RU2197168C2

RU2197168C2 - Method and device for performing fluorescent endoscopy examination

Info

Publication number: RU2197168C2
Application number: RU2000118016/14A
Authority: RU
Inventors: н Г.В. Папа; Г.В. Папаян; И.Я. Барский
Original assignee: Папаян Гарри Вазгенович
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2000-06-29
Publication date: 2003-01-27

Abstract

FIELD: medicine; medical engineering. SUBSTANCE: method involves recording object images in reflected light and in fluorescent illumination light via two different channels. The images are observed on display screen. The device has combined luminous unit irradiating the object with white light or short wave fluorescent radiation, two TV-cameras of which the first has sensitivity control feature of the second camera and exciting radiation flow control feature. EFFECT: higher accuracy of disease diagnosis. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к флуоресцентным (люминесцентным) эндоскопическим приборам и может быть использовано для диагностики различных заболеваний, в частности онкологических, в организме человека. The invention relates to medical equipment, namely to fluorescent (luminescent) endoscopic devices and can be used to diagnose various diseases, in particular oncological, in the human body.

Известен люминесцентный эндоскоп, содержащий систему освещения объекта наблюдения и систему восприятия изображения этого объекта визуально или с помощью фотоприемника (авт. св. СССР 891062, кл. А 61 В 1/00, 1/04, публ. 1981 г.). A luminescent endoscope is known that contains a lighting system for an object of observation and a system for perceiving an image of this object visually or using a photodetector (ed. St. USSR 891062, class A 61 B 1/00, 1/04, publ. 1981).

Известен импульсный эндоскоп-фотометр, содержащий источник белого света и источник коротковолнового излучения с переключателем излучения от одного источника к другому, визуальный канал наблюдения, а также фотометрический канал для измерения интенсивности флуоресценции. С помощью такого прибора можно определять уровень суммарной флуоресценции в пределах всего поля зрения эндоскопа. Но этим прибором нельзя оценивать интенсивность флуоресценции в локальных участках поля зрения (авт. св. СССР 1428342, кл. А 61 В 1/06, публ. 1986 г.). Known pulsed endoscope-photometer containing a white light source and a source of short-wave radiation with a radiation switch from one source to another, a visual observation channel, as well as a photometric channel for measuring fluorescence intensity. Using such a device, the level of total fluorescence can be determined within the entire field of view of the endoscope. But this device cannot be used to evaluate the fluorescence intensity in local areas of the visual field (ed. St. USSR 1428342, class A 61 B 1/06, publ. 1986).

Известна флуоресцентная эндоскопическая система, в которой изображения, полученные в отраженном белом свете и в свете флуоресценции, поступают попеременно на одну и ту же телевизионную камеру и с помощью буферных запоминающих устройств одновременно отображаются на мониторе (патент US 4821117, кл. А 61 В 1/04, публ. 1989г.). A fluorescence endoscopic system is known in which images obtained in reflected white light and fluorescence light are transmitted alternately to the same television camera and are simultaneously displayed on a monitor using buffer memory devices (US patent 4821117, class A 61 B 1 / 04, publ. 1989).

Однако эта известная флуоресцентная система не обеспечивает достаточно высокого качества видеоизображений, т.к. особенности эндоскопических изображений в отраженном белом свете и в свете флуоресценции выдвигают перед телевизионной камерой разные требования. Первая требует получения высококачественного цветного изображения. Вторая, вследствие малой яркости флуоресцентных изображений, предъявляет повышенные требования к чувствительности. However, this known fluorescent system does not provide a sufficiently high quality video image, because The peculiarities of endoscopic images in reflected white light and in the light of fluorescence make different demands on a television camera. The first requires a high-quality color image. The second, due to the low brightness of fluorescence images, places high demands on sensitivity.

Наиболее близкой к заявленному техническому решению является флуоресцентная эндоскопическая система, реализующая способ, при котором изображения, полученные в отраженном белом свете и в свете флуоресценции, поступают по выбору оператора, либо на цветную телевизионную камеру, либо на высокочувствительную монохромную камеру и наблюдаются на экране монитора (патент US 5772580, кл. А 61 В 1/04, публ. 1998 г.). Closest to the claimed technical solution is a fluorescent endoscopic system that implements a method in which images obtained in reflected white light and fluorescence light are selected by the operator, either to a color television camera or to a highly sensitive monochrome camera and are observed on a monitor screen ( US patent 5772580, class A 61 1/04, publ. 1998).

