RU125458U1

RU125458U1 - DEVICE FOR DETERMINING THE LOCALIZATION OF ATYPIC CELLS BY LUMINESCENCE OF NANOCRYSTALLINE TAGS IN BIOLOGICAL TISSUES

Info

Publication number: RU125458U1
Application number: RU2012135887/28U
Authority: RU
Inventors: Алина Анвяровна Маньшина; Евгений Николаевич Борисов; Алексей Валерьевич Поволоцкий; Олег Сергеевич Грунский
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2013-03-10

Abstract

1. Устройство для определения локализации атипичных клеток по люминесценции нанокристаллических меток в биологических тканях, содержащее установленную на штативе микроскопическую приставку с инфинитной оптикой, блок регистрации изображения, осветительную систему и систему обработки изображений, отличающееся тем, что источник осветительной системы выполнен в виде узкополосного светодиодного модуля, дополнительно между микроскопической приставкой с инфинитной оптикой со стороны оптического выхода и блоком регистрации изображения установлена система спектральной фильтрации, а между осветительной системой и блоком регистрации изображения установлен блок временной задержки сигналов, входы которого соединены с выходами осветительной системы и системы обработки изображения, а его выходы соединены со входами осветительной системы, системы обработки изображения и блока регистрации изображения, причем система спектральной фильтрации снабжена набором меняющихся полосовых оптических фильтров со ступенчатым изменением коэффициента пропускания.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что светодиодный модуль имеет набор узкополосных источников в диапазоне 300-650 нм.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что штатив снабжен крепежным приспособлением для поворота и фиксации микроскопической приставки с инфинитной оптикой в телесном угле 4π. 1. A device for determining the localization of atypical cells by luminescence of nanocrystalline labels in biological tissues, containing a microscopic attachment with infinite optics mounted on a tripod, an image recording unit, a lighting system and an image processing system, characterized in that the source of the lighting system is made in the form of a narrow-band LED module , additionally between a microscopic attachment with infinite optics on the optical output side and the image registration unit a spectral filtering system has been established, and between the lighting system and the image recording unit, a signal time delay unit has been installed, the inputs of which are connected to the outputs of the lighting system and image processing system, and its outputs are connected to the inputs of the lighting system, image processing system and image registration unit, the system spectral filtering is equipped with a set of variable band-pass optical filters with stepwise change in transmittance. 2. The device according to claim 1, characterized in that the LED module has a set of narrow-band sources in the range of 300-650 nm. The device according to claim 1, characterized in that the tripod is equipped with a mounting device for turning and fixing a microscopic attachment with infinite optics in a solid angle of 4π.

Description

Полезная модель относится к области люминесцентно-микроскопического анализа биологических объектов, визуализации и регистрации изображений в биологии и медицине и может быть использована в приборостроении для производства высокочувствительных и высокоинформативных приборов, позволяющих получать на основе люминесцентной микроскопии качественные изображения нанометок в биологических тканях.The utility model relates to the field of luminescence-microscopic analysis of biological objects, visualization and registration of images in biology and medicine, and can be used in instrumentation for the production of highly sensitive and highly informative devices, allowing to obtain high-quality images of nanomets in biological tissues based on luminescent microscopy.

Известны устройства регистрации изображения биообъектов, которые основаны на различных принципах работы [1-3]. Эти устройства чаще всего реализуются с использованием оптического освещения и регистрации изображения биообъекта при помощи фото - либо видеокамеры. В качестве источников оптического излучения могут выступать лампы, светодиоды и лазеры. Чаще всего подобные устройства содержат оптическую систему для наблюдения и/или фиксирования изображения образца, держатель образца, расположенный напротив объектива оптической системы, источник возбуждения флуоресцентного излучения. Однако эти устройства не позволяют регистрировать изображения специфических областей биологической ткани на фоне ее аутолюминесценции с чувствительностью, необходимой для точного определения локализации этих специфических областей.Known devices for recording images of biological objects, which are based on various principles of operation [1-3]. These devices are most often implemented using optical lighting and recording the image of a biological object using a photo or video camera. As sources of optical radiation can be lamps, LEDs and lasers. Most often, such devices contain an optical system for observing and / or capturing an image of a sample, a sample holder located opposite the objective of the optical system, and a source of excitation of fluorescence radiation. However, these devices do not allow recording images of specific areas of biological tissue against the background of its autoluminescence with the sensitivity necessary to accurately determine the localization of these specific areas.

