RU2080815C1

RU2080815C1 - Spectrometric diagnostic device

Info

Publication number: RU2080815C1
Application number: RU94041604A
Authority: RU
Inventors: В.И. Патерикин; Э.Г. Шихалев
Original assignee: Конструкторско-технологический институт научного приборостроения; Товарищество с ограниченной ответственностью "Сибирский лазерный прибор"
Priority date: 1994-11-15
Filing date: 1994-11-15
Publication date: 1997-06-10
Also published as: RU94041604A

Abstract

FIELD: medical engineering. SUBSTANCE: device has control unit for controlling main units, light source having continuous radiation spectrum, light source having monochromatic radiation spectrum, two light guides for transmitting light flows optically conjugated with the corresponding light sources, light guide for transmitting images of tissue surface under examination, light divider, the first output of the light divider being coupled with visualization channel, the second one being coupled with optoelectronic unit input of spectrum analyzer. The device also has optoelectronic unit of spectrum analyzer, unit for performing analog-to-digital conversion and conjugation to computer and that of the computer to monitor. Optoelectronic unit of spectrum analyzer has scanning unit provided with one coordinate scanning function mounted on the optical axis of the corresponding output of the light divider and spectral dispersing unit optically bound to it at which input slit aperture is mounted in image plane directed in perpendicular to scanning coordinate and at which output matrix photoelectric transducer is mounted which output is connected to input of unit for performing analog-to-digital conversion and conjugation to computer. EFFECT: enhanced accuracy of oncologic diagnoses. 1 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для диагностики заболеваний различного патогенеза, в частности новообразований на ранней стадии заболевания. The invention relates to medical equipment and can be used to diagnose diseases of various pathogenesis, in particular neoplasms at an early stage of the disease.

Спектральные методы исследования патологических изменений оптических параметров клеточных структур и тканей в связи с заболеваниями различного патогенеза с применением средств вычислительной техники становятся все более актуальными. Spectral methods for studying pathological changes in the optical parameters of cell structures and tissues in connection with diseases of various pathogenesis using computer technology are becoming increasingly relevant.

Особый интерес представляют спектральные исследования тканей при эндоскопии внутренних органов с использованием монохроматического возбуждающего излучения и (или) со сплошным спектром. Of particular interest are spectral studies of tissues during endoscopy of internal organs using monochromatic exciting radiation and (or) with a continuous spectrum.

Известен эндоскоп-спектрофлюориметр для регистрации спектров люминесценции слизистой оболочки желудка и кишечника с использованием компьютерного анализа спектральных данных, структурная схема которого в основном типична для такого рода устройств [1 3]
Указанные устройства, так же как и другие подобные им известные спектрометрические устройства, предназначенные для контроля оптических параметров тканей или веществ, не позволяют различать мелкие детали поверхности, отличающиеся от окружающих спектральным составом или интенсивностью излучений, так как спектральному анализу подвергается световой поток, воспринимаемый одновременно со всей поверхности.A known endoscope spectrofluorimeter for recording the luminescence spectra of the mucous membrane of the stomach and intestines using computer analysis of spectral data, the structural diagram of which is mainly typical for such devices [1 3]
These devices, as well as other known spectrometric devices similar to them, designed to control the optical parameters of tissues or substances, do not allow to distinguish between small surface details that differ from the surrounding ones by their spectral composition or radiation intensity, since the light flux perceived simultaneously the entire surface.

Известно другое устройство [4] для диагностики злокачественных опухолей тканей человека, с помощью которого оператор может наблюдать исследуемую поверхность в непрерывном спектре рассеянного излучения или в спектре люминесценции (во всем диапазоне длин волн или же в ограниченном, установленном заранее) с разрешением по элементам поверхности, определяемым разрешающей способностью телевизионной аппаратуры, а также с помощью ЭВМ - может осуществлять интегральную оценку спектрального состава отраженного или люминесцентного излучения тканей исследуемой поверхности. There is another device [4] for the diagnosis of malignant tumors of human tissues, with which the operator can observe the test surface in the continuous spectrum of scattered radiation or in the luminescence spectrum (in the entire wavelength range or in a limited, previously set) with a resolution on the surface elements, determined by the resolution of television equipment, as well as using a computer - can carry out an integrated assessment of the spectral composition of reflected or luminescent radiation Any investigated surface.

