistemas de espectrometría de imagen o cámara hiperespectral. Es común iluminar al paciente con luz blanca uniforme (el equipo no emite luz por si mismo) y mediante filtros sintonizables deja pasar al sensor de imagen cada longitud de onda por separado formando el espectro de reflexión o firma de la muestra de estudio. Los principales inconvenientes de esta técnica son: su alto coste, elevada complejidad debido a una mecánica con numerosas partes móviles (espejos, filtros o cristales ópticos) que lo hace difícilmente portable, el equipo no trabaja en tiempo real ya que el alto volumen de datos que adquiere necesita un postprocesado y la necesidad de personal altamente cualificado para su manejo. Diffuse Reflectance Spectroscopy (DRS) is another technique that is based on the use of devices that break down electromagnetic energy incident on a detector. The result is the obtaining of the so-called spectrum (or signature) of energies depending on the wavelength, a graph showing the intensity of the energy reflected or absorbed as a function of a broad band of specific wavelengths. The absorption and dispersion properties of tissues depend on their biochemical composition and cellular structure, mainly on the presence of oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin and melanin among others. The analysis of the spectral response in the visible and near infrared bands (between 420 nm and 780 nm of the electromagnetic spectrum) is a technique that provides great information for the identification of skin diseases [7, 8, 9]. The technology that makes this analysis possible is called image spectrometry or hyperspectral camera systems. It is common to illuminate the patient with uniform white light (the equipment does not emit light by itself) and through tunable filters it allows the image sensor to pass each wavelength separately forming the reflection spectrum or signature of the study sample. The main drawbacks of this technique are: its high cost, high complexity due to a mechanics with numerous moving parts (mirrors, filters or optical glasses) that makes it difficult to portable, the equipment does not work in real time since the high volume of data who acquires needs a postprocessing and the need for highly qualified personnel to handle it.
Sería por lo tanto deseable obtener una herramienta de bajo coste y fácil manejo que uniera la sencillez del dermatoscopio pero aportara datos suficientes sobre la estructura interna de la lesión como las técnicas de espectrometría. La invención que se presenta en este documento tiene como objetivo el desarrollo de un equipo funcional y sencillo, junto con metodologías fotoactivas de imagen derivadas de la utilización del sistema, que optimicen los procesos de diagnóstico de lesiones cutáneas y la aplicación de radiación en terapias de forma personalizada. It would therefore be desirable to obtain a low cost and easy to use tool that would unite the simplicity of the dermatoscope but provide sufficient data on the internal structure of the lesion such as spectrometry techniques. The invention presented in this document aims at the development of a functional and simple equipment, together with photoactive imaging methodologies derived from the use of the system, that optimize the processes of diagnosis of skin lesions and the application of radiation in therapy therapies. custom form.
[1] Georgios N. Stamatas1, Barbara Z. Zmudzka, Nikiforos Kollias and Janusz Z. Beer. "Non-lnvasive Measurements of Skin Pigmentation in Situ". Pigment Cell Res 17: 618626, 2004. [1] Georgios N. Stamatas1, Barbara Z. Zmudzka, Nikiforos Kollias and Janusz Z. Beer. "Non-lnvasive Measurements of Skin Pigmentation in Situ". Pigment Cell Res 17: 618626, 2004.
[2] G. Oversluizen, F. A. Van Abeelen, L. Van Pieterson, G. Zhuo, T. Dekker. "Phototherapy Method and Device". Patent WO 2012020361 (A1). 2012. [2] G. Oversluizen, F. A. Van Abeelen, L. Van Pieterson, G. Zhuo, T. Dekker. "Phototherapy Method and Device". Patent WO 2012020361 (A1). 2012
[3] W. Colín. "A therapeutic light source". Patent GB2370992 (A). 2002. [3] W. Colín. "A therapeutic light source". Patent GB2370992 (A). 2002
[4] R. Christopher. "Phototherapy device and method". Patent US 5976124 (A). 1999. [4] R. Christopher. "Phototherapy device and method". US Patent 5976124 (A). 1999.
[5] F. Nachbar, W. Stolz, T. Merkle, A. B. Cognetta, T. Vogt, M. Landthaler, P. Bilek, O. Braun-Falco & G. Plewig. "The ABCD rule of dermatoscopy: High prospective value in the diagnosis of doubtful melanocytic skin lesions". Journal of the American Academy of Dermatology. Volume 30, lssue 4. Pages 551-559, 1994. [5] F. Nachbar, W. Stolz, T. Merkle, A. B. Cognetta, T. Vogt, M. Landthaler, P. Bilek, O. Braun-Falco & G. Plewig. "The ABCD rule of dermatoscopy: High prospective value in the diagnosis of doubtful melanocytic skin lesions". Journal of the American Academy of Dermatology. Volume 30, lssue 4. Pages 551-559, 1994.