Одно из известных устройств визуализации объектов реализовано в виде люминесцентного микроскопа [4] и заключается в том, что при помощи коротковолнового спектрального диапазона широкополосного оптического излучения осуществляется возбуждение люминесценции образца, фоторегистрация которой позволяет получить искомое изображение. Разделение излучения накачки и люминесценции обеспечивается при помощи широкополосного фильтра, что приводит к низкой контрастности изображения нанокристаллических меток в биологических тканях.One of the known devices for visualizing objects is implemented in the form of a luminescent microscope [4] and consists in the fact that using the short-wavelength spectral range of broadband optical radiation, luminescence of the sample is excited, the photorecording of which allows obtaining the desired image. The separation of pump radiation and luminescence is ensured by a broadband filter, which leads to low contrast images of nanocrystalline labels in biological tissues.

Известно так же реализуемое в [5] устройство временной задержки между импульсом лампы освещения и отраженным от объекта светом, что позволяет получить изображение с улучшенным контрастом. При этом улучшение контраста достигается путем программной обработки изображений, полученных с различными временами задержки. К недостаткам этого устройства относится низкая информативность из-за отсутствия спектральной селективности при регистрации изображения.It is also known that a time delay device is implemented in [5] between the illumination lamp pulse and the light reflected from the object, which makes it possible to obtain an image with improved contrast. At the same time, contrast improvement is achieved by software processing images obtained with different delay times. The disadvantages of this device include low information content due to the lack of spectral selectivity during image registration.

Известно устройство для определения локализации специфических областей биологической ткани [6], которое наиболее близко по решаемой технической задаче и принято в качестве прототипа. Общими признаками у известного устройства и заявляемой полезной модели является использование микроскопической приставки с инфинитной оптикой и системы регистрации изображения. Известное устройство позволяет получать изображения биологического объекта и определять локализацию специфической области по цветовому локусу. Определение локализации специфической области биологического объекта в известном устройстве осуществляется программной обработкой цветового изображения.A device for determining the localization of specific areas of biological tissue [6], which is closest to the technical task to be solved and adopted as a prototype. Common features of the known device and the claimed utility model is the use of a microscopic attachment with infinite optics and an image registration system. The known device allows you to obtain images of a biological object and determine the localization of a specific area by color locus. The determination of the localization of a specific area of a biological object in a known device is carried out by software processing a color image.

Недостатками известного устройства являются невысокая информативность регистрируемого изображения биологической ткани, содержащей атипичные клетки, а также низкая чувствительность системы регистрации изображения люминесцирующих специфических областей на фоне аутолюминесценции биологической ткани вследствие, в частности, низкой контрастности получаемых изображений. Кроме того, к недостаткам известного устройства относится ограниченная область исследуемых биологических объектов, что существенно ограничивает возможности его использования.The disadvantages of the known device are the low informativeness of the recorded image of biological tissue containing atypical cells, as well as the low sensitivity of the image registration system of luminescent specific areas against the background of autoluminescence of biological tissue due to, in particular, low contrast of the obtained images. In addition, the disadvantages of the known device include a limited area of the studied biological objects, which significantly limits the possibilities of its use.

