FR2738140A1 - Optical tomobiopsy equipment for examining live skin - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un dispositif optoélectronique de tomobiopsie optique in vivo destiné à l'acquisition, la visualisation et l'enregistrement d'images instantanées de plans de coupe (x, z) de la peau et de ses microstructures, tant cellulaires que non cellulaires, au niveau de l'épiderme, du derme et de l'hypoderme, ainsi que les annexes cutanées, les phanères, les demi-muqueuses et les muqueuses accessibles à l'examen de façon non invasive.The present invention relates to an optoelectronic in vivo optical tomobiopsy device intended for the acquisition, visualization and recording of instantaneous images of sectional planes (x, z) of the skin and its microstructures, both cellular and non-cellular. , at the level of the epidermis, dermis and hypodermis, as well as the cutaneous appendages, the integuments, the semi-mucous membranes and the mucous membranes accessible to the examination in a non-invasive manner.
ll est souvent nécessaire d'observer en un instantané et de façon non invasive les microstructures présentes dans les premières centaines de microns du tégument, c'est-à-dire le stratum cornéum, I'épiderme, les papilles dermiques et le derme superficiel, et plus généralement d'examiner, en une série d'instantanés correspondant à une succession de plans de coupe, un élément de volume du tégument afin d'en caractériser la structure interne et/ou la composition. It is often necessary to observe in an instant and in a non-invasive way the microstructures present in the first hundreds of microns of the integument, that is to say the stratum corneum, the epidermis, the dermal papillae and the superficial dermis, and more generally to examine, in a series of snapshots corresponding to a succession of cutting planes, an element of volume of the seed coat in order to characterize its internal structure and / or composition.
En effet, l'imagerie cutanée in vivo revêt un attrait majeur puisqu'elle permet d'affiner certains diagnostics, de préciser les limites de certains processus pathologiques, et enfin de contribuer à la progression des connaissances en physiologie de la peau.Indeed, in vivo skin imaging is of major appeal since it makes it possible to refine certain diagnoses, to specify the limits of certain pathological processes, and finally to contribute to the progression of knowledge in physiology of the skin.
Les principaux domaines dans lesquels la tomobiopsie optique cutanée in vivo constitue un progrès par rapport à l'existant sont: * En Recherche Fondamentale : I'étude de la physiologie de la peau, des annexes cutanées,
des phanères et des muqueuses, des différents processus pathologiques susceptibles de les
affecter, des influences environnementales capables d'interaction avec elles, en particulier
l'irradiation solaire, ainsi que de l'action de toute substance en contact avec les structures
précitées.The main areas in which the in vivo optical skin tomobiopsy constitutes an improvement over what already exists are: * In Basic Research: the study of the physiology of the skin, of the cutaneous appendages,
integuments and mucous membranes, different pathological processes likely to
affect, environmental influences capable of interacting with them, in particular
solar irradiation, as well as the action of any substance in contact with structures
mentioned above.
* En Recherche Pharmaceutique - la mise au point de thérapeutiques nouvelles, une
meilleure connaissance de l'activité de celles existantes, en particulier en ce qui concerne
la pharmacocinétique cutanée des molécules utilisées, qu'elles le soient par voie générale
ou par voie topique.* In Pharmaceutical Research - the development of new therapeutics, a
better knowledge of the activity of existing ones, in particular with regard to
cutaneous pharmacokinetics of the molecules used, whether they are generally used
or topically.
* En Recherche Cosmétologique : la mise au point des actifs, des excipients, des produits
finis, tant en ce qui concerne la compatibilité cutanée que l'efficacité des substances.* In Cosmetic Research: the development of active ingredients, excipients, products
finished, both in terms of skin compatibility and the effectiveness of substances.
