RU204680U1

RU204680U1 - DEVICE FOR CONTACT INFRARED VISUALIZATION OF BLOOD VESSELS BY BACKSCATTERED LASER RADIATION

Info

Publication number: RU204680U1
Application number: RU2021103069U
Authority: RU
Inventors: Канамат Темботович Эфендиев; Павел Вячеславович Грачев; Виктор Борисович Лощенов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "БИОСПЕК"
Priority date: 2021-02-09
Filing date: 2021-02-09
Publication date: 2021-06-04

Abstract

Полезная модель относится к области медицины, а именно к устройствам медицинской визуализации кровеносных сосудов, которая может быть использована в таких областях, как флебология, косметология, хирургия, дерматология и др. Данная модель в целом относится к портативным системам или к устройствам для визуализации кровеносных сосудов, чтобы облегчить процесс точного обнаружения подкожных кровеносных сосудов. Техническим результатом является: повышение контрастности получаемых теневых инфракрасных изображений; комфортное восприятие информации, получаемой пользователем; простота в эксплуатации. Устройство включает в себя несколько конструктивно соединенных элементов: цифровую инфракрасную камеру с КМОП матрицей 4, объектив 5, оптические волокна 6 и каркас устройства 1, 2.The utility model relates to the field of medicine, namely to devices for medical imaging of blood vessels, which can be used in areas such as phlebology, cosmetology, surgery, dermatology, etc. This model generally refers to portable systems or devices for imaging blood vessels to facilitate the accurate detection of subcutaneous blood vessels. The technical result is: increasing the contrast of the obtained shadow infrared images; comfortable perception of information received by the user; ease of use. The device includes several structurally connected elements: a digital infrared camera with a CMOS matrix 4, a lens 5, optical fibers 6 and a frame of the device 1, 2.

Description

Область техники, к которой относится полезная модельTechnical field to which the utility model belongs

Полезная модель относится к области медицины, а именно к устройствам медицинской визуализации кровеносных сосудов, которая может быть использована в таких областях, как флебология, косметология, хирургия, дерматология и др.The useful model relates to the field of medicine, namely to devices for medical imaging of blood vessels, which can be used in areas such as phlebology, cosmetology, surgery, dermatology, etc.

Уровень техникиState of the art

Визуализация подкожных кровеносных сосудов крайне важна для тех, кто занимается медициной. Хотя некоторые подкожные кровеносные сосуды можно легко различить невооруженным глазом, для многих пациентов (особенно для новорожденных и людей с высоким уровнем ожирения и пигментации кожи) это представляет собой серьезную проблему. Получение объективных численных оценок геометрии кровеносных сосудов позволяет внести существенный вклад в построение экспертной оценки наличия патологий кровеносной системы и приводит к повышению качества медицинской диагностики.The imaging of the subcutaneous blood vessels is extremely important for medical practitioners. Although some subcutaneous blood vessels can be easily distinguished with the naked eye, for many patients (especially newborns and people with high levels of obesity and skin pigmentation) this is a serious problem. Obtaining objective numerical estimates of the geometry of blood vessels makes it possible to make a significant contribution to the construction of an expert assessment of the presence of pathologies of the circulatory system and leads to an increase in the quality of medical diagnostics.

Среди множества методов визуализации кровеносных сосудов, наиболее распространенными являются методы, основанные на оптических свойствах кожи. Идея, лежащая в основе этих методов, основана на том факте, что с увеличением длины волны в диапазоне от 600 до 900 нм рассеяние света в коже человека уменьшается. Поглощение в ближнем инфракрасном диапазоне клетками крови также уменьшается, но относительно меньше по сравнению с другими хромофорами кожи. Сочетание этих свойств, т.е. низкое рассеяние и разница в поглощении между клетками гемоглобина и окружающими тканями, дает возможность использовать излучение в ближнем инфракрасном диапазоне для визуализации кровеносных сосудов под кожей.Among the many methods for imaging blood vessels, the most common are those based on the optical properties of the skin. The idea behind these methods is based on the fact that as the wavelength increases from 600 to 900 nm, light scattering in human skin decreases. The absorption in the near infrared range by blood cells is also reduced, but relatively less compared to other skin chromophores. A combination of these properties, i.e. the low scattering and difference in absorption between hemoglobin cells and surrounding tissues makes it possible to use radiation in the near infrared range to visualize blood vessels under the skin.