Заявляемая полезная модель свободна от указанных недостатков.The inventive utility model is free from these disadvantages.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение информативности получаемых изображений и чувствительности при определении специфических областей (локализации в биологических тканях атипических клеток, маркированных нанокристаллическими метками) за счет увеличения контраста изображения, а также существенное расширение круга исследуемых биологических объектов.The technical result of the proposed utility model is to increase the information content of the obtained images and the sensitivity in determining specific areas (localization in the biological tissues of atypical cells labeled with nanocrystalline labels) by increasing the contrast of the image, as well as a significant expansion of the range of biological objects under study.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для определения локализации атипичных клеток по люминесценции нанокристаллических меток в биологических тканях, содержащем установленную на штативе микроскопическую приставку с инфинитной оптикой, систему спектральной фильтрации, блок регистрации изображения, осветительную систему и систему обработки изображений, в соответствии с заявляемой полезной моделью, источник осветительной системы выполнен в виде узкополосного светодиодного модуля, дополнительно между микроскопической приставкой с инфинитной оптикой и блоком регистрации изображения установлена система спектральной фильтрации, а между осветительной системой и блоком регистрации изображения установлен блок временной задержки сигналов, входы которого соединены с выходами осветительной системы и системы обработки изображения, а его выходы соединены со входами осветительной системой, системы обработки изображения и блока регистрации изображения, причем система спектральной фильтрации снабжена набором меняющихся полосовых оптических фильтров со ступенчатым изменением коэффициента пропускания.The specified technical result is achieved by the fact that in the device for determining the localization of atypical cells by luminescence of nanocrystalline labels in biological tissues, containing a microscopic attachment with infinite optics mounted on a tripod, a spectral filtering system, an image recording unit, a lighting system and an image processing system, in accordance with claimed utility model, the source of the lighting system is made in the form of a narrow-band LED module, additionally between the mic A spectral filtering system is installed with a roscopic attachment with infinite optics and an image recording unit, and a signal delay unit is installed between the lighting system and the image registration unit, the inputs of which are connected to the outputs of the lighting system and the image processing system, and its outputs are connected to the inputs of the lighting system, system image processing and image registration unit, and the spectral filtering system is equipped with a set of variable band-pass optical filters with stepwise change of transmittance.

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что светодиодный модуль имеет набор узкополосных источников в диапазоне 300 нм-650 нм.In addition, this technical result is achieved in that the LED module has a set of narrow-band sources in the range of 300 nm-650 nm.

Помимо этого, указанный технический результат достигается тем, что штатив снабжен крепежным приспособлением для поворота и фиксации микроскопической приставки с инфинитной оптикой в телесном угле 4π.In addition, this technical result is achieved by the fact that the tripod is equipped with a mounting device for turning and fixing the microscopic attachment with infinite optics in a solid angle of 4π.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется Фиг.1-4.The essence of the claimed utility model is illustrated in Fig.1-4.

На Фиг.1 представлена схема устройства определения локализации атипичных клеток по люминесценции нанокристаллических меток в биологических тканях.Figure 1 presents a diagram of a device for determining the localization of atypical cells by luminescence of nanocrystalline labels in biological tissues.

На Фиг.2, иллюстрирующей спектры пропускания, представлены спектральные характеристики набора отрезающих возбуждающий свет оптических фильтров со ступенчатым изменением коэффициента пропускания.Figure 2, illustrating the transmission spectra, presents the spectral characteristics of a set of cut-off exciting optical filters with a stepwise change in transmittance.

На Фиг.3 и Фиг.4 представлены визуальные изображения люминесцирующих различных нанокристаллических меток в биологической ткани, зарегистрированные при разных условиях освещения и регистрации изображений.Figure 3 and Figure 4 presents visual images of luminescent various nanocrystalline labels in biological tissue, recorded under different lighting conditions and image registration.

Как видно из Фиг.1 заявляемая полезная модель содержит микроскопическую приставку с инфинитной оптикой (1), систему спектральной фильтрации (2), блок регистрации изображения (3), систему обработки изображения (4), блок временной задержки сигналов (5), осветительную систему (6) в составе со светодиодным источником оптического излучения (7), штангу штатива (8) с крепежным приспособлением (9) для поворота и фиксации микроскопической приставки, штатив (10) для фиксации осветительной системы и закрепления исследуемого объекта (11).As can be seen from Figure 1, the claimed utility model contains a microscopic attachment with infinite optics (1), a spectral filtering system (2), an image registration unit (3), an image processing system (4), a signal delay unit (5), a lighting system (6) in combination with an LED optical radiation source (7), a tripod rod (8) with a mounting device (9) for turning and fixing the microscopic attachment, a tripod (10) for fixing the lighting system and fixing the object under study (11).