* En Pratique Clinique:
- le diagnostic dermatologique, en tant qu'alternative à la biopsie cutanée et/ou
complément à celle-ci, et pour le suivi de l'évolution des processus pathologiques,
- la prévention et le dépistage des cancers cutanés et l'appréciation du potentiel évolutif
des lésions précancéreuses
Les principales exigences d'une telle observation sont: * qu'elle soit non invasive en ce sens qu'elle ne modifie en rien, ni temporairement ni
définitivement, le milieu examiné, * qu'elle soit non destructive, * que la qualité des images acquises et l'exactitude des mesures soient compatibles avec les
exigences de l'application considérée, * qu'elle ne nécessite aucune préparation particulière, * qu'elle soit réalisée en temps réel. * In Clinical Practice:
- dermatological diagnosis, as an alternative to skin biopsy and / or
complement this, and for monitoring the evolution of pathological processes,
- prevention and detection of skin cancers and appreciation of the evolutionary potential
precancerous lesions
The main requirements for such an observation are: * that it be non-invasive in the sense that it does not modify anything, neither temporarily
definitively, the environment examined, * whether it is non-destructive, * that the quality of the images acquired and the accuracy of the measurements are compatible with
requirements of the application considered, * that it does not require any special preparation, * that it be carried out in real time.
L'analyse de l'état de l'art en matière d'observation des microstructures cutanées met en évidence l'existence de quatre procédés basés sur quatre principes physiques différents, à savoir: * la microscopie optique "conventionnelle" d'échantillons issus de biopsies cliniques, * la microscopie électronique à balayage d'échantillons issus de biopsies cliniques et
spécialement traités pour ce type d'examen, * la microscopie confocale à balayage pour l'observation de plans de coupe
perpendiculaires à l'axe optique du système, I'examen d'un volume étant réalisé par
acquisitions successives de plans de coupe parallèles entre eux et correspondant à des
profondeurs z distinctes, * I'échographie ultrasonore, seule d'entre elles à permettre l'observation non invasive d'un
plan de coupe parallèle à la direction de propagation de l'onde d'excitation.Analysis of the state of the art in observation of skin microstructures highlights the existence of four methods based on four different physical principles, namely: * "conventional" optical microscopy of samples from clinical biopsies, * scanning electron microscopy of samples from clinical biopsies and
specially treated for this type of examination, * confocal scanning microscopy for the observation of cutting planes
perpendicular to the optical axis of the system, the examination of a volume being carried out by
successive acquisitions of cutting planes parallel to each other and corresponding to
distinct depths, * ultrasound ultrasound, only one of them allowing non-invasive observation of a
cutting plane parallel to the direction of propagation of the excitation wave.
Ces quatre technologies ne satisfont pas à l'ensemble des exigences énumérées cidessus. These four technologies do not meet all of the requirements listed above.
Les microscopies optique et électronique sont invasives et destructives, la microscopie confocale à balayage ne permet pas l'observation simultanée et instantanée de structures internes situées à des profondeurs distinctes, enfin, I'échographie ultrasonore n'offre pas une résolution et une précision de mesure qui soient compatibles avec les besoins de nombreuses applications.Optical and electron microscopy are invasive and destructive, confocal scanning microscopy does not allow simultaneous and instantaneous observation of internal structures located at different depths, finally, ultrasound ultrasound does not offer resolution and measurement accuracy that are compatible with the needs of many applications.
La présente invention de tomobiopsie optique in vivo satisfait à l'ensemble des exigences énumérées ci-dessus. ll s'agit bien d'une méthode non invasive et non destructive, ne nécessitant aucune préparation particulière de l'objet, et qui permet d'acquérir en un instantané et de visualiser en temps réel l'image d'une coupe perpendiculaire au tégument avec une résolution microscopique.The present invention of in vivo optical tomobiopsy satisfies all the requirements listed above. It is indeed a non-invasive and non-destructive method, requiring no special preparation of the object, and which makes it possible to acquire in a snapshot and view in real time the image of a section perpendicular to the seed coat with microscopic resolution.