[6] G. Pellacani, A.M. Cesinaro, S. Seidenari. "Reflectance mode confocal microscopy of pigmented skin lesions improvement in melanoma diagnostic specificity". Rev.Journal of the American Academy of Dermatology. Vol. Volume 53, lssue 6, Pages 979-985, 2005. [6] G. Pellacani, A.M. Cesinaro, S. Seidenari. "Reflectance mode confocal microscopy of pigmented skin lesions improvement in melanoma diagnostic specificity". Rev. Journal of the American Academy of Dermatology. Vol. Volume 53, lssue 6, Pages 979-985, 2005.
[7] M. Cardo, J. R. Sendra, A. Viera, A. Santana Y S. M. López Silva. "Diferenciación de Piel Sana y Lesiones Cutáneas Pigmentadas Mediante Espectroscopía de ReflectanciaÓptica Difusa". 39 (4) 341-354, 2006. [7] M. Cardo, J. R. Sendra, A. Viera, A. Santana and S. M. López Silva. "Differentiation of Healthy Skin and Pigmented Skin Lesions by Diffuse Optical Reflectance Spectroscopy". 39 (4) 341-354, 2006.
- [8][8]
- J. J. Scarisbrick, C. D. O. Pickard, A. C. Lee, G. M. Briggs, K. Johnson, S. G. Brown, J. J. Scarisbrick, C. D. O. Pickard, A. C. Lee, G. M. Briggs, K. Johnson, S. G. Brown,
- M.M.
- Novelli, M. R. S. Keshtgar, l. J. Bigio and R. Yu, ''Elastic Scattering Spectroscopy in the Diagnosis of Pigmented Lesions Comparison with Clinical and Histopathological Diagnosis", Proc. Spie 5141, 147-156, 2003. Novelli, M. R. S. Keshtgar, l. J. Bigio and R. Yu, '' Elastic Scattering Spectroscopy in the Diagnosis of Pigmented Lesions Comparison with Clinical and Histopathological Diagnosis ", Proc. Spie 5141, 147-156, 2003.
[9] R. Marchesini, N. Cascinelli, M. Brambilla, C. Clemente, L. Mascheroni, E. Pignoli, A. Testori, and D. R.Venturoli, "In Vivo Spectrophotometric Evaluation of Neoplastic and Nonneoplastic Skin Pigmented Lesions, Discriminant Analysis between Nevus and Melanoma", Photochem. Photobiol. 55, 515-522, 1992. [9] R. Marchesini, N. Cascinelli, M. Brambilla, C. Clemente, L. Mascheroni, E. Pignoli, A. Testori, and DRVenturoli, "In Vivo Spectrophotometric Evaluation of Neoplastic and Nonneoplastic Skin Pigmented Lesions, Discriminant Analysis between Nevus and Melanoma ", Photochem. Photobiol 55, 515-522, 1992.
La invención se trata de un sistema fotoactivo espectral de imagen con características de funcionalidad, bajo coste, fácil manejo, poca complejidad técnica y portátil. El equipo emite radiación no ionizante controlada en intensidad y longitud de onda y mide, sin entrar en contacto directo con el objeto, individuo o fenómeno, su respuesta energética mediante la adquisición y procesado de imagen en varias regiones del espectro electromagnético. Los resultados se muestran al usuario en tiempo real como un mapa 3D de intensidad de energía y de longitudes de onda reflejadas. The invention is a spectral photoactive imaging system with features of functionality, low cost, easy handling, low technical and portable complexity. The equipment emits non-ionizing radiation controlled in intensity and wavelength and measures, without coming into direct contact with the object, individual or phenomenon, its energy response by acquiring and processing images in various regions of the electromagnetic spectrum. The results are shown to the user in real time as a 3D map of energy intensity and reflected wavelengths.
El conocimiento de la respuesta energética de la muestra de estudio tiene dos aplicaciones directas del sistema: The knowledge of the energy response of the study sample has two direct applications of the system:
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- En tratamientos fototerapéuticos, el equipo permite conocer la capacidad de absorción de energía en la zona o lesión a tratar y calcula de forma personalizada el tiempo necesario que necesita un sujeto sometido a un tratamiento para que la dosis dada le sea beneficiosa. In phototherapeutic treatments, the equipment allows to know the energy absorption capacity in the area or lesion to be treated and calculates in a personalized way the time needed for a subject undergoing a treatment so that the given dose is beneficial.