На Фиг.1 изображена схема устройства. Конструктивная компоновка устройства выполнена в двух модулях. Микроскопическая приставка с инфинитной оптикой (1) с системой спектральной фильтрации (2) и блок регистрации изображения (3) крепится на штанге штатива (8), предназначенном для работы с протяженными предметами и объектами, имеющими сложную форму. Штатив снабжен крепежным приспособлением (9), при помощи которого микроскопическая приставка устанавливается на нужную высоту, плавно перемещается в горизонтальной плоскости, поворачивается и фиксируется относительно наблюдаемого объекта в телесном угле 4π. Осветительная система (6) со светодиодным модулем (7) крепится на отдельном штативе (10), предназначенном для закрепления исследуемого объекта (11), что позволяет гибко изменять условия освещения и наблюдения протяженных объектов.Figure 1 shows a diagram of a device. The design layout of the device is made in two modules. A microscopic attachment with infinite optics (1) with a spectral filtering system (2) and an image recording unit (3) is mounted on a tripod rod (8), designed to work with extended objects and objects that have a complex shape. The tripod is equipped with a mounting device (9), with which the microscopic attachment is set to the desired height, moves smoothly in the horizontal plane, rotates and is fixed relative to the observed object in a solid angle of 4π. The lighting system (6) with an LED module (7) is mounted on a separate tripod (10), designed to fix the test object (11), which allows you to flexibly change the lighting conditions and observation of extended objects.

Работа заявляемого устройства определения локализации атипичных клеток по люминесценции нанокристаллических меток в биологических тканях осуществляется следующим образом. На оптическом выходе микроскопической приставки с инфинитной оптикой (1) формируется параллельный световой пучок, что позволяет избежать смещения спектральных характеристик оптических фильтров при косом падении лучей, смонтирована система спектральной фильтрации (2) сигнала люминесценции меток - набор отрезающих возбуждающий свет оптических фильтров со ступенчатым изменением коэффициента пропускания (Фиг.2). Спектры пропускания фильтров имеют резкую границу со стороны коротких длин волн, чтобы надежно отрезать рассеянное объектом излучение монохроматического источника возбуждения от сдвинутого в красную область спектра люминесценции нанокристаллических меток.The operation of the claimed device for determining the localization of atypical cells by luminescence of nanocrystalline labels in biological tissues is as follows. A parallel light beam is formed at the optical output of a microscopic set-top box with infinite optics (1), which avoids the shift of the spectral characteristics of optical filters with oblique incidence of rays, a spectral filtering system (2) of the luminescence signal is mounted - a set of optical filters that cut off exciting light with a step change in coefficient transmission (Figure 2). The transmission spectra of the filters have a sharp boundary on the side of short wavelengths in order to reliably cut off the radiation of the monochromatic excitation source scattered by the object from the nanocrystalline labels shifted to the red region of the luminescence spectrum.

Блок временной задержки сигнала совместно с программным интерфейсом блока регистрации изображения позволяет гибко и оперативно производить регистрацию с селекцией по времени сигналов люминесцирующих меток, имеющих характерные времена высвечивания в диапазоне 0,1-10 мс, от быстрой аутолюминесценции биологических тканей (0,1-10 нc).The time delay unit of the signal, together with the software interface of the image registration unit, allows flexible and efficient registration with time-based selection of luminescent label signals having characteristic luminance times in the range of 0.1-10 ms from fast autoluminescence of biological tissues (0.1-10 ns )

Управление регистрацией сигналов люминесценции и отображением информации производится на основе системы обработки изображения с программными модулями управления осветительной системы и блока регистрации изображения, что обеспечивает управление приемом и обработки изображений с блока рпегистрации изображения с сохранением всех данных в памяти системы обработки изображения (4).The registration of luminescence signals and the display of information is controlled on the basis of an image processing system with software control modules for the lighting system and an image registration unit, which provides control of the reception and processing of images from the image registration unit with all data stored in the memory of the image processing system (4).

