RU2290855C1 - Method and device for carrying out fluorescent endoscopy - Google Patents
Method and device for carrying out fluorescent endoscopy Download PDFInfo
- Publication number
- RU2290855C1 RU2290855C1 RU2005125435/14A RU2005125435A RU2290855C1 RU 2290855 C1 RU2290855 C1 RU 2290855C1 RU 2005125435/14 A RU2005125435/14 A RU 2005125435/14A RU 2005125435 A RU2005125435 A RU 2005125435A RU 2290855 C1 RU2290855 C1 RU 2290855C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fluorescence
- light
- image
- white light
- radiation
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Endoscopes (AREA)
Abstract
Description
Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к флуоресцентной диагностике опухолей и патологий внутриполостных органов, в том числе онкологических, доступных для обследования с использованием эндоскопа или лапароскопа, и может быть использовано в гинекологии, стоматологии и дерматологии.The group of inventions relates to medical equipment, namely to fluorescence diagnosis of tumors and pathologies of intracavitary organs, including oncological ones, available for examination using an endoscope or laparoscope, and can be used in gynecology, dentistry and dermatology.
Методика флуоресцентной диагностики опухолей начинает свою историю с 1924 года, когда Поликард обнаружил, что флуоресценция опухоли при освещении лампой Вуда отличается от флуоресценции нормальной ткани, см. Pollicard A. "Experimental tumors studied by Wood's light, Compt. Rend. Soc. Biol. 91 1423-1424 (1924). Однако уровень техники в то время не позволил реализовать эту идею для клинической практики. Большой прогресс в области технологии за последние два десятилетия особенно в области матричных детекторов и источников света, накопленный объем знаний по спектрально-флуоресцентным свойствам тканей, а также прогресс в создании фотосенсибилизаторов привел к тому, что в настоящее время флуоресцентная диагностика опухолей находит свое достойное применение в клинической практике, в том числе в эндоскопической диагностике.The method of fluorescence diagnosis of tumors dates back to 1924, when Policard discovered that tumor fluorescence when illuminated by a Wood lamp is different from normal tissue fluorescence, see Pollicard A. "Experimental tumors studied by Wood's light, Compt. Rend. Soc. Biol. 91 1423-1424 (1924). However, the level of technology at that time did not allow to realize this idea for clinical practice. Great progress in technology over the past two decades, especially in the field of matrix detectors and light sources, the accumulated amount of knowledge on spectral-fluorescence with oystvam tissues, as well as progress in the creation of photosensitizers has led to what is now a fluorescent tumor diagnostics finds good use in clinical practice, including the endoscopic diagnosis.
Имеющиеся методики флуоресцентной диагностики различаются прежде всего на две группы по характеру наблюдаемой флуоресценции: собственная флуоресценция и сенсибилизированная флуоресценции. При диагностике, основанной на собственной флуоресценции, отпадает необходимость в введении пациенту фотосенсибилизатора, что существенно упрощает процедуру. Однако различие во флуоресценции между опухолью и нормальной тканью при таком подходе не во всех случаях позволяет надежно проводить диагностику, и данная методика показала свою надежность лишь для узкоограниченного круга локализаций. Введение фотосенсибилизатора усложняет процесс диагностики, но приводит в ряде случаев к существенному контрасту между опухолью и нормальной тканью. Один из эффективных фотосенсибилизаторов, применяемых для диагностики, является 5-аминолевулиновая кислота (АЛК), которая в организме селективно в опухоли переходит во флуоресцирующий протопорфирин IX. Наиболее широко в настоящее время АЛК используется для диагностики рака мочевого пузыря.The available fluorescence diagnostic methods differ primarily in two groups according to the nature of the observed fluorescence: intrinsic fluorescence and sensitized fluorescence. When diagnostics based on intrinsic fluorescence, there is no need to introduce a photosensitizer to the patient, which greatly simplifies the procedure. However, the difference in fluorescence between the tumor and normal tissue with this approach does not in all cases allow reliable diagnostics, and this technique has shown its reliability only for a narrowly limited range of localizations. The introduction of a photosensitizer complicates the diagnostic process, but in some cases leads to a significant contrast between the tumor and normal tissue. One of the effective photosensitizers used for diagnosis is 5-aminolevulinic acid (ALA), which in the body selectively in the tumor passes into fluorescent protoporphyrin IX. The most widely used ALA is currently used to diagnose bladder cancer.