La présente invention a pour objet un dispositif optoélectronique de tomobiopsie optique cutanée in vivo destiné à l'acquisition, la visualisation et l'enregistrement d'images instantanées de plans de coupe (x, z) de la peau et de ses microstructures tant cellulaires que non cellulaires, au niveau de l'épiderme, du derme et de l'hypoderme, ainsi que des annexes cutanées, les phanères, les demi-muqueuses et les muqueuses accessibles à l'examen de façon non invasive, et caractérisé en ce qu'il comporte: * Une voie d'éclairage permettant d'illuminer la région sous examen selon un plan de coupe
et constituée::
. d'un bloc source incluant une source lumineuse polychromatique éclairant une fente
source placée au foyer d'un collimateur,
. un miroir galvanométrique de balayage angulaire de la nappe lumineuse d'éclairage
permettant de positionner à la demande l'ensemble des plans de coupe instantanés
nécessaires à l'observation 3D volumique de la région sous examen,
. d'un objectif de projection présentant un chromatisme axial connu et formant un
continuum d'images monochromatiques de la fente source, caractérisées en ce qu'elles
sont situées dans un plan définissant une coupe tomographique optique dans l'espace de
mesure, chaque image de la fente étant définie par sa longueur d'onde et sa distance de
focalisation par rapport à l'objectif de projection.The present invention relates to an optoelectronic device for in vivo optical skin tomobiopsy intended for the acquisition, visualization and recording of instantaneous images of sectional planes (x, z) of the skin and its microstructures both cellular and non-cellular, at the level of the epidermis, the dermis and the hypodermis, as well as the cutaneous appendages, the integuments, the semi-mucous membranes and the mucous membranes accessible to the examination in a non-invasive manner, and characterized in that it includes: * A lighting path allowing to illuminate the region under examination according to a cutting plan
and incorporated ::
. a source block including a polychromatic light source illuminating a slit
source placed at the focus of a collimator,
. a galvanometric mirror for angular scanning of the luminous light sheet
allowing to position on demand all instant cutting plans
necessary for 3D volume observation of the region under examination,
. a projection objective having a known axial chromatism and forming a
continuum of monochromatic images of the source slit, characterized in that they
are located in a plane defining an optical tomographic section in the space of
measurement, each image of the slit being defined by its wavelength and its distance from
focus relative to the projection objective.
* Une voie d'observation permettant de recueillir le flux rétrodiffusé par les détails
rencontrés (variations locales des indices de réfraction et d'absorption) et constituée:
. du même objectif de projection dont le chromatisme axial est connu, utilisé ici en
retour inverse de la lumière, et formant à l'infini une image polychromatique
commune de l'ensemble des images monochromatiques de la voie d'éclairage,
. d'une lame séparatrice permettant de dissocier la voie d'observation de la voie
d'éclairage,
. d'un collimateur reprenant l'image polychromatique à l'infini pour la focaliser sur une
fente de filtrage spatial.* A way of observation allowing to collect the backscattered flow by the details
encountered (local variations in refraction and absorption indices) and constituted:
. of the same projection objective whose axial chromatism is known, used here in
reverse light, and infinitely forming a polychromatic image
common of all the monochromatic images of the lighting path,
. a separating plate to dissociate the observation path from the path
lighting,
. a collimator taking the polychromatic image to infinity to focus it on a
spatial filtering slot.
* Un sous-ensemble de dispersion chromatique angulaire associé à un détecteur
photoélectrique matriciel bidimensionnel et à son électronique de pilotage permettant de
restituer une image en coupe de l'objet sous examen.* A subset of angular chromatic dispersion associated with a detector
two-dimensional matrix photoelectric and its control electronics allowing
restore a sectional image of the object under examination.
* Des moyens électroniques de pilotage et de synchronisation du miroir galvanométrique de
balayage angulaire afin de positionner, à la demande et successivement, I'ensemble des
plans de coupe instantanés nécessaires à l'observation 3D volumique de la région sous
examen.* Electronic means for controlling and synchronizing the galvanometric mirror of
angular scanning in order to position, on demand and successively, all of the
instant cross-sections necessary for 3D volume observation of the region under
exam.