Диагностика осуществляется путем анализа спектрального состава излучения, возникающего в результате освещения ткани источником со сплошным или монохроматическим спектрами. Diagnostics is carried out by analyzing the spectral composition of the radiation resulting from illumination of a tissue by a source with continuous or monochromatic spectra.

С помощью устройства-прототипа, благодаря разделению светового потока двумя светоделителями на четыре отдельных оптических канала, проблема визуального представления спектральных компонент оптических параметров исследуемой поверхности ткани решается с помощью оптических фильтров, установленных перед соответствующей телекамерой. Однако, во-первых, спектрометрия оптических параметров световых потоков при этом не проводится, что значительно сужает спектральную разрешающую способность прибора как в отношении мелких деталей, так и всей картинки в целом. Во-вторых, для спектрометрических целей используется отдельный канал интегральной оценки спектральной плотности энергетической яркости световых потоков отраженного или люминесцентного излучений [1-3] что практически исключает возможность обнаружения мелких деталей поверхности, отличающихся по спектральным компонентам от соседних фоновых. Using the prototype device, due to the separation of the light flux by two beam splitters into four separate optical channels, the problem of visual representation of the spectral components of the optical parameters of the studied tissue surface is solved using optical filters installed in front of the corresponding camera. However, firstly, spectrometry of the optical parameters of the light flux is not carried out at the same time, which significantly reduces the spectral resolution of the device both in relation to small details and the whole picture. Secondly, for spectrometric purposes, a separate channel is used for integrated estimation of the spectral density of the energy brightness of the light fluxes of reflected or luminescent radiation [1-3], which practically excludes the possibility of detecting small surface details that differ in spectral components from neighboring background ones.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в осуществлении возможности проведения с его помощью как визуального, так и спектрометрического анализа, что в целом позволяет повысить различимость патологических изменений оптических параметров и существенно расширить функциональные возможности устройства. The technical problem solved by the proposed device is to realize the possibility of using it both visual and spectrometric analysis, which generally allows to increase the visibility of pathological changes in optical parameters and significantly expand the functionality of the device.

Указанная задача решается тем, что в спектрометрическое устройство, содержащее блок управления основными узлами, источник освещения со сплошным спектром излучения, источник освещения с монохроматическим спектром излучения, два световода для передачи освещающих потоков, оптически сопряженные с соответствующими источниками освещения, световод для передачи изображения исследуемой поверхности ткани, светоделитель, вход которого оптически сопряжен со световодом для передачи изображения, первый выход светоделителя с каналом визуализации, состоящим из телекамеры и телевизионного монитора, а второй выход со входом оптико-электронного блока спектроанализатора, оптико-электронный блок спектроанализатора, блок аналого-цифрового преобразования и сопряжения с ЭВМ и ЭВМ с монитором, в оптико-электронный блок спектроанализатора введены, установленное на оптической оси соответствующего выхода светоделителя сканирующее устройство с разверткой изображения по одной координате, а также оптически связанный с ним спектральный диспергирующий узел, на входе которого в плоскости изображения установлена щелевая диафрагма, ориентированная перпендикулярно координате сканирования, а на выходе матричный фотоэлектрический преобразователь, выход которого связан со входом блока аналого-цифрового преобразования и сопряжения с ЭВМ, благодаря чему спектральному анализу может подвергаться каждый из множества элементов исследуемой поверхности с последующим синтезом изображения с помощью ЭВМ путем свертки спектральных компонент в целом или в любом из участков спектра, кроме того, анализ оптических параметров может осуществляться как визуально, так и спектрометрически с использованием одного канала восприятия светового потока: в отраженном свете при облучении ткани источником со сплошным спектром излучения, а также в спектре люминесценции при облучении лазерным источником. This problem is solved by the fact that in a spectrometric device containing a control unit for the main nodes, a light source with a continuous emission spectrum, a light source with a monochromatic radiation spectrum, two optical fibers for transmitting illuminating fluxes, optically coupled with corresponding light sources, a optical fiber for transmitting an image of the investigated surface tissue, a beam splitter, the input of which is optically coupled to the optical fiber for image transmission, the first output of the beam splitter with a visualization channel and consisting of a television camera and a television monitor, and the second output with the input of the optical-electronic block of the spectrum analyzer, the optical-electronic block of the spectrum analyzer, the block of analog-to-digital conversion and interface with a computer and a computer with a monitor, are inserted into the optical-electronic block of the spectrum analyzer, installed on the optical axis of the corresponding output of the beam splitter, a scanning device with a scan of the image along one coordinate, as well as an optically coupled spectral dispersing unit, at the input of which is in the plane and The image has a slit diaphragm oriented perpendicular to the scan coordinate, and the output is a matrix photoelectric converter, the output of which is connected to the input of the analog-to-digital conversion and computer interface unit, so that each of the many elements of the surface under study can be subjected to spectral analysis with subsequent image synthesis using A computer by convolution of the spectral components as a whole or in any part of the spectrum, in addition, the analysis of optical parameters can can be observed both visually and spectrometrically using a single channel of light flux perception: in reflected light when a tissue is irradiated with a source with a continuous emission spectrum, as well as in the luminescence spectrum when irradiated with a laser source.