С точки зрения одновременности детектирования видеоизображения флуоресценции и полноценного изображения в белом свете предлагаемые подходы также можно разделить на две группы: одномодовый и совмещенный. В одномодовом режиме врачу предлагается использовать поочередно режим наблюдения в белом свете (обычный режим) либо режим флуоресценции. Пользователь может быстро переключаться из одного видеорежима в другой, но не может одновременно наблюдать в реальном масштабе времени изображение флуоресценции и изображение в белом свете. При этом для того чтобы облегчить врачу навигацию в режиме флуоресценции, изображение флуоресценции может быть наложено на изображение отражения в определенном спектральном диапазоне (но не на полноценное изображение в белом свете). Известен аппарат для фотодинамической диагностики, см., пат.US, №6212425, кл., 2001 г., где в режиме флуоресценции изображение флуоресценции, детектируемое красным и зеленым каналом цветной видеокамеры, накладывается на изображение отражения в синем свете, детектируемое синим каналом той же видеокамеры. При этом пропускание отраженного света в синем канале устанавливается специальным фильтром так, чтобы отраженный сигнал находился в одном динамическом диапазоне с сигналом флуоресценции в зелено-красной области.From the point of view of simultaneous detection of a fluorescence video image and a full-fledged white image, the proposed approaches can also be divided into two groups: single-mode and combined. In single-mode mode, the doctor is invited to use alternately a white light observation mode (normal mode) or a fluorescence mode. The user can quickly switch from one video mode to another, but cannot simultaneously observe in real time the fluorescence image and the image in white light. Moreover, in order to facilitate the doctor's navigation in the fluorescence mode, the fluorescence image can be superimposed on the reflection image in a certain spectral range (but not on a full-fledged image in white light). A well-known apparatus for photodynamic diagnostics, see US Pat. No. 6212425, class. 2001, where in the fluorescence mode the fluorescence image detected by the red and green channels of the color video camera is superimposed on the reflection image in blue light detected by the blue channel same camcorders. In this case, the transmission of reflected light in the blue channel is set by a special filter so that the reflected signal is in the same dynamic range as the fluorescence signal in the green-red region.
Известен флуоресцентный эндоскоп корпорации Olympus - одного из ведущих производителей эндоскопического оборудования, см., пат.US, №6293911, 2001 г., где для диагностики используется фотосенсибилизатор, возбуждаемый и излучающий в ближнем ИК диапазоне (700-1000 нм). В совмещенном режиме пользователь может одновременно наблюдать полноценное видеоизображение в белом свете и флуоресцентное видеоизображение, при этом также возможен режим суперпозиции этих двух изображений. Проблемы совмещения видеорежима в белом свете и видеорежима флуоресценции не возникает, если диапазон возбуждения и регистрации флуоресценции находится за границами видимого диапазона. Достаточно развести с помощью дихроичного зеркала излучение видимого диапазона на цветную камеру, а излучение флуоресценции (вне зоны видимого диапазона) на монохромную чувствительную камеру. В случае же когда диапазон регистрации флуоресценции перекрывается с видимым диапазоном, одновременное детектирование возможно, если для детектирования флуоресценции задействовать относительно узкую спектральную область на границе видимого диапазона или даже внутри него. При этом из белого света необходимо убрать длины волн, используемые для регистрации флуоресценции. Если спектральный участок, где вырезается белый свет из видимого диапазона не очень велик, то при этом удается сохранить цветопередачу при наблюдении в белом свете.The known fluorescent endoscope of Olympus Corporation is one of the leading manufacturers of endoscopic equipment, see US Pat. No. 6293911, 2001, where a photosensitizer is used for diagnostics, which is excited and emits in the near infrared range (700-1000 nm). In the combined mode, the user can simultaneously observe a full-fledged video image in white light and a fluorescent video image, while a superposition mode of these two images is also possible. The problem of combining video mode in white light and video mode of fluorescence does not arise if the range of excitation and registration of fluorescence is outside the visible range. It is enough to dilute the visible range radiation with a dichroic mirror into a color camera, and the fluorescence radiation (outside the visible range) into a monochrome sensitive camera. In the case when the fluorescence detection range overlaps with the visible range, simultaneous detection is possible if a relatively narrow spectral region is used to detect fluorescence at the boundary of the visible range or even inside it. At the same time, it is necessary to remove the wavelengths used for recording fluorescence from white light. If the spectral region where white light is cut from the visible range is not very large, then it is possible to maintain color reproduction when observed in white light.
Другой тип систем, которые могут работать в совмещенном режиме, это системы с временной модуляцией, см., пат. US, №5749830, 1998 г. В этом устройстве периодически попеременно на короткий промежуток времени оптический тракт задействуют для наблюдения в белом свете и измерения сигнала флуоресценции. Т.е. происходит периодическая съемка одного кадра в белом свете и одного кадра флуоресценции. Затем эти кадры разделяют в два потока и формируют видеопоток в белом свете и видеопоток флуоресценции либо комбинации флуоресценции и белого света. Для того чтобы сохранить скорость нормального видеорежима (25 кадров в секунду), время для измерения флуоресценции с учетом переключения оптического тракта из режима белого света в режим флуоресценции и обратно составляет порядка десятка миллисекунд, что приводит к необходимости использовать высокочувствительные сенсоры для детектирования слабого сигнала флуоресценции.Another type of system that can operate in combined mode is a system with time modulation, see, US Pat. US, No. 5749830, 1998. In this device, the optical path is periodically alternately alternated for a short period of time to observe in white light and measure the fluorescence signal. Those. periodically shooting one frame in white light and one frame of fluorescence. Then these frames are divided into two streams and form a video stream in white light and a video stream of fluorescence or a combination of fluorescence and white light. In order to maintain the speed of normal video mode (25 frames per second), the time for measuring fluorescence, taking into account the switching of the optical path from the white light mode to the fluorescence mode and vice versa, is about ten milliseconds, which necessitates the use of highly sensitive sensors to detect a weak fluorescence signal.