* Des moyens électroniques et informatiques d'enregistrement, de traitement et de
visualisation des images instantanées acquises.* Electronic and computer means of recording, processing and
visualization of the acquired instant images.
Des modes de réalisation préférés du dispositif optoélectronique de tomobiopsie optique cutanée in vivo objet de l'invention sont décrits ci-après à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels: . la figure 1 représente un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, . la figure 2 représente une reconstitution tridimensionnelle d'objet par juxtaposition de
plans de coupe successifs parallèles entre eux.Preferred embodiments of the optoelectronic in vivo optical skin tomobiopsy device object of the invention are described below by way of example, with reference to the accompanying drawings in which:. FIG. 1 represents an embodiment of the device according to the invention,. FIG. 2 represents a three-dimensional reconstruction of an object by juxtaposition of
successive cutting planes parallel to each other.
Le dispositif représenté figure 1 fonctionne de la façon décrite ci-après: * La source lumineuse (20) polychromatique et à spectre continu éclaire, au moyen d'une
optique de focalisation (21), la fente source (22).The device shown in Figure 1 operates as described below: * The polychromatic and continuous spectrum light source (20) illuminates, by means of a
focusing optics (21), the source slot (22).
* Une optique de collimation (23) forme une image à l'infini de la fente source (22) située
en son foyer objet.* A collimation lens (23) forms an infinite image of the source slot (22) located
in its object focus.
* Le faisceau collimaté traverse une lame séparatrice (24) qui servira à replier les pinceaux
lumineux rétrodifflisés par l'objet, et ainsi à les dissocier de ceux de la voie d'éclairage.* The collimated beam crosses a separating blade (24) which will be used to fold the brushes
luminous backscattered by the object, and thus to dissociate them from those of the lighting path.
* Un miroir galvanométrique (32) défléchit angulairement la nappe lumineuse (33)
d'éclairage pour positionner à la demande le plan de coupe instantané d'observation.* A galvanometric mirror (32) angularly deflects the light sheet (33)
lighting to position the instantaneous cutting section on demand.
* Un objectif de projection (25) présentant un chromatisme axial connu forme un
continuum d'images monochromatiques de la fente source, caractérisées en ce qu'elles
sont situées dans un plan (x, z) parallèle à l'axe optique de l'objectif de projection (25) et
définissant une coupe tomographique optique (26) dans l'espace de mesure, chaque image
de la fente étant définie par sa longueur d'onde et sa distance de focalisation par rapport à
l'objectif de projection (25).* A projection objective (25) having known axial chromatism forms a
continuum of monochromatic images of the source slit, characterized in that they
are located in a plane (x, z) parallel to the optical axis of the projection objective (25) and
defining an optical tomographic section (26) in the measurement space, each image
of the slit being defined by its wavelength and its focusing distance relative to
the projection objective (25).
* Le même objectif de projection (25), utilisé en retour inverse de la lumière, permet de
collecter les pinceaux rétrodifflisés par les détails rencontrés situés dans le plan de
tomobiopsie optique (26). Il forme à l'infini une image polychromatique commune de
l'ensemble des images monochromatiques de la voie d'éclairage telles que modulées en
intensité en chaque point par les détails de l'objet (variations locales d'indice de
réfraction). * The same projection lens (25), used in reverse light return, allows
collect the brushes backscattered by the details encountered located in the plane of
optical tomobiopsy (26). It forms an infinite common polychromatic image of
all the monochromatic images of the lighting path as modulated in
intensity at each point by the details of the object (local variations in index of
refraction).
* Le miroir galvanométrique (32) défléchit angulairement en retour la nappe lumineuse (34)
jusqu'à la position (33).* The galvanometric mirror (32) angularly deflects back the light sheet (34)
to position (33).
* La lame séparatrice (24) assure le repliement des faisceaux en direction du collimateur
(27) qui reprend l'image polychromatique à l'infini pour la focaliser sur la fente de filtrage
spatial (28).* The separating blade (24) ensures the folding of the beams towards the collimator
(27) which takes the polychromatic image to infinity to focus it on the filtering slot
spatial (28).