Однако результаты регистрации флуоресцентной картины с помощью указанной системы недостаточно точны, т.к. на регистрируемый сигнал влияет ряд дестабилизирующих факторов:
а) изменение расстояния между торцом эндоскопа и объектом, а также угла его наклона относительно поверхности объекта,
б) изменение освещенности изображения объекта по полю зрения, вызванное падением светосилы объектива эндоскопа от центра к периферии, а также неравномерностью освещения,
в) изменение потока возбуждающего излучения, вызванное нестабильностью источника света во времени, старением и сменой ламп, неточной настройкой освещения и пр.,
г) вариация характеристик элементов оптико-электронного тракта от одного экземпляра к другому и изменение этих характеристик во времени.However, the results of recording the fluorescence pattern using this system are not accurate enough, because A number of destabilizing factors affect the recorded signal:
a) a change in the distance between the endoscope end and the object, as well as its angle of inclination relative to the surface of the object,
b) the change in the illumination of the image of the object along the field of view, caused by the drop in the aperture of the endoscope lens from the center to the periphery, as well as the unevenness of lighting,
c) a change in the flow of exciting radiation caused by the instability of the light source in time, aging and change of lamps, inaccurate lighting settings, etc.,
d) the variation of the characteristics of the elements of the optoelectronic path from one instance to another and the change in these characteristics over time.

Целью изобретения является повышение точности диагностики путем снижения зависимости регистрируемых флуоресцентных изображений от указанных негативных факторов. The aim of the invention is to improve the accuracy of diagnosis by reducing the dependence of the recorded fluorescence images from these negative factors.

Поставленная цель достигается тем, что регистрацию изображений в свете флуоресцентного излучения производят одновременно с регистрацией изображений в отраженном возбуждающем свете с помощью общего тракта передачи изображения эндоскопа и двух телевизионных камер, установленных в каналах, образованных дихроичным светоделителем. Коротковолновую часть отраженного излучения объекта, обусловленную отражением от него возбуждающих лучей, вводят в канал отраженного света, а длинноволновую часть отраженного излучения объекта, обусловленную его флуоресценцией, вводят во флуоресцентный канал. Усредненный видеосигнал от всего кадра или его части в канале отраженного света используют для изменения чувствительности телекамеры флуоресцентного канала, а по распределению видеосигнала в кадре телекамеры отраженного света производят, посредством процессора, коррекцию видеосигналов кадра телекамеры флуоресцентного канала. This goal is achieved in that the registration of images in the light of fluorescent radiation is carried out simultaneously with the registration of images in the reflected exciting light using a common transmission path of the image of the endoscope and two television cameras installed in the channels formed by the dichroic beam splitter. The short-wavelength part of the reflected radiation of the object, due to the reflection of the exciting rays from it, is introduced into the reflected light channel, and the long-wavelength part of the reflected radiation of the object, due to its fluorescence, is introduced into the fluorescence channel. The averaged video signal from the entire frame or part of it in the reflected light channel is used to change the sensitivity of the camera of the fluorescent channel, and the video signals of the frame of the camera of the fluorescent channel are corrected by the processor for the distribution of the video signal in the frame of the reflected camera.

Для повышения точности диагностики эндоскопическую систему перед началом работы калибруют с помощью образца сравнения, поверхность которого одинакова в различных его точках и обладает оптическими характеристиками, близкими к исследуемому объекту, как в свете флуоресценции, так и в отраженном возбуждающем свете. Для этого регистрируют изображения образца сравнения в свете флуоресценции и отраженном возбуждающем свете в фиксированных условиях. Усредненный сигнал в кадре, зарегистрированном вторым телеканалом от образца сравнения, используют для корректировки числовых значений фотометрических данных флуоресцентного изображения исследуемого объекта, а данные о неравномерности распределения сигналов в кадрах второго телеканала, а также о величине среднего сигнала в кадрах первого телеканала, полученные при регистрации изображений образца сравнения на различных расстояниях от него до торца эндоскопа, используют для цифровой коррекции кадров второго телеканала при регистрации изображений исследуемого объекта. To improve the accuracy of diagnosis, the endoscopic system is calibrated before use with a reference sample, the surface of which is the same at different points and has optical characteristics close to the object being studied, both in the light of fluorescence and in the reflected exciting light. To do this, register images of the reference sample in the light of fluorescence and reflected exciting light under fixed conditions. The averaged signal in the frame recorded by the second TV channel from the comparison sample is used to correct the numerical values of the photometric data of the fluorescence image of the object under study, and data on the uneven distribution of signals in the frames of the second TV channel, as well as the average signal in the frames of the first TV channel, obtained during image registration comparison sample at various distances from it to the endoscope end face, is used for digital correction of frames of the second TV channel when register AI image of the investigated object.