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- En fotodiagnóstico, la metodología desarrollada propone que con un control específico en intensidad y en longitudes de onda de la radiación emitida sobre una lesión y un posterior análisis de la radiación reflejada, se puede obtener la firma espectral que la caracteriza en tiempo real y una mejora en el diagnóstico de enfermedades que algunos de las actuales técnicas de imagen. In photodiagnostic, the methodology developed proposes that with a specific control in intensity and wavelengths of the radiation emitted on a lesion and a subsequent analysis of the reflected radiation, the spectral signature that characterizes it in real time and an improvement can be obtained in the diagnosis of diseases that some of the current imaging techniques.
El sistema consiste en (Figura 1): The system consists of (Figure 1):
- Cabezal: caracterizado por consistir en una lámpara de iluminación multiespectral configurable en intensidad y en longitudes de onda emitidas dentro del rango visible e infrarrojo cercano, un sensor de imagen y un sensor de distancia. - Head: characterized by a multispectral illumination lamp configurable in intensity and wavelengths emitted within the visible and near infrared range, an image sensor and a distance sensor.
- Circuito de control de las fuentes de radiación y adquisición de datos e imagen. - Control circuit of radiation sources and acquisition of data and image.
- Visualizador de los resultados. - Results display.
La lámpara de iluminación multiespectral comprende un conjunto de diodos LED que emiten bandas espectrales específicas dentro del espectro visible e infrarrojo cercano con intensidad y longitud de onda ajustables por el usuario. Las fuentes emisoras proporcionan una radiación difusa para destacar detalles y texturas de la piel que con la luz focalizada se perderían. La difusividad se obtiene mediante el pulido de la superficie del LED (Figura 2). The multispectral illumination lamp comprises a set of LED diodes that emit specific spectral bands within the visible and near infrared spectrum with user-adjustable intensity and wavelength. The emitting sources provide diffuse radiation to highlight details and textures of the skin that with the focused light would be lost. The diffusivity is obtained by polishing the surface of the LED (Figure 2).
Para lograr la iluminación uniforme en el área de medida, los diodos LED correspondientes a una misma banda se sitúan en diagonal, a ambos lados del sensor de imagen, en un mismo plano, de forma que la zona en que la intensidad es menor se compense con la del otro diodo en el plano de medida. Para conseguir un campo de visión mayor y uniforme se aumenta el números de diodos LED a ambos lados del sensor de imagen (Figura 3). To achieve uniform illumination in the measurement area, the LEDs corresponding to the same band are located diagonally, on both sides of the image sensor, in the same plane, so that the area in which the intensity is lower is compensated with that of the other diode in the measurement plane. To achieve a larger and more uniform field of view, the number of LEDs on both sides of the image sensor is increased (Figure 3).
El sistema está mecánicamente diseñado para que el sensor de imagen y los diodos LED estén en un plano interior (Figura 4), a una distancia dmin del borde de la carcasa protectora. Tiene dos formas de utilización: The system is mechanically designed so that the image sensor and the LEDs are in an interior plane (Figure 4), at a distance dmin from the edge of the protective housing. It has two ways of use:
- - -
- Medir directamente sobre la zona de estudio. La piel u el objeto son el plano de medida y se encuentran en contacto con el borde de la carcasa. A una distancia dmin del plano de medida hacia en el interior de la carcasa se localiza los diodos LED y sensores, es decir el plano de iluminación y adquisición. En este caso no entra iluminación proveniente de otra fuente externa que pueda interferir con la luz emitidas por la lámpara multiespectral. Measure directly on the study area. The skin or the object are the measurement plane and are in contact with the edge of the housing. The diodes and sensors are located at a distance dmin from the measurement plane towards the inside of the housing, ie the illumination and acquisition plane. In this case there is no lighting coming from another external source that could interfere with the light emitted by the multispectral lamp.
- - -
- Medir a una distancia mayor que dmin. Al entrar iluminación externa las medidas deben realizarse en oscuridad. Measure at a distance greater than dmin. When entering external lighting measurements must be performed in darkness.
Los diodos LED proporcionan las bandas espectrales específicas, suministrando radiación en aquellas bandas espectrales del visible y del infrarrojo cercano en las que se manifiestan los principales cromóforos de la piel. LED diodes provide specific spectral bands, providing radiation in those visible and near infrared spectral bands in which the main skin chromophores manifest.