* Le sous-ensemble de dispersion chromatique angulaire (29) du type spectrographe
imageur, dont la fente d'entrée est la fente de filtrage spatial (28), forme dans son plan
image une continuité d'images monochromatiques dont l'ensemble constitue une image du
plan (x, z) de tomobiopsie optique (26).* The angular chromatic dispersion subset (29) of the spectrograph type
imager, the input slit of which is the spatial filtering slit (28), formed in its plane
image a continuity of monochromatic images the whole of which constitutes an image of the
plan (x, z) of optical tomobiopsy (26).
* Le détecteur photoélectrique matriciel bidimensionnel (30), placé dans le plan image du
spectrographe imageur, fournit à l'aide de son électronique de pilotage (31), une image
instantanée du plan de tomobiopsie éclairé, dont la fréquence de rafraichissement est
définie par les performances intrinsèques du détecteur matriciel bidimensionnel et le bilan
photométrique de l'ensemble, y compris les propriétés de rétrodiffusion des détails de
l'objet.* The two-dimensional matrix photoelectric detector (30), placed in the image plane of the
imaging spectrograph, using its piloting electronics (31), provides an image
instant of the lit tomobiopsy plan, whose refresh rate is
defined by the intrinsic performance of the two-dimensional matrix detector and the balance
photometric of the whole, including the backscattering properties of the details of
the object.
* Des moyens électroniques de pilotage et de synchronisation (38) du miroir
galvanométrique de balayage afin d'accéder, à la demande et successivement, à l'ensemble
des plans de coupe instantanés nécessaires.* Electronic means for controlling and synchronizing (38) the mirror
galvanometric sweep in order to access, on demand and successively, the whole
instant cutting plans required.
* Des moyens électroniques et informatiques (39) permettant d'enregistrer, traiter et
visualiser les images instantanées acquises.* Electronic and computer means (39) for recording, processing and
view the acquired snapshots.
La figure 2 représente la reconstitution tridimensionnelle du volume d'examen (35) par juxtaposition informatique des plans de coupe successifs parallèles entre eux une translation de pas constant selon l'axe (y) du plan de tomobiopsie optique (26) permet d'acquérir un ensemble (36) d'images qui, par juxtaposition, permettent d'obtenir une reconstitution tridimensionnelle (37) des microstructures du volume d'examen.FIG. 2 represents the three-dimensional reconstruction of the examination volume (35) by computer juxtaposition of the successive sectional planes parallel to each other a translation of constant pitch along the axis (y) of the optical tomobiopsy plane (26) makes it possible to acquire a set (36) of images which, by juxtaposition, make it possible to obtain a three-dimensional reconstruction (37) of the microstructures of the examination volume.
La source lumineuse polychromatique peut être par exemple choisie panni les sources suivantes, correspondant à différents modes préférés de réalisation de l'invention:
s . une source à incandescence, . une lampe à Arc donnant un spectre continu et relativement uniforme sur une large bande
spectrale, telle qu'une lampe à Arc au Xénon, utilisée en mode flash ou en mode continu, .une ou plusieurs sources couplées à spectre étroit, de type DEL (Diode
électroluminescente), ou diode Super Radiante,
Pour certaines applications qui ne nécessitent pas de former une image continue selon x du plan de coupe (x, z), mais requièrent une plus grande précision de mesure, on peut avantageusement remplacer la fente d'éclairage (22) par des trous source alignés et non nécessairement équidistants.La fente de filtrage spatial (28) est alors remplacée par des trous de filtrage spatial conjugués des trous source. Ceci permet d'augmenter la résolution d'analyse simultanément suivant les trois directions (x, y, z) grâce à une meilleure efficacité du filtrage spatial réalisé par (28), et ce pour l'ensemble des images monochromatiques des trous d'éclairage (22) formées par l'objectif de projection (25) dans le plan de tomobiopsie (26).The polychromatic light source can for example be chosen from the following sources, corresponding to different preferred embodiments of the invention:
s. an incandescent source,. an Arc lamp giving a continuous and relatively uniform spectrum over a wide band
spectral, such as a Xenon Arc lamp, used in flash mode or continuous mode, .one or more coupled sources with narrow spectrum, LED type (Diode
electroluminescent), or Super Radiant diode,
For certain applications which do not require forming a continuous image along x of the cutting plane (x, z), but require greater measurement accuracy, it is advantageous to replace the lighting slit (22) with aligned source holes and not necessarily equidistant. The spatial filtering slot (28) is then replaced by spatial filtering holes combined with the source holes. This makes it possible to increase the analysis resolution simultaneously in the three directions (x, y, z) thanks to a better efficiency of the spatial filtering carried out by (28), and this for all the monochromatic images of the lighting holes. (22) formed by the projection objective (25) in the tomobiopsy plane (26).