Одним из самых высокоточных методов визуализации, используемых для исследования подкожных кровеносных сосудов, является оптическая когерентная томография. Хотя оптическая когерентная томография обеспечивает беспрецедентное разрешение, она имеет большие ограничения, связанные с небольшим полем зрения и относительно низкой частотой кадров.One of the most highly accurate imaging techniques used to examine subcutaneous blood vessels is optical coherence tomography. Although optical coherence tomography offers unprecedented resolution, it has great limitations due to its small field of view and relatively low frame rate.

Следует отметить, что в настоящее время широко распространены два метода инфракрасной визуализации вен: «пропускание света» и «отражение света». При «методе отражения», который используется в патентах US 9572530 B2, US 9061109 B2, US 20090018414 A1, US 20080027317 A1, US 20060173351 А1, инфракрасное излучение проецируется на зону исследования спереди или по окружности. Данный метод имеет ограничения, связанные с глубиной визуализации, т.е. до 5,5 мм (Wang L., Leedham G., Cho S.Y. Infrared imaging of hand vein patterns for biometric purposes // IET computer vision. - 2007. - Т. 1. - №.3. - С. 113-122). При «методе пропускания», который используется в патентах WO 2009023656 A2, US 20070106161 А1, регистрируется диффузно рассеянное инфракрасное излучения, которое проходит через исследуемую ткань (Cuper N.J. et al. Development and clinical trial of a practical vessel imaging system for vessel punctures in children // Advanced Biomedical and Clinical Diagnostic Systems VI. - International Society for Optics and Photonics, 2008. - T. 6848. - C. 684806). Данный метод имеет ограничения, связанные с толщиной исследуемого участка тела, однако визуализация вен возможна на глубине до 15 мм. При этом, большинство из имеющихся устройств применяется лишь для визуализации кровеносных сосудов, охватывающих только руки.It should be noted that two methods of infrared imaging of veins are currently widely used: "light transmission" and "light reflection". With the "reflection method", which is used in patents US 9572530 B2, US 9061109 B2, US 20090018414 A1, US 20080027317 A1, US 20060173351 A1, infrared radiation is projected onto the study area from the front or circumferentially. This method has limitations related to the rendering depth, i.e. up to 5.5 mm (Wang L., Leedham G., Cho SY Infrared imaging of hand vein patterns for biometric purposes // IET computer vision. - 2007. - T. 1. - No. 3. - P. 113-122 ). With the "transmission method", which is used in patents WO 2009023656 A2, US 20070106161 A1, diffusely scattered infrared radiation is recorded that passes through the tissue under study (Cuper NJ et al. Development and clinical trial of a practical vessel imaging system for vessel punctures in children // Advanced Biomedical and Clinical Diagnostic Systems VI. - International Society for Optics and Photonics, 2008. - T. 6848. - C. 684806). This method has limitations associated with the thickness of the studied area of the body, however, veins can be visualized at a depth of up to 15 mm. At the same time, most of the available devices are used only for imaging blood vessels that cover only the hands.

В патенте US 4817622 A описан способ инфракрасной визуализации подкожных кровеносных структур. Устройство состоит из видеокамеры на ПЗС-матрице, которая подключена к монитору, объектива, через который исследуется освещенная кожа, зеркала для преломления света и полосового инфракрасного фильтра. Устройство имеет очень маленькую область визуализации и является очень громоздким, что вызывает сложности перемещения камеры вручную для исследования различных участков кожи.US Pat. No. 4,817,622 A describes a method for infrared imaging of subcutaneous blood vessels. The device consists of a CCD video camera connected to a monitor, a lens through which the illuminated skin is examined, a mirror for light refraction, and a band-pass infrared filter. The device has a very small imaging area and is very cumbersome, which makes it difficult to move the camera manually to examine different areas of the skin.

В патенте US 5947906 A описано устройство для наблюдения за подкожными кровеносными сосудами, в котором применяется источник света в диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового, видеомонитор, камера с ПЗС-матрицей и оптические фильтры. Проблема с вышеуказанной компоновкой состоит в том, что глубина проникновения света в кожу пропорциональна длине волны, и очевидно, что ультрафиолетовый свет в вышеупомянутом патенте вряд ли поддерживает требование об усилении контрастности кровеносных сосудов у пациентов с высоким уровнем пигментации кожи. Кроме того, чувствительность ПЗС-матрицы уменьшается в ультрафиолетовом диапазоне.US Pat. No. 5,947,906 A describes a device for observing subcutaneous blood vessels using an infrared to ultraviolet light source, a video monitor, a CCD camera and optical filters. The problem with the above arrangement is that the depth of penetration of light into the skin is proportional to the wavelength, and it is clear that the ultraviolet light in the aforementioned patent hardly supports the requirement to enhance the contrast of blood vessels in patients with high skin pigmentation. In addition, the sensitivity of the CCD decreases in the ultraviolet range.