Этот способ флуоресцентной эндоскопии реализуется устройством, принципиальная схема которого изображена на чертеже. This method of fluorescence endoscopy is implemented by a device, a schematic diagram of which is shown in the drawing.

Устройство содержит комбинированный осветительный блок 1 белого света и коротковолнового излучения с переключателем указанных излучений и устройством для регулировки потока коротковолнового излучения, осветительный жгут 2, эндоскоп 3 с осветительным каналом 4 и каналом 5 передачи изображения объекта 6 и с окуляром 7, цветную телевизионную камеру 8 для приема изображений в отраженном свете и монохромную телевизионную камеру 9 для приема изображений в свете флуоресценции, оптический переключатель каналов 10, включающий в себя дихроичный светоделитель 11, выполненный в виде откидного зеркала, и датчик положения зеркала 12, запирающий светофильтр 13, объективы 14. Видеосигналы от обеих телекамер поступают в процессор 15 и через него на монитор 16. Видеосигнал из телекамеры 8, кроме того, поступает на вход схемы автоматической регулировки усиления телекамеры 9, а также на вход схемы регулировки интенсивности возбуждающего излучения осветительного блока 1. The device comprises a combined illumination unit 1 of white light and short-wave radiation with a switch for said emissions and a device for adjusting the short-wave radiation flux, a lighting harness 2, an endoscope 3 with a lighting channel 4 and an image transmission channel 5 of an object 6 and with an eyepiece 7, a color television camera 8 for receiving images in reflected light and a monochrome television camera 9 for receiving images in the light of fluorescence, an optical channel switch 10, including dichroic light a divider 11, made in the form of a folding mirror, and a mirror position sensor 12, a locking light filter 13, lenses 14. Video signals from both cameras enter the processor 15 and through it to the monitor 16. In addition, the video signal from the camera 8 adjust the gain of the camera 9, as well as to the input of the circuit for adjusting the intensity of the exciting radiation of the lighting unit 1.

Такое техническое решение является новым, не известным в практике разработки флуоресцентных (люминесцентных) эндоскопов, а совокупность отличительных признаков не следует из уровня техники. Существенность отличительных признаков заключается в том, что, несмотря на известность отдельных технологических приемов и отдельных элементов, при их введении в указанной связи предлагаемый способ и устройство проявляют новые свойства, которые позволяют создать аппаратуру для более точной диагностики опухолевых образований. Such a technical solution is new, not known in the practice of developing fluorescent (luminescent) endoscopes, and the combination of distinctive features does not follow from the prior art. The significance of the distinguishing features lies in the fact that, despite the prominence of individual technological methods and individual elements, when introduced in this connection, the proposed method and device exhibit new properties that allow you to create equipment for more accurate diagnosis of tumor formations.

Изобретение является промышленно применимым из-за простоты конструкции устройства и известности технологических процессов применения способа и изготовления отдельных элементов устройства. Это решение предполагает использование современных материалов и технологических приемов, серийно освоенных промышленностью. The invention is industrially applicable because of the simplicity of the design of the device and the popularity of the technological processes of applying the method and manufacturing of individual elements of the device. This solution involves the use of modern materials and technological techniques, serially mastered by industry.

При проведении флуоресцентных исследований устройство работает следующим образом. When conducting fluorescence studies, the device operates as follows.