La geometría de cada dispositivo LED y el material de su fabricación determinan la sensibilidad de la longitud onda pico emitida a la temperatura de la unión (la unión de las pastillas semiconductoras que componen el led, necesitan que las atraviese una corriente para emitir radiación, esta corriente provoca la generación de calor en la unión semiconductora denominada temperatura de unión o Tj). Controlando la corriente por el diodo, se ajusta la temperatura de la unión y la longitud de onda (Figuras 5 y 6). Se hace circular corriente periódica rectangular por el diodo, con una amplitud lc durante su tiempo de conducción tc y cero durante el tiempo de no conducción tnc. The geometry of each LED device and the material of its manufacture determine the sensitivity of the peak wavelength emitted at the temperature of the junction (the junction of the semiconductor tablets that make up the LED, they need to be passed through a current to emit radiation, this current causes heat generation in the semiconductor junction called junction temperature or Tj). By controlling the current through the diode, the junction temperature and wavelength are adjusted (Figures 5 and 6). Periodic rectangular current is circulated through the diode, with an amplitude lc during its conduction time tc and zero during the non-conduction time tnc.
Los diodos LED en una misma diagonal proporcionan M bandas dependiendo del rango de corrientes utilizado. Por ejemplo, el LED de la Diagonal i desplaza su longitud de onda pico LDiPj dentro de su rango espectral desde j = 0 a j = M, cada longitud de onda emitida corresponde a una variación de corriente, donde M es el número de bandas que proporciona los diodos de la diagonal Di (Figura 7). Si hay N diagonales, el número máximo de bandas espectrales es de MxN. LEDs on the same diagonal provide M bands depending on the current range used. For example, the LED of Diagonal i shifts its peak wavelength LDiPj within its spectral range from j = 0 aj = M, each wavelength emitted corresponds to a variation of current, where M is the number of bands it provides the diodes of the diagonal Di (Figure 7). If there are N diagonals, the maximum number of spectral bands is MxN.
El número de diodos LED (NL) en cada diagonal a ambos lados del sensor de imagen determinan el área de estudio sobre la piel u objeto, aumentando o reduciendo el tamaño del spot de iluminación sobre el plano de medida según el número de diodos que estén activos en cada diagonal. The number of LEDs (NL) on each diagonal on both sides of the image sensor determine the study area on the skin or object, increasing or reducing the size of the lighting spot on the measurement plane according to the number of diodes that are active in each diagonal.
Los valores de de la amplitud de la corriente que circula por el LED (lc), su tiempo de conducción (tc), tiempo de no conducción (tnc). la distancia ente los emisores con el plano de medida d y los diodos LED (NL) en cada diagonal, determinan la intensidad luminosa y la longitud de onda pico de la banda espectral seleccionada que llega a la lesión u objeto de estudio. The values of the amplitude of the current flowing through the LED (lc), its conduction time (tc), non-conduction time (tnc). the distance between the emitters with the measurement plane d and the LEDs (NL) in each diagonal, determine the light intensity and the peak wavelength of the selected spectral band that reaches the lesion or object of study.
La lámpara de iluminación multiespectral funciona de forma diferenciada según la aplicación sea fototerapia o fotodiagnóstico. The multispectral illumination lamp works differently depending on whether the application is phototherapy or photodiagnostic.
Uso para fototerapia: para seleccionar una banda espectral o bandas espectrales de forma secuencial se procede a polarizar el LED con una corriente correspondiente a la longitud de onda pico menor de su rango espectral LDiP0 y la corriente va aumentado hasta conseguir la banda deseada. P/P0 es la potencia óptica normalizada en cada banda. En la Figura 6 se muestran la longitudes de onda pico correspondientes al rango espectral que proporcionan los diodos de la diagonal Di. La banda espectral base de cada conjunto de diodos LED de una misma diagonal es la de menor temperatura de la unión. Use for phototherapy: to select a spectral band or spectral bands sequentially, the LED is polarized with a current corresponding to the shorter peak wavelength of its spectral range LDiP0 and the current is increased until the desired band is achieved. P / P0 is the normalized optical power in each band. Figure 6 shows the peak wavelengths corresponding to the spectral range provided by the diodes of the diagonal Di. The base spectral band of each set of LEDs of the same diagonal is the lowest temperature of the junction.
Uso para fotodiagnóstico: se hace un barrido espectral en toda la región del visible e infrarrojo cercano del espectro electromagnético. Para ello se activan secuencialmente los diodos LED de cada diagonal desde i = 0 hasta i = N y en cada diagonal se incrementa la temperatura de la unión obteniéndose M bandas por diagonal. Los diodos LED estabilizan su temperatura de la unión en tiempos menores de 100 ms. Use for photodiagnostic: a spectral scan is made throughout the visible and near infrared region of the electromagnetic spectrum. For this, the LEDs of each diagonal are activated sequentially from i = 0 to i = N and at each diagonal the junction temperature is increased, obtaining M bands per diagonal. The LEDs stabilize their junction temperature in times less than 100 ms.