В патенте US 6424858 B1 представлено устройство для получения изображений кровеносных сосудов человеческого тела в реальном времени. Изобретение представляет собой занавешенный шкаф, в котором свет от источника инфракрасного излучения сначала достигает исследуемого объекта через несколько оптоволоконных кабелей, затем проходит через него и, наконец, улавливается устройством приема света, которое отображает его на мониторе. Изобретение не только требует полностью темной среды, лишенной видимого света, что совершенно непрактично из-за его настройки, но и требует чрезвычайно чувствительных датчиков света для достижения высокой степени отношения сигнал/шум.US Pat. No. 6,424,858 B1 discloses a device for real-time imaging of blood vessels of the human body. The invention is a curtain cabinet in which light from an infrared source first reaches the object of interest through several fiber optic cables, then passes through it and finally is captured by a light receiving device that displays it on a monitor. The invention not only requires a completely dark environment devoid of visible light, which is completely impractical due to its tuning, but also requires extremely sensitive light sensors to achieve a high degree of signal-to-noise ratio.

Недостатками данных устройств являются: необходимость точного выдерживания расстояния от устройства до исследуемой поверхности, а также угла его наклона по отношению к поверхности, на которую проецируется изображение; малая точность совпадения проектируемого рисунка с реальным расположением вен, что критично (неприемлемо) для вен малого диаметра.The disadvantages of these devices are: the need to accurately maintain the distance from the device to the investigated surface, as well as the angle of its inclination with respect to the surface on which the image is projected; low accuracy of coincidence of the projected pattern with the real location of the veins, which is critical (unacceptable) for small-diameter veins.

Известно устройство неинвазивной визуализации венозного кровотока (прототип), которое представлено в патенте RU 165889 U1. Данное устройство визуализации венозного кровотока характеризуется тем, что выполнено в виде конструктивно сочлененных планшетного компьютера и видеомодуля, образованного из корпуса с платой, на которой расположены телевизионная камера и три источника излучения синего и ближнего инфракрасного диапазонов, при этом оптическая ось телевизионной камеры совпадает с центром экрана планшетного компьютера.Known device for non-invasive visualization of venous blood flow (prototype), which is presented in patent RU 165889 U1. This device for visualization of venous blood flow is characterized by the fact that it is made in the form of a structurally articulated tablet computer and a video module formed from a housing with a board on which a television camera and three sources of radiation of the blue and near infrared ranges are located, while the optical axis of the television camera coincides with the center of the screen tablet computer.

Данное устройство позволяет «методом отражения» неинвазивно визуализировать кровеносные сосуды конечностей для проведения процедуры венопункции, диагностировать клапанную недостаточность поверхностных вен, диагностировать тромбоз и т.д.This device allows the "reflection method" to non-invasively visualize the blood vessels of the extremities for the procedure of venipuncture, to diagnose valve insufficiency of superficial veins, to diagnose thrombosis, etc.

В процессе использования устройство располагается в руках медицинского работника или на фотоштативе непосредственно перед исследуемой областью тела человека на расстоянии 15-50 мм. После запуска соответствующей программы на планшете и включения подсветки на экране отображается исследуемая область с кровеносными сосудами. Минимальный размер визуализируемых сосудов может достигать 1 мм. В процессе эксплуатации три светодиодных источника излучения в синем и ближнем инфракрасном диапазоне питаются за счет расположенного в устройстве аккумулятора.During use, the device is placed in the hands of a medical worker or on a photographic tripod directly in front of the investigated area of the human body at a distance of 15-50 mm. After starting the corresponding program on the tablet and turning on the backlight, the area of interest with blood vessels is displayed on the screen. The minimum size of visualized vessels can be up to 1 mm. During operation, three LED radiation sources in the blue and near infrared range are powered by a battery located in the device.