Коротковолновое излучение определенного спектрального состава из осветительного блока 1 с помощью осветительного жгута 2 направляется через осветительный канал 4 эндоскопа 3 на биологический объект 6, например на слизистую оболочку желудка, и возбуждает его флуоресценцию в области больших длин волн. При этом в канал передачи изображения 5 эндоскопа поступает вторичное излучение от объекта 6, состоящее из флуоресцентного излучения и отраженного возбуждающего излучения. Часть лучей вторичного излучения, полученная в результате отражения от объекта коротковолнового возбуждающего излучения, пройдя дихроичный светоделитель 11, поступает на цветную телекамеру 8, а другая часть лучей, полученная в результате отражения от дихроичного светоделителя 11 длинноволнового излучения, поступает на монохромную телекамеру 9. Усредненный видеосигнал от всего кадра или части кадра, формируемого цветной телекамерой 8, поступает на вход схемы автоматической регулировки усиления монохромной телекамеры 9 для изменения ее чувствительности, а распределение сигналов в кадре телекамеры 8 используется для коррекции яркости кадра телекамеры 9 с помощью процессора 15 путем деления ее сигналов на сигналы от соответствующих точек кадра телекамеры 8 после проведения над последними операции низкочастотной пространственной фильтрации. Short-wave radiation of a specific spectral composition from the lighting unit 1 is sent through the lighting cable 2 through the lighting channel 4 of the endoscope 3 to a biological object 6, for example, to the gastric mucosa, and excites its fluorescence in the region of large wavelengths. At the same time, secondary radiation from the object 6, consisting of fluorescent radiation and reflected exciting radiation, enters the transmission channel of the image of the endoscope 5. A part of the secondary radiation rays obtained as a result of reflection of a short-wave excitation radiation from an object, passing a dichroic beam splitter 11, enters a color television camera 8, and another part of the secondary radiation rays obtained as a result of reflection from a dichroic beam splitter 11, is transmitted to a monochrome television camera 9. Averaged video signal from the entire frame or part of the frame formed by the color camera 8, is fed to the input of the automatic gain control circuit of the monochrome camera 9 to change its h vstvitelnosti and used for correcting the luminance distribution signals in the frame 8, the camera frame camera 9 by the processor 15 by dividing its signals to the signals from the respective pixels of the frame 8 after the camera over the last low-pass spatial filtering operation.

Таким образом, удается уменьшить зависимость результатов регистрации флуоресцентных кадров объекта 6 от расстояния торца 17 эндоскопа 3 до объекта 6 и от его наклона, кратковременных вариаций потока возбуждающего излучения осветительного блока 1, неравномерности освещения объекта 6 и различий светосилы по полю зрения объектива 18 эндоскопа 3. Использование в качестве светоделителя 11 дихроичного зеркала позволяет, кроме того, улучшить скрещенность прибора, т.е. уменьшить проникновение возбуждающего излучения в канал флуоресценции. Thus, it is possible to reduce the dependence of the registration results of the fluorescent frames of object 6 on the distance of the end face 17 of the endoscope 3 to the object 6 and on its inclination, short-term variations in the flow of exciting radiation from the lighting unit 1, uneven illumination of the object 6, and differences in luminosity over the field of view of the lens 18 of the endoscope 3. The use of a dichroic mirror as a beam splitter 11 allows, in addition, to improve the cross-section of the device, i.e. reduce the penetration of exciting radiation into the fluorescence channel.

Периодический контроль измерительной системы с помощью образца 19 сравнения позволяет устранять влияние дрейфа характеристик прибора во времени, при замене комплектующих, изменении настройки и сделать сопоставимыми фотометрические данные, полученные на разных приборах, а использование изображений образца сравнения в процедуре коррекции изображений объекта в свете флуоресценции позволяет повысить точность измерений по полю. Periodic monitoring of the measuring system using the comparison sample 19 allows you to eliminate the influence of the drift of the characteristics of the device over time, when replacing components, changing the settings and making comparable photometric data obtained on different devices, and the use of images of the comparison sample in the procedure for correcting images of an object in the light of fluorescence can increase field accuracy.

При проведении исследований в отраженном белом свете дихроичный светоделитель 11 выводят из хода лучей. При этом срабатывает датчик 12, переключающий осветительный блок 1 в режим белого света. Лучи белого света, отразившись от объекта 6 и пройдя эндоскоп 3, беспрепятственно поступают на телекамеру 8, формирующую на экране монитора 16 полноценное цветное изображение. When conducting research in reflected white light, a dichroic beam splitter 11 is removed from the course of the rays. In this case, the sensor 12 is activated, switching the lighting unit 1 to the white light mode. The rays of white light, reflected from the object 6 and passing through the endoscope 3, freely enter the camera 8, which forms a full-color image on the monitor screen 16.