На чертеже представлена структурная схема спектрометрического диагностического устройства. The drawing shows a structural diagram of a spectrometric diagnostic device.

Спектрометрическое диагностическое устройство содержит блок управления основными узлами 1, источник освещения со сплошным спектром излучения 2, источник освещения с монохроматическим спектром излучения 3, световоды 4 и 5 для передачи освещающих потоков, оптически сопряженные с соответствующими источниками освещения, световод 6 для передачи изображения исследуемой поверхности ткани 16, светоделитель 7, вход которого оптически сопряжен со световодом 6, первый выход светоделителя с каналом визуализации, состоящим из телекамеры 8 и телевизионного монитора 9, а второй выход со входом оптико-электронного блока спектроанализатора, оптико-электронный блок спектроанализатора 10, блок аналого-цифрового преобразования и сопряжения 14 с ЭВМ и ЭВМ с монитором 15. В оптико-электронный блок спектроанализатора 10 введены, установленное на оптической оси соответствующего выхода светоделителя, сканирующее устройство 11 с разверткой изображения по одной координате, а также оптически связанный с ним спектральный диспергирующий узел 12, на входе которого в плоскости изображения установлена щелевая диафрагма, ориентированная перпендикулярно координате сканирования, а на выходе - матричный фотоэлектрический преобразователь 13, выход которого связан со входом блока аналого-цифрового преобразования и сопряжения 14. The spectrometric diagnostic device comprises a control unit for the main nodes 1, a light source with a continuous emission spectrum 2, a light source with a monochromatic radiation spectrum 3, optical fibers 4 and 5 for transmitting illuminating fluxes, optically coupled to the corresponding light sources, a light guide 6 for transmitting an image of the tissue surface under study 16, a beam splitter 7, the input of which is optically coupled to a light guide 6, a first output of the beam splitter with a visualization channel consisting of a television camera 8 and a television monitor 9, and the second output with the input of the optical-electronic block of the spectrum analyzer, the optical-electronic block of the spectrum analyzer 10, the block of analog-to-digital conversion and interface 14 with the computer and the computer with the monitor 15. Into the optical-electronic block of the spectrum analyzer 10 are inserted, mounted on the optical the axis of the corresponding output of the beam splitter, a scanning device 11 with a single-coordinate scan of the image, and also an optically coupled spectral dispersing unit 12, at the input of which, in the image plane, a an aperture diaphragm oriented perpendicular to the coordinate of the scan, and the output is a matrix photoelectric converter 13, the output of which is connected to the input of the analog-to-digital conversion and interface unit 14.