Selon des modes préférés de réalisation, le miroir galvanométrique de déflection angulaire de la nappe lumineuse (33) à l'aller, et de la nappe (34) en retour, peut être remplacé par un miroir oscillant (résonnant) ou par un miroir polygonal tournant ou par un déflecteur acousto-optique.According to preferred embodiments, the galvanometric mirror for angular deflection of the light sheet (33) on the outward journey, and of the return sheet (34), can be replaced by an oscillating (resonant) mirror or by a polygonal mirror. rotating or by an acousto-optic deflector.
Selon des modes préférés de réalisation, l'optique à chromatisme axial contrôlé peut être du type optique réfractive (association de lentilles de forme et composition adéquates), ou du type diffractive (lentille holographique), ou formée d'une combinaison des deux technologies.According to preferred embodiments, the optics with controlled axial chromatism can be of the refractive optical type (association of lenses of suitable shape and composition), or of the diffractive type (holographic lens), or formed of a combination of the two technologies.
Selon un mode préféré de réalisation, I'objectif (25) à chromatisme axial connu peut être doté d'aberrations géométriques contrôlées et connues comme l'aberration sphérique et la courbure de champ, afin d'adapter la forme des images monochromatiques de la fente source dans l'espace d'observation à des géométries particulières d'objets à examiner et/ou de compenser partiellement ou totalement les aberrations causées par la traversée des régions supérieures desdits objets.According to a preferred embodiment, the objective (25) with known axial chromatism can be provided with controlled geometric aberrations and known as spherical aberration and field curvature, in order to adapt the shape of the monochromatic images of the slit source in the observation space to particular geometries of objects to be examined and / or to partially or totally compensate for the aberrations caused by the crossing of the upper regions of said objects.
Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, le sous-ensemble (29) de dispersion chromatique angulaire est du type spectrographe imageur, utilisant un prisme comme élément de dispersion.According to a preferred embodiment of the invention, the angular chromatic dispersion sub-assembly (29) is of the imaging spectrograph type, using a prism as a dispersion element.
Selon un autre mode préféré de réalisation, l'élément dispersif du spectrographe imageur est un réseau de diffraction.According to another preferred embodiment, the dispersive element of the imaging spectrograph is a diffraction grating.
Selon un mode préféré de réalisation, le détecteur matriciel bidimensionnel (30) placé dans le plan image du sous-ensemble de dispersion chromatique angulaire (29) peut être remplacé par un film photographique sensible à la couleur.According to a preferred embodiment, the two-dimensional matrix detector (30) placed in the image plane of the angular chromatic dispersion sub-assembly (29) can be replaced by a photographic film sensitive to color.
Selon un autre mode de réalisation, le détecteur matriciel (30) peut être remplacé par un dispositif optique permettant une observation visuelle directe de l'image. According to another embodiment, the matrix detector (30) can be replaced by an optical device allowing direct visual observation of the image.
Claims (7)
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|---|---|---|---|
| FR9510400A FR2738140B1 (en) | 1995-08-30 | 1995-08-30 | IN VIVO SKIN OPTICAL TOMOBIOPSY DEVICE |
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|---|---|
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|---|---|
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