Недостатками прототипа являются: 1) необходимость удерживания устройства над поверхностью участка тела; 2) большие размеры устройства; 3) отсутствует возможности регулирования мощности излучения; 4) неравномерность облучения источниками излучения области визуализируемых кровеносных сосудов.The disadvantages of the prototype are: 1) the need to hold the device above the surface of the body area; 2) large size of the device; 3) there is no possibility of regulating the radiation power; 4) irregularity of irradiation by radiation sources in the area of visualized blood vessels.

Раскрытие сущности полезной моделиDisclosure of the essence of the utility model

Задачей полезной модели является создание устройства для проведения контактной высококонтрастной инфракрасной визуализации кровеносных сосудов на любом выбранном участке тела человека с высокой степенью удобства использования.The task of the utility model is to create a device for high-contrast infrared contact imaging of blood vessels in any selected area of the human body with a high degree of ease of use.

Техническим результатом является увеличение глубины визуализации кровеносных сосудов с сохранением высокой контрастности и качества изображения, измерение геометрии сосудов в режиме реального времени и простота в эксплуатации.The technical result is to increase the depth of visualization of blood vessels while maintaining high contrast and image quality, measurement of the geometry of blood vessels in real time and ease of use.

Поставленная задача решается за счет того, что устройство для контактной инфракрасной визуализации кровеносных сосудов методом обратно рассеянного лазерного излучения, включает волоконно-оптический модуль, выполненный в виде эргономичного корпуса и содержащий инфракрасную камеру, соединенную с варифокальным объективом, и оптические волокна, соединенные с источником лазерного излучения в ближнем инфракрасном диапазоне и отличающееся тем, что оптические волокна расположены равномерно вокруг основания внутри волоконно-оптического модуля, а волоконно-оптический модуль соединен с персональным компьютером со специальным программным обеспечением, позволяющим определять физические размеры исследуемых зон.The problem is solved due to the fact that the device for contact infrared imaging of blood vessels by the method of backscattered laser radiation includes a fiber-optic module made in the form of an ergonomic body and containing an infrared camera connected to a varifocal lens and optical fibers connected to a laser source. radiation in the near infrared range and characterized in that the optical fibers are located evenly around the base inside the fiber-optic module, and the fiber-optic module is connected to a personal computer with special software that allows you to determine the physical dimensions of the investigated areas.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

Описание полезной модели поясняется фигурами, где в виде чертежей представлена конструкция устройства:The description of the utility model is illustrated by figures, where the design of the device is presented in the form of drawings:

- на фиг. 1 изображен общий вид устройства визуализации кровеносных сосудов методом обратно рассеянного лазерного излучения;- in Fig. 1 shows a general view of a device for imaging blood vessels by the method of backscattered laser radiation;

- на фиг. 2 изображены компоненты устройства, которые заключены внутри внешнего корпуса 1;- in Fig. 2 shows the components of the device, which are contained within the outer housing 1;

- на фиг. 3 изображен вид снизу;- in Fig. 3 is a bottom view;

- на фиг. 4 изображен внешний вид системы визуализации кровеносных сосудов и схема ее работы.- in Fig. 4 depicts the appearance of the blood vessel imaging system and a diagram of its operation.

Осуществление полезной моделиImplementation of the utility model

Устройство для контактной инфракрасной визуализации кровеносных сосудов методом обратно рассеянного лазерного излучения состоит из внешнего корпуса 1 и основания 2, в котором фиксируются оптические волокна и камера, соединенная с варифокальным объективом (волоконно-оптический модуль). Соединение корпуса 1 и 2 осуществляется с помощью специальных отверстий 3. Отличительной особенностью полезной модели является способ доставки лазерного излучения в зону исследования. Доставка лазерного излучения осуществляется с помощью 20 полимерных оптических волокон 6, закрепленных в отверстиях 7 и расположенных по окружности исследуемой области 8, для достижения равномерного распределения лазерного излучения. Диаметр окружности исследуемой области составляет 48,5 мм. В соответствии с диффузионным приближением теории переноса, фотоны в полубесконечной среде с наибольшей вероятностью будут распространяться через область формы «банана» 10. С увеличением расстояния между оптическими волокнами уменьшается суммарная интенсивность, т.е. количество рассеянных фотонов в исследуемой области. Данный способ доставки лазерного излучения позволяет неинвазивно визуализировать кровеносные сосуды на глубине до 7 мм. Также в данном устройстве применяется источник лазерного излучения в ближнем инфракрасном диапазоне (760-800 нм), что обусловлено «окном прозрачности биологических тканей». В разных вариантах исполнения устройства возможно использование различных источников лазерного излучения.A device for contact infrared imaging of blood vessels by the method of backscattered laser radiation consists of an outer housing 1 and a base 2, in which optical fibers are fixed and a camera connected to a varifocal lens (fiber optic module). The connection of the housing 1 and 2 is carried out with the help of special holes 3. A distinctive feature of the utility model is the method of delivering laser radiation to the study area. Delivery of laser radiation is carried out using 20 polymer optical fibers 6, fixed in holes 7 and located around the circumference of the investigated area 8, to achieve a uniform distribution of laser radiation. The diameter of the circumference of the investigated area is 48.5 mm. In accordance with the diffusion approximation of the theory of transfer, photons in a semi-infinite medium are most likely to propagate through the banana-shaped region 10. With an increase in the distance between the optical fibers, the total intensity decreases; the number of scattered photons in the investigated area. This method of delivery of laser radiation allows non-invasive visualization of blood vessels at a depth of 7 mm. Also, this device uses a source of laser radiation in the near infrared range (760-800 nm), which is due to the "window of transparency of biological tissues." In different versions of the device, it is possible to use different sources of laser radiation.