Сканирование изображения поверхности осуществляется, например, путем горизонтального смещения изображения, сфокусированного на плоскость расположения неподвижной щелевой диафрагмы, установленной вертикально на оптическом входе диспергирующего узла так, что на диспергирующий элемент поступает световой поток пропущенного через щель столбца изображения, а в качестве фотоэлектрического преобразователя используется, например, телекамера с матричным фотоэлектрическим приемником, каждая из строк фоточувствительных элементов которого воспринимает спектральное разложение светового потока от соответствующей точки столбца, а строки матрицы вместе воспринимают изображение спектра всего столбца изображения, при этом началу строк матрицы соответствует длинноволновая часть, а концу строк коротковолновая (или наоборот) часть спектрального диапазона светового потока. Scanning of the surface image is carried out, for example, by horizontal displacement of the image focused on the plane of location of the fixed slotted diaphragm mounted vertically on the optical input of the dispersing unit so that the light element passes through the slit of the image column and is used as a photoelectric converter, for example , a camera with a matrix photoelectric receiver, each of the lines of photosensitive elements of which perceives the spectral decomposition of the light flux from the corresponding point in the column, and the rows of the matrix together perceive the image of the spectrum of the entire column of the image, with the beginning of the rows of the matrix corresponding to the long wavelength part and the end of the lines to the shortwave (or vice versa) part of the spectral range of the light flux.

Спектрометрическое диагностическое устройство работает следующим образом. Spectrometric diagnostic device operates as follows.

Эндоскоп при внутриполосном исследовании (бронхо-, гастро-, колоноскоп и т.п.) присоединяется к спектрометрическому диагностическому устройству с помощью специального оптического разъема, установленного на оптической оси светоделителя 7 (на схеме не показан), какой-либо переделки не требует и используется в обычном порядке, а визуальное наблюдение осуществляется с помощью встроенной телекамеры и цветного телевизионного монитора 9. When in-band examination (bronchus, gastro, colonoscope, etc.) is attached to the spectrometric diagnostic device using a special optical connector mounted on the optical axis of the beam splitter 7 (not shown in the diagram), it does not require any modification and is used in the usual manner, and visual observation is carried out using the built-in camera and color television monitor 9.

В инструментальный канал эндоскопа вводятся объединенные одной оплеткой световоды 4 и 5, которые оптически состыкованы соответственно с источником освещения 2, например, лампой накаливания и источником 3 лазером. Optical fibers 4 and 5, combined with a single braid, are inserted into the instrument channel of the endoscope, and they are optically connected to a light source 2, for example, an incandescent lamp and a laser source 3, respectively.

В начале работы для проведения эндоскопических манипуляций и в диагностических целях с помощью устройства управления 1 вручную или по программе с помощью ЭВМ включается источник освещения 2, лучи белого света от которого передаются с помощью световода 4 на исследуемую поверхность. At the beginning of work for endoscopic manipulations and for diagnostic purposes using the control device 1 manually or according to a program using a computer, the light source 2 is turned on, white light rays from which are transmitted using the light guide 4 to the surface under study.

Световой поток в виде изображения исследуемой поверхности ткани 16 передается с помощью световода 6 на светоделитель 7, где он разделяется на два: первое для визуализации с помощью телекамеры 8 и телевизионного монитора 9 и второе для спектрального анализа с помощью оптико-электронного блока 10. The luminous flux in the form of an image of the studied surface of the fabric 16 is transmitted using a fiber 6 to a beam splitter 7, where it is divided into two: the first for visualization using a television camera 8 and a television monitor 9 and the second for spectral analysis using an optoelectronic unit 10.

С момента включения режима анализа второе изображение последовательно сканируется по горизонтали с помощью зеркального (или любого другого типа) сканера 11, световой поток от которого передается на плоскость расположения неподвижной вертикальной щелевой диафрагмы, установленной на оптическом входе диспергирующего узла 12, с выхода которого световой поток в виде изображения двухмерного пакета спектральных компонент столбца изображения принимается матричным фотоэлектрическим преобразователем 13, выходные электрические сигналы которого усиливаются до необходимого уровня, преобразуются с помощью аналого-цифрового преобразователя и в виде параллельного двоичного кода передаются через блок сопряжения 14 в ЭВМ 15. From the moment the analysis mode is turned on, the second image is sequentially scanned horizontally with the help of a mirror (or any other type) scanner 11, the light flux from which is transmitted to the plane of the location of the stationary vertical slotted aperture mounted on the optical input of the dispersing unit 12, from the output of which the light flux into image of a two-dimensional package of spectral components of the image column is taken by a matrix photoelectric converter 13, the output electrical signals of which about amplified to the required level, it is converted by an analog-to-digital converter and a parallel binary code transmitted through the interface unit 14 in the computer 15.