El sistema tiene un sensor de imagen que permite capturar la imagen según la configuración inicial del sistema, un sensor de distancia mide la distancia a la que está el objeto de estudio. Con la distancia y conocida la intensidad de la radiación emitida por la lámpara se determina la energía que llega al objeto. The system has an image sensor that allows to capture the image according to the initial configuration of the system, a distance sensor measures the distance at which the object of study is. With the distance and known the intensity of the radiation emitted by the lamp determines the energy that reaches the object.
Para el correcto funcionamiento del sistema es necesario la calibración radiométrica y espacial del equipo, el sistema cuenta con una superficie patrón, localizada en el interior de la tapa de la carcasa con el fin de corregir en tiempo real los efectos relacionados con el deterioro de la fuente. El plano patrón consiste en una superficie de polietileno cubierto de pintura blanca mate, un fluoropolímero que posee una alta reflectancia difusa en las bandas del visible e infrarrojo cercano. For the correct functioning of the system, the radiometric and spatial calibration of the equipment is necessary, the system has a standard surface, located inside the housing cover in order to correct in real time the effects related to the deterioration of the equipment. source. The standard plane consists of a polyethylene surface covered with matt white paint, a fluoropolymer that has a high diffuse reflectance in the visible and near infrared bands.
El proceso de calibración se realiza con la tapa insertada en el borde de la carcasa, se hace un barrido espectral y se adquieren imágenes de la superficie patrón iluminado por cada banda espectral. Debido a la alta reflectividad de la superficie estas medidas se tomarán como referencia para el cálculo de la intensidad emitida por el LED. The calibration process is performed with the cover inserted at the edge of the housing, a spectral scan is made and images of the standard surface illuminated by each spectral band are acquired. Due to the high reflectivity of the surface these measurements will be taken as a reference for the calculation of the intensity emitted by the LED.
Los modos de operación del sistema son: The modes of operation of the system are:
- 1. one.
- Auto calibración: Consiste en determinar la intensidad de la radiación emitida por la fuente en cada banda espectral. Auto calibration: It consists in determining the intensity of the radiation emitted by the source in each spectral band.
- 2. 2.
- Modo estático: Se emplea para hacer fototerapia en una banda específica. Static mode: It is used to make phototherapy in a specific band.
- 3. 3.
- Modo secuencial: Se emplea cuando se requiere aplicar diferentes bandas en forma secuencial en fototerapias combinada. Sequential mode: It is used when it is required to apply different bands sequentially in combined phototherapies.
- 4. Four.
- Modo de barrido: Se emplea para obtener la firma espectral en la región del visible e infrarrojo cercano para realizar fotodiagnóstico. Secuencialmente se activa cada banda espectral y se captura una imagen hasta cubrir toda la región del visible e infrarrojo cercano. Scanning mode: It is used to obtain the spectral signature in the region of visible and near infrared to perform photodiagnostic. Each spectral band is activated sequentially and an image is captured to cover the entire region of the visible and near infrared.
El sistema almacena las imágenes adquiridas en cada una de las bandas espectrales en un directorio establecido por el usuario y que permite contar con una base de datos. The system stores the images acquired in each of the spectral bands in a directory established by the user and that allows to have a database.
El circuito de control de las fuentes de radiación y adquisición de datos e imagen se controla mediante una aplicación software desarrollada para ello. La aplicación permite realizar dos funciones: controlar la energía que llega a la superficie del objeto a estudiar y adquirir las imágenes en cada banda espectral, según el modo de operación del sistema. The control circuit of the radiation sources and acquisition of data and image is controlled by a software application developed for it. The application allows two functions to be carried out: control the energy that reaches the surface of the object to be studied and acquire the images in each spectral band, according to the system's operating mode.