Заявитель изготовил макетный образец флуоресцентного эндоскопа, в котором в качестве эндоскопа используется гастродуоденоскоп ГДБ-ВО-Г-1 (ЛОМО). В комбинированном осветительном блоке для освещения объекта коротковолновым излучением применена ртутная лампа ДРШ-250-2 с возбуждающим светофильтром, а для освещения его в белом свете используется галогенная лампа типа КГИ 9-75. Переключение режимов освещения в осветительном блоке производится дистанционно с помощью соленоида. В канале отраженного света применена стандартная цветная одноматричная ПЗС-камера KS-162 (Panasonic), а во флуоресцентном канале - специальная высокочувствительная монохромная телевизионная камера системы "ТВИСТ" ("Оптический журнал", том 67, 1, с.70-77, 2000г.). В качестве компьютера использовался IBМ -совместимый персональный компьютер класса Pentium III, оснащенный платой видообработки DC-30, фрейм-граббером системы ТВИСТ и специальным программным обеспечением, предназначенным для управления телевизионными и другими устройствами ввода/вывода, запоминания кадров и видеофильмов, а также обработки и анализа телевизионных изображений. The applicant made a prototype of a fluorescent endoscope, in which a gastroduodenoscopy GDB-VO-G-1 (LOMO) is used as an endoscope. In the combined lighting unit, a DRSh-250-2 mercury lamp with an exciting filter was used to illuminate the object with short-wave radiation, and a KGI 9-75 type halogen lamp was used to illuminate it in white light. Switching the lighting modes in the lighting unit is done remotely using a solenoid. The standard color single-matrix CCD camera KS-162 (Panasonic) was used in the reflected light channel, and the special high-sensitivity monochrome TV camera of the TWIST system was used in the fluorescent channel (Optical Journal, vol. 67, 1, p. 70-77, 2000 .). The computer used was an IBM-compatible Pentium III class personal computer equipped with a DC-30 video processing board, a TWIST frame grabber and special software designed to control television and other input / output devices, store frames and videos, and process and analysis of television images.

В качестве образца сравнения в экспериментах использовалась окрашенная флуоресцентным красителем пленка из органического материала, у которой отражающие и флуоресцентные свойства были близкими аналогичным свойствам слизистой поверхности желудка после введения в организм пациента фотосенсибилизатора "Аласенс". An organic material dyed with a fluorescent dye was used as a comparison sample in which the reflecting and fluorescent properties were similar to those of the gastric mucosa after the Alasens photosensitizer was introduced into the patient's body.

Claims

1. The method of fluorescence endoscopy by irradiating a certain spectral composition of a biological object with radiation and registering the reflected radiation with subsequent formation of its image on the monitor screen, while in fluorescence mode, part of the reflected radiation in the form of reflected exciting light is introduced into the reflected light channel, another part - in the form of fluorescence light, injected into the fluorescent channel and register them with appropriate cameras, and the introduction into the channels is carried out by light beams a device, characterized in that the pre-endoscopic system is calibrated using a reference sample having optical characteristics similar to a biological object in the light of fluorescence and reflected exciting light, using a dichroic beam splitter, and the average video signal from the entire frame (or part of it) formed by the camera in the channel of the reflected light, the sensitivity of the camera of the fluorescent channel is changed, and according to the distribution of the video signal in the frame of the camera of the channel of the reflected light, through the processor, the correction of the video signals of the frame of the camera of the fluorescent channel.

2. The method according to p. 1, characterized in that the numerical values of the photometric data of the fluorescence image of the biological object are corrected by the average signal in the frame of the camera of the fluorescence channel from the comparison sample, and according to the data on the uneven distribution of signals in the frames of the camera of the fluorescence channel and the average signal in frames of the television camera of the reflected light channel obtained when registering images of the comparison sample at various distances from it to the endoscope end, digital correction is carried out frames of the camera of the fluorescence channel when recording images of a biological object.

3. A fluorescent endoscope device comprising a combined lighting unit configured to illuminate a biological object with white light or short-wavelength fluorescence excitation radiation and connected by a lighting harness with an optical endoscope channel, an endoscope image transmission channel, an optical channel switch, a beam splitter and reflected light channels and fluorescent, equipped with cameras for receiving images in reflected light and in the light of fluorescent radiation, respectively, filters, a processor and a monitor, characterized in that the beam splitter is dichroic, and the cameras are capable of supplying a video signal from the color camera of the reflected light channel to the input of the automatic adjustment circuit of the sensitive monochromatic camera of the fluorescent channel.