После окончания считывания видеосигнала одного растра, сканирующее устройство смещает изображение ткани на ширину щели и процесс преобразования продолжается до тех пор, пока все поле изображения не будет пропущено через щелевую диафрагму. After reading the video signal of one raster, the scanning device shifts the tissue image by the width of the slit and the conversion process continues until the entire image field is passed through the slit aperture.

Точно так же осуществляется работа устройства при облучении ткани монохроматическим источником света 3, но в этом режиме воспринимаются и анализируются спектральные компоненты индуцированной люминесценции ткани. In the same way, the device operates when the tissue is irradiated with a monochromatic light source 3, but in this mode, the spectral components of the induced tissue luminescence are perceived and analyzed.

По результатам обработки массива спектральных данных на экране монитора компьютера синтезируется изображение ткани в псевдоцветном представлении различных спектральных составляющих, что упрощает визуальное восприятие изображения оператором в целом и позволяет увеличить заметность мелких деталей изображения, имеющих какие-либо спектральные отличия от окружающих. Based on the results of processing an array of spectral data, a tissue image is synthesized on a computer monitor screen in a pseudo-color representation of various spectral components, which simplifies the visual perception of the image by the operator as a whole and allows increasing the visibility of small image details that have any spectral differences from others.

Более подробный анализ и идентификация патологических измерений оптических параметров осуществляется с помощью ЭВМ путем сопоставления спектральных данных отраженного и (или) люминесцентного оптических сигналов исследуемой поверхности ткани с библиотечными данными. Кроме того, с помощью ЭВМ могут быть получены дополнительные функциональные возможности устройства, например, такие как синтез и вывод на монитор одновременно нескольких изображений для анализа их в разных участках спектра (или полученных в разное время от одной и той же поверхности), сравнение, вычитание выбранных изображений с количественной оценкой различий по интенсивности, спектру или площади, формирование библиотеки спектральных данных, решение других задач, определенных соответствующим пакетом прикладных программ и практической целесообразностью и т.д. A more detailed analysis and identification of pathological measurements of optical parameters is carried out using a computer by comparing the spectral data of the reflected and (or) luminescent optical signals of the studied tissue surface with library data. In addition, using the computer can be obtained additional functionalities of the device, for example, such as synthesis and output to a monitor of several images simultaneously for analysis in different parts of the spectrum (or received at different times from the same surface), comparison, subtraction selected images with a quantitative assessment of differences in intensity, spectrum or area, the formation of a spectral data library, the solution of other tasks defined by the corresponding application package and practical th expediency, etc.

Claims

A spectrometric diagnostic device containing a control unit for the main nodes, a light source with a continuous emission spectrum, a light source with a monochromatic radiation spectrum, two optical fibers for transmitting illuminating fluxes, optically coupled to the corresponding light sources, a optical fiber for transmitting images of the tissue surface under study, a beam splitter, the output of which optically coupled to an optical fiber for image transmission, the first output of the beam splitter with a visualization channel consisting of cameras and a television monitor, and the second output with an optical-electronic block of the spectrum analyzer, an optical-electronic block of the spectrum analyzer, a block of analog-to-digital conversion and interface with a computer and a computer with a monitor, characterized in that the optical-axis block of the spectrum analyzer is installed mounted on the optical axis the corresponding output of the beam splitter, a scanning device with a scan of the image along one coordinate, as well as a spectrally dispersed node optically connected to it, at the output of which in the plane An aperture diaphragm is installed that is oriented perpendicular to the coordinate of scanning, and at the output there is a matrix photoelectric converter, the output of which is connected to the input of the analog-to-digital conversion and pairing unit.