Para ver los resultados se utiliza un visualizador. También ha sido desarrollada una aplicación software para mostrar los resultados en dos mapas 3D de la zona irradiada. En el primer mapa las imágenes RGB adquiridas en cada banda espectral se transforman en un mapa en el que cada píxel de la imagen se corresponde con la longitud de onda pico máxima reflejada por el objeto de estudio (Figura 8). Esto se realiza mediante una algoritmia matemática basada en los espacios de color. En el segundo mapa las imágenes RGB se transforman en un mapa en el que cada píxel se corresponde con un nivel de energía reflejada por el objeto de estudio y su correspondiente energía absorbida (Figura 9). La energía reflejada en cada banda espectral se calcula mediante la diferencia entre la radiación reflejada de la piel u objeto de estudio y la emitida por las fuentes (previamente calculada en la calibración del sistema con el patrón). To view the results a visualizer is used. A software application has also been developed to show the results on two 3D maps of the irradiated area. In the first map the RGB images acquired in each spectral band are transformed into a map in which each pixel of the image corresponds to the maximum peak wavelength reflected by the object of study (Figure 8). This is done through a mathematical algorithm based on color spaces. In the second map the RGB images are transformed into a map in which each pixel corresponds to a level of energy reflected by the object of study and its corresponding absorbed energy (Figure 9). The energy reflected in each spectral band is calculated by the difference between the radiation reflected from the skin or object of study and that emitted by the sources (previously calculated in the calibration of the system with the standard).
El software de visualización de resultados también realiza operaciones de análisis como son: comparación entre varias áreas de interés seleccionadas dentro de una misma imagen (por ejemplo, zona sana y enferma en la piel) o entre varias imágenes de bandas espectrales distintas; también realizar análisis estadísticos de los datos obtenidos, como histogramas del porcentaje de píxeles de una imagen en cada banda en función de la la longitud de onda pico reflejada por el objeto de estudio o representación de firmas espectrales en 2D y 3D. The results visualization software also performs analysis operations such as: comparison between several areas of interest selected within the same image (for example, healthy and diseased skin area) or between several images of different spectral bands; also perform statistical analysis of the data obtained, such as histograms of the percentage of pixels of an image in each band depending on the peak wavelength reflected by the object of study or representation of 2D and 3D spectral signatures.
Figura 1: Diagrama en bloque que muestra las partes fundamentales del sistema de imagen multiespectral activo para aplicaciones en fototerapias personalizadas y fotodiagnóstico de una lesión u objeto de estudio. Figure 1: Block diagram showing the fundamental parts of the active multispectral imaging system for applications in personalized phototherapies and photodiagnostic of a lesion or object of study.
- 101: Lámpara multiespectral configurable en intensidad y en longitudes de onda emitidas en rango visible e infrarrojo cercano del espectro electromagnético. - 101: Multispectral lamp configurable in intensity and in wavelengths emitted in visible and near infrared range of the electromagnetic spectrum.
- 102: Sensor de distancia. - 102: Distance sensor.
- 103: Sensor de imagen. - 103: Image sensor.
- 104: Electrónica de control y software de control y procesado de imagen que permite obtener firma espectral de la zona a estudiar en tiempo real. - 104: Control electronics and image control and processing software that allows obtaining a spectral signature of the area to be studied in real time.
- 105: Visualizador. - 105: Display.
Figura 2: diodos LED que proporcionan una radiación difusa a ambos lados del sensor de imagen, en este caso la diagonal estaría compuesta de 4 LED. Figure 2: LED diodes that provide diffuse radiation on both sides of the image sensor, in this case the diagonal would be composed of 4 LEDs.
- 201: LED - 201: LED
- 202: Radiación difusa. - 202: Diffuse radiation.
-203: Sensor de imagen. Figura 3: Distribución de los diodos LED en diagonales en torno al sensor de imagen. -203: Image sensor. Figure 3: Distribution of the LED diodes in diagonals around the image sensor.
- 301: Diagonal1 (D1). - 301: Diagonal1 (D1).
- 302: Diagonal i (Di), donde i puede varía desde 1 hasta N. En el caso del dibujo N = 4. - 302: Diagonal i (Di), where i can vary from 1 to N. In the case of drawing N = 4.
- 303: Sensor de imagen - 303: Image sensor
- 304: Diagonal N (DN). - 304: Diagonal N (DN).
Figura 4: Diseño mecánico del sistema de imagen multiespectral activo. En un plano interior a una distancia dmin del borde de la carcasa se encuentra el plano de emisión de la radiación electromagnética y medida. Figure 4: Mechanical design of the active multispectral imaging system. In an interior plane at a distance dmin from the edge of the housing is the plane of emission of the electromagnetic radiation and measurement.
- 401: Tapa con patrón de calibración. - 401: Cap with calibration pattern.
- 402: Sensor de distancia. - 402: Distance sensor.
- 403: Sensor de imagen. - 403: Image sensor.
- 404: Plano de iluminación. - 404: Lighting plane.
- 405: Plano de medida. - 405: Measurement plane.
- dmin: distancia del plano interior al borde de la carcasa protectora. - dmin: distance from the inner plane to the edge of the protective housing.