Первоначально выбирается требуемый для возбуждения специфической метки источник светодиодного модуля (7), включается осветитель, на компьютере запускается программное обеспечение блока регистрации изображения (3), выбирается требуемое увеличение микроскопической приставки с инфинитной оптикой (1), по изображению на мониторе производится фокусировка микроскопической приставки на объект (11), выбирается требуемый светофильтр в системе спектральной фильтрации (2), выбирается требуемый уровень освещенности объекта, экспозиция, при работе в стробоскопическом импульсном режиме выбирается время задержки начала экспозиции. Производится наблюдение люминесценции и, при необходимости, регистрация изображений.Initially, the source of the LED module (7) required to excite the specific label is selected, the illuminator is turned on, the image registration unit software (3) is started on the computer, the required increase in the microscopic extension with infinite optics (1) is selected, and the microscopic extension is focused on the image on the monitor object (11), selects the required filter in the spectral filtering system (2), selects the required level of illumination of the object, exposure, when working in the stroboscopic pulse mode selects the delay time for the start of exposure. Observation of luminescence and, if necessary, registration of images.

Заявленная полезная модель была апробирована в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета в режиме реального времени.The claimed utility model was tested in laboratory conditions of St. Petersburg State University in real time.

В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного технического результата: за счет получения высокой контрастности изображения и определения точной локализации атипичных клеток по люминесценции нанокристаллических меток на фоне свечения биологической ткани была получена высокая по сравнению с аналогами информативность и чувствительность.As a result of experiments, the achievement of the indicated technical result was confirmed: by obtaining high image contrast and determining the exact localization of atypical cells by luminescence of nanocrystalline tags against the background of biological tissue glow, a high information content and sensitivity were obtained compared to analogues.

Тестовые режимы работы заявляемой полезной модели приведены в конкретных примерах ее апробации с биологической тканью.Test modes of operation of the claimed utility model are given in specific examples of its testing with biological tissue.

Пример 1. Биологическая ткань с нанокристаллическими метками на основе допированного неодимом граната. Освещение производится в постоянном режиме светодиодом с длиной волны излучения 560 нм, попадающей в полосу поглощения данных меток. В системе фильтрации выбирается фильтр с границей пропускания 750 нм, пропускающий полосу люминесценции нанометок и отрезающий посторонний свет. Пример изображения люминесцирующих нанометок представлен на Фиг.3.Example 1. Biological tissue with nanocrystalline labels based on doped neodymium pomegranate. Lighting is carried out in a constant mode by an LED with a wavelength of 560 nm, which falls into the absorption band of these labels. In the filtration system, a filter with a transmission limit of 750 nm is selected, which transmits the luminescence band of nanotags and cuts off extraneous light. An example of the image of luminescent nanometres is presented in Figure 3.

Пример 2. Биологическая ткань с нанокристаллическими метками на основе допированного европием ванадата иттрия. Освещение производится в импульсном режиме светодиодом с длиной волны излучения 405 нм, попадающей в полосу поглощения данных нанометок. Частота импульсов - 12 Гц, скважность 23%. Задержка начала экспозиции относительно заднего фронта импульса возбуждения составляет 5 мс. В системе фильтрации выбирается фильтр с границей пропускания 650 нм, пропускающий полосу люминесценции нанометок. Пример изображения люминесцирующих нанометок в биологической ткани при регистрации изображения с временной задержкой представлен на Фиг.4.Example 2. Biological tissue with nanocrystalline labels based on doped with europium yttrium vanadate. Lighting is performed in a pulsed mode by an LED with a radiation wavelength of 405 nm, which falls into the absorption band of these nanometer marks. Pulse frequency - 12 Hz, duty cycle 23%. The delay in the start of exposure relative to the trailing edge of the excitation pulse is 5 ms. In the filtration system, a filter with a transmission limit of 650 nm is selected, which passes the luminescence band of nanotags. An example of the image of luminescent nanomets in biological tissue during registration of an image with a time delay is presented in FIG. 4.