Принцип работы полезной модели заключается в следующем: излучение от лазера 12 через оптические волокна 6 в режиме контакта (оптическое волокно - кожа) попадает в биологические ткани 13. Мощность лазерного излучения, которая может регулироваться, на каждом оптическом волокне составляет 2-3 мВт. Далее происходит рассеяние и поглощение лазерного излучения. В кровеносных сосудах 14 лазерное излучение преимущественно поглощается. Инфракрасная камера 4 регистрирует обратно рассеянное лазерное излучения, и на экране монитора 15 отображается теневое изображение кровеносных сосудов. Специальное программное обеспечение позволяет записывать видеосигнал и в дальнейшем обрабатывать его. Оно позволяет в режиме реального времени оценить распределение интенсивности обратно рассеянного лазерного излучения вдоль выбранного профиля кровеносного сосуда и определить его истинные границы (т.е. границы с наименьшим размытием).The principle of operation of the utility model is as follows: radiation from a laser 12 through optical fibers 6 in contact mode (optical fiber - skin) enters biological tissues 13. The power of laser radiation, which can be regulated, on each optical fiber is 2-3 mW. Next, there is scattering and absorption of laser radiation. In the blood vessels 14, the laser radiation is preferentially absorbed. The infrared camera 4 registers the backscattered laser radiation, and a shadow image of the blood vessels is displayed on the screen of the monitor 15. Special software allows you to record a video signal and further process it. It allows real-time assessment of the intensity distribution of backscattered laser radiation along the selected blood vessel profile and determining its true boundaries (i.e., the boundaries with the least blurring).

Устройство обеспечивает достаточно большую область визуализации и является компактным, что позволяет перемещать устройство одной рукой для проведения исследования на различных участках кожи.The device provides a sufficiently large imaging area and is compact, which allows you to move the device with one hand for examining different areas of the skin.

Проведение исследования не требует затемнения помещения, так как, за счет конструктивных решений полезной модели, в зону исследования не попадает видимый свет. При этом достигается высокая степень отношения сигнал/шум.The study does not require darkening the room, since, due to the constructive solutions of the utility model, visible light does not enter the study area. This achieves a high degree of signal-to-noise ratio.

В устройстве нет необходимости точного выдерживания расстояния от устройства до исследуемой поверхности, так как визуализация кровеносных сосудов производится в контакте оптических волокон и кожи.The device does not need to accurately maintain the distance from the device to the studied surface, since the visualization of blood vessels is performed in the contact of optical fibers and skin.

Применение данного способа доставки лазерного излучения в зону исследования позволяет менять угол наклона устройства по отношению к поверхности.The use of this method of delivering laser radiation to the study area allows you to change the angle of inclination of the device in relation to the surface.

Claims

A device for contact infrared imaging of blood vessels by the method of backscattered laser radiation, including a fiber-optic module containing a housing and a base, and the fiber-optic module contains an infrared camera configured to register backscattered laser radiation and connected to a varifocal lens, and optical fibers connected to a source of laser radiation in the near infrared range, while the optical fibers are fixed in the base in the holes and are located inside the fiber-optic module around the circumference of the investigated area, and the optical fibers fixed at the base are made with the possibility of contact with human skin, and the fiber-optic the module is connected to a personal computer with software that allows to determine the physical dimensions of the studied areas.