Figura 5: Gráfica que muestra la variación de la temperatura de la unión en función de diferentes valores de corriente que circulan por el LED [11]. Figure 5: Graph showing the variation of the junction temperature as a function of different current values that circulate through the LED [11].
- 501: corriente que circula por el LED en mA. - 501: current flowing through the LED in mA.
- 502: voltaje del diodo en V. - 502: diode voltage in V.
- 503: temperatura de la unión del LED en ºC. - 503: LED junction temperature in ºC.
- 504: valores para un LED azul fabricado con GalnN. - 504: values for a blue LED manufactured with GalnN.
- 505: valores para un LED verde fabricado con GalnN. - 505: values for a green LED manufactured with GalnN.
- 506: valores para un LED rojo fabricado con AIGalnP. - 506: values for a red LED manufactured with AIGalnP.
Figura 6: Gráfica que muestra la variación de la longitud de onda cuando varía la temperatura de la unión. Figure 6: Graph showing the variation of the wavelength when the temperature of the junction varies.
- 601: temperatura de la unión en ºC. - 601: junction temperature in ºC.
- 602: longitud de onda en nm. - 602: wavelength in nm.
- 603: variación de nm para un LED rojo. - 603: variation of nm for a red LED.
Figura 7: Potencia óptica normalizada correspondiente a los diodos LED en una misma diagonal Di contra longitud de onda pico de las bandas espectrales. Figure 7: Normalized optical power corresponding to the LEDs on the same diagonal Di against peak wavelength of the spectral bands.
- 701: E/EO. Potencia óptica normalizada correspondiente a los diodos LED en una misma diagonal Di. - 701: E / EO. Standard optical power corresponding to the LEDs on the same diagonal Di.
- 702: Longitud de onda pico de la banda espectral (LDiP0). - 702: Peak wavelength of the spectral band (LDiP0).
- 703: Longitud de onda pico de la banda espectral (LDiP1...). - 703: Peak wavelength of the spectral band (LDiP1 ...).
- 704: Longitud de onda pico de la banda espectral (LDiPj…). - 704: Peak wavelength of the spectral band (LDiPj…).
- 705. Longitud de onda pico de la banda espectral (LDiPm-1). - 705. Peak wavelength of the spectral band (LDiPm-1).
- 706. Longitud de onda pico de la banda espectral (LDiPm). - 706. Peak wavelength of the spectral band (LDiPm).
Figura 8: Transformación de la imagen RGB en un mapa en el que cada píxel de la imagen se corresponde con la longitud de onda pico reflejada por el objeto de estudio. Figure 8: Transformation of the RGB image into a map in which each pixel of the image corresponds to the peak wavelength reflected by the object of study.
- 801: Color en RGB del pixel localizado en la posición (i, j) de la imagen. - 801: RGB color of the pixel located at the position (i, j) of the image.
- 802: Longitud de onda pico reflejada correspondiente al color en RGB del píxel localizado en la posición (i, j) de la imagen. - 802: Reflected peak wavelength corresponding to the RGB color of the pixel located at the position (i, j) of the image.
Figura 9: Transformación de la imagen RGB en un mapa en el que cada píxel de la imagen se corresponde con un nivel de energía reflejada por el objeto de estudio. Figure 9: Transformation of the RGB image into a map in which each pixel of the image corresponds to a level of energy reflected by the object of study.
- 901: Color en RGB del píxel localizado en la posición (i, j) de la imagen. - 901: RGB color of the pixel located at the position (i, j) of the image.
- 902: Nivel de energía reflejada por el objeto de estudio correspondiente al color en RGB del píxel localizado en la posición (i, j) de la imagen. - 902: Energy level reflected by the object of study corresponding to the RGB color of the pixel located at the position (i, j) of the image.
Claims (10)
- 1.one.
- Sistema fotoactivo espectral de imagen que emite radiaciones en diferentes bandas espectrales sobre una muestra, caracterizado por que la radiación reflejada es captada por un sensor de imagen y analizada, en cada banda espectral, con un procesado de imagen que presenta como resultado la firma espectral energética que identifica la muestra de estudio. Image spectral photoactive system that emits radiation in different spectral bands on a sample, characterized in that the reflected radiation is captured by an image sensor and analyzed, in each spectral band, with an image processing that results in the energy spectral signature which identifies the study sample.
- 2.2.
- El sistema fotoactivo espectral de imagen, según la reivindicación 1, está caracterizado por que consiste en: patrón de calibración, lámpara multiespectral, sensor de imagen, sensor de distancia, circuitos y software de control de las fuentes de radiación y adquisición de datos e imagen, visualizador y software de procesado y presentación de resultados. The spectral photoactive image system, according to claim 1, is characterized in that it consists of: calibration pattern, multispectral lamp, image sensor, distance sensor, circuits and software for controlling radiation sources and data and image acquisition , display and processing software and presentation of results.