Как показали результаты апробации, заявляемая полезная модель позволяет с высокой информативностью и высокой чувствительностью определять локализацию атипичных клеток и регистрировать качественное контрастное изображение люминесценцентных нанокристаллических маркеров на основе оксидных нанокрсталлических частиц, допированных редкоземельными элементами, на фоне свечения биологической ткани. Наличие системы фильтрации регистрируемого излучения со сменными светофильтрами с разным спектральным положением края оптического пропускания и блока регистрации изображения с временной задержкой позволяет за счет существенного уменьшения фонового сигнала от рассеянного света источников возбуждения и от аутолюминесценции биологических тканей повысить не только визуализацию атипичных клеток в биологических тканях, но и диагностировать (в перспективе) по характеру их локализации распознаваемость конкретных заболеваний.As the results of testing showed, the claimed utility model allows determining the localization of atypical cells with high information content and high sensitivity and recording a high-quality contrast image of luminescent nanocrystalline markers based on oxide nanocrystalline particles doped with rare-earth elements against the background of the glow of biological tissue. The presence of a filtering system for detected radiation with interchangeable filters with different spectral positions of the optical transmission edge and a time-delayed image recording unit makes it possible to increase not only the visualization of atypical cells in biological tissues due to a significant decrease in the background signal from scattered light from excitation sources and from autoluminescence of biological tissues and diagnose (in the future) by the nature of their localization the recognition of specific diseases.

Заявленная полезная модель имеет более высокие возможности по сравнению с аналогами по изучению разнообразных видов биологических тканей, что существенно повышает ее информативность для создания целого комплекса по определению локализации атипичных клеток в биологических объектах.The claimed utility model has higher capabilities than its counterparts for the study of various types of biological tissues, which significantly increases its information content to create a whole complex to determine the localization of atypical cells in biological objects.

Кроме того, появляется также возможность применения заявленной полезной модели при определении локализации атипичных клеток в биологических тканях в случае одновременного использования различных нанокристаллических маркеров, отличающихся по спектру люминесценции.In addition, it also becomes possible to use the claimed utility model in determining the localization of atypical cells in biological tissues in the case of the simultaneous use of various nanocrystalline markers that differ in the luminescence spectrum.

Список использованной литературы:List of used literature:

1. Патент RU 21662011. Patent RU 2166201

2. Патент RU 856872. Patent RU 85687

3. Патент RU 991023493. Patent RU 99102349

4. P.M.Рагузин // Авторское свидетельство SU 678449, 1979.08.05 //4. P.M. Raguzin // Copyright certificate SU 678449, 1979.08.05 //

5. Muñoz Leo, Jose // European Patent EP 2144272 //5. Muñoz Leo, Jose // European Patent EP 2144272 //

6. CARL ZEISS MEDITEC AG, C.Hauger, R.Guckler, H.Jess, J.Stefen, W.Nahm // WO 201297924 // - Прототип6. CARL ZEISS MEDITEC AG, C. Hauger, R. Guckler, H. Jess, J. Stefen, W. Nahm // WO 201297924 // - Prototype

Claims

1. A device for determining the localization of atypical cells by the luminescence of nanocrystalline labels in biological tissues, containing a microscopic attachment with infinite optics mounted on a tripod, an image recording unit, a lighting system and an image processing system, characterized in that the source of the lighting system is made in the form of a narrow-band LED module , additionally between a microscopic attachment with infinite optics on the optical output side and the image registration unit a spectral filtering system was established, and between the lighting system and the image recording unit, a signal time delay unit was installed, the inputs of which are connected to the outputs of the lighting system and the image processing system, and its outputs are connected to the inputs of the lighting system, image processing system and image registration unit, the system spectral filtering is equipped with a set of variable band-pass optical filters with stepwise change in transmittance.

2. The device according to claim 1, characterized in that the LED module has a set of narrow-band sources in the range of 300-650 nm.

3. The device according to claim 1, characterized in that the tripod is equipped with a mounting device for turning and fixing a microscopic attachment with infinite optics in a solid angle of 4π.