- 3.3.
- El sistema fotoactivo espectral de imagen, según las reivindicaciones 1 y 2, se caracteriza por que proporciona radiación difusa y uniforme sobre el área de estudio con una lámpara multiespectral que comprende diferentes emisores LED cuya intensidad y longitud de onda emitidas son variables y configurables por el usuario. The spectral photoactive image system, according to claims 1 and 2, is characterized in that it provides diffuse and uniform radiation over the study area with a multispectral lamp comprising different LED emitters whose emitted intensity and wavelength are variable and configurable by the Username.
- 4.Four.
- El sistema fotoactivo espectral de imagen, según las reivindicaciones 1, 2 y 3, se caracteriza por que un mismo LED de la lámpara emite varias longitudes de onda dentro de su banda de emisión, las cuales son controladas haciendo variar de forma discreta la corriente que circula por el dispositivo LED, lo que produce cambios de temperatura en su material de fabricación y la consecuente emisión de distintas longitudes de onda. The spectral photoactive image system, according to claims 1, 2 and 3, is characterized in that the same LED of the lamp emits several wavelengths within its emission band, which are controlled by discretely varying the current that circulates through the LED device, which produces changes in temperature in its manufacturing material and the consequent emission of different wavelengths.
- 5.5.
- El sistema fotoactivo espectral de imagen, según las reivindicaciones 1 y 2, se caracteriza por que captura la radiación reflejada con un sensor de imagen y mide la distancia a la muestra de estudio con un sensor de distancia. Conocidas la radiación emitida por la lámpara multiespectral y la distancia, se determina la energía que llega a la muestra. La energía reflejada se calcula mediante la diferencia entre la radiación reflejada y la emitida por las fuentes en cada banda espectral. The spectral photoactive imaging system, according to claims 1 and 2, is characterized in that it captures the radiation reflected with an image sensor and measures the distance to the study sample with a distance sensor. Once the radiation emitted by the multispectral lamp and the distance are known, the energy that reaches the sample is determined. The reflected energy is calculated by the difference between the reflected radiation and that emitted by the sources in each spectral band.
- 6.6.
- El sistema fotoactivo espectral de imagen, según las reivindicaciones 1, 2 y 5, se caracteriza por que las imágenes RGB adquiridas se transforman (mediante una aplicación software desarrollada específicamente para el sistema) en mapas 2D y 3D, en el que cada píxel de la imagen se corresponde con un nivel de energía reflejado (o absorbido) de la muestra de estudio con objeto de obtener su firma espectral. The spectral photoactive image system, according to claims 1, 2 and 5, is characterized in that the acquired RGB images are transformed (by a software application developed specifically for the system) into 2D and 3D maps, in which each pixel of the Image corresponds to a level of reflected (or absorbed) energy of the study sample in order to obtain its spectral signature.
- 7.7.
- El sistema fotoactivo espectral de imagen, según las reivindicaciones 1, 2 y 5, se caracteriza por que las imágenes RGB adquiridas se transforman (mediante una aplicación software desarrollada específicamente para el sistema) en mapas 2D y 3D, en el que cada píxel de la imagen se corresponde con la longitud de onda pico máxima reflejada con objeto de obtener su firma espectral. The spectral photoactive image system, according to claims 1, 2 and 5, is characterized in that the acquired RGB images are transformed (by a software application developed specifically for the system) into 2D and 3D maps, in which each pixel of the Image corresponds to the maximum peak wavelength reflected in order to obtain its spectral signature.
- 8.8.
- El sistema fotoactivo espectral de imagen según las reivindicaciones 1, 2, 5, 6 y 7, es caracterizado por que realiza operaciones de análisis estadísticos y comparación de resultados con las imágenes. The spectral photoactive image system according to claims 1, 2, 5, 6 and 7, is characterized in that it performs statistical analysis operations and comparison of results with the images.
- 9.9.
- El sistema fotoactivo espectral de imagen, según las reivindicaciones de la 1 a la 8 ambas inclusive, es caracterizado por que, con fines terapéuticos da a conocer la capacidad de absorción de energía de una zona del cuerpo humano o lesión a tratar. The spectral photoactive imaging system, according to claims 1 to 8 inclusive, is characterized in that, for therapeutic purposes it discloses the energy absorption capacity of an area of the human body or lesion to be treated.
Priority Applications (1)
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| ES2552370A1 ES2552370A1 (en) | 2015-11-27 |
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