Помимо изображения флуоресценции изображение в отраженном свете также может нести в себе некоторую диагностическую информацию. Собственно говоря, когда врач производит обследование в белом свете, диагностика как раз и строится на различии отражения патологии и нормальной ткани в спектральных диапазонах, соответствующих синему, зеленому и красному диапазону рецепторов человеческого глаза. Однако имеются данные, что чувствительность диагностики можно повысить, если использовать более трех спектральных диапазонов, в том числе спектральные диапазоны, лежащие за пределами видимости человеческого глаза. Этот подход может быть особенно перспективен, если для диагностики одновременно использовать изображения в отраженном свете в определенных спектральных диапазонах и изображения во флуоресцентном свете. Эндоскопы такого типа также известны, см., например, пат. US. №5769792, 1998 г., или пат. US. №6821245, 2004 г.In addition to the fluorescence image, the image in reflected light may also carry some diagnostic information. Actually, when a doctor performs an examination in white light, the diagnosis is based on the difference in the reflection of pathology and normal tissue in the spectral ranges corresponding to the blue, green and red ranges of the receptors of the human eye. However, there is evidence that the diagnostic sensitivity can be increased if more than three spectral ranges are used, including spectral ranges that are beyond the scope of the human eye. This approach can be especially promising if for diagnostics simultaneously use images in reflected light in certain spectral ranges and images in fluorescent light. Endoscopes of this type are also known, see, for example, US Pat. US No. 5769792, 1998, or US Pat. US No. 6821245, 2004
Все описанные выше известные технические решения, как работающие в одномодовом режиме, так и в совмещенном, несмотря на их разнообразие, предполагают наблюдение флуоресценции в видеорежиме. В некоторых случаях это квазивидеорежим, так как ввиду слабого сигнала приходится использовать пониженную частоту кадров вплоть до нескольких герц, тем менее во всех случаях врачу предлагается наблюдение флуоресценции в видеорежиме. Для возбуждения флуоресценции во всех предложенных выше методах используются непрерывные или квазинепрерывные источники света, когда происходит лишь временная модуляция света для возбуждения флуоресценции.All the known technical solutions described above, both operating in single-mode mode and in combined mode, despite their diversity, presuppose the observation of fluorescence in video mode. In some cases, this is a quasi-video mode, since due to a weak signal it is necessary to use a reduced frame rate of up to several hertz, all the less, in all cases, the doctor is invited to observe fluorescence in the video mode. To excite fluorescence in all the methods proposed above, continuous or quasi-continuous light sources are used, when only temporary modulation of light occurs to excite fluorescence.
Известен способ флуоресцентной эндоскопии и устройство, его реализующее, см., пат. RU №2197168, Кл. А 61 В 1/045, 2000 г. В соответствии со способом эндоскопию проводят путем облучения излучением определенного спектрального состава биологического объекта и регистрации отраженного излучения с последующим формированием на экране монитора его изображения, при этом в режиме флуоресцентного исследования часть отраженного излучения в виде отраженного возбуждающего света вводят в канал отраженного света, другую часть - в виде света флуоресценции вводят в флуоресцентный канал и регистрируют их соответствующими телекамерами, а введение в каналы осуществляют светоделителем, предварительно эндоскопическую систему калибруют с помощью образца сравнения, обладающего оптическими характеристиками, близкими к биологическому объекту в свете флуоресценции и отраженном возбуждающем свете, используют дихроичный светоделитель, и по усредненному видеосигналу от всего кадра (или его части), формируемого телекамерой в канале отраженного света, изменяют чувствительность телекамеры флуоресцентного канала, а по распределению видеосигнала в кадре телекамеры канала отраженного света проводят посредством процессора коррекцию видеосигналов кадра телекамеры флуоресцентного канала. А флуоресцентный эндоскоп содержит комбинированный осветительный блок, выполненный с возможностью освещения биологического объекта белым светом или коротковолновым возбуждающим флуоресценцию излучением и связанный осветительным жгутом с оптическим каналом эндоскопа, канал передачи изображения эндоскопа, оптический переключатель каналов, светоделитель и каналы отраженного света и флуоресцентный, снабженный телекамерами для приема изображения в отраженном свете и в свете флуоресцентного излучения, соответственно светофильтры, процессор и монитор, при этом светоделитель выполнен дихроичным, а телекамеры с возможностью подачи видеосигнала от цветной телекамеры канала отраженного света на вход схемы автоматической регулировки чувствительной монохроматической телекамеры флуоресцентного канала.A known method of fluorescence endoscopy and a device that implements it, see, US Pat. RU No. 2197168, Cl. A 61 B 1/045, 2000. In accordance with the method, endoscopy is performed 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 the fluorescence study part of the reflected radiation in the form of reflected exciting light is introduced into the reflected light channel, the other part, in the form of fluorescence light, is introduced into the fluorescence channel and recorded by their respective cameras, and the introduction into the channels a beam splitter is carried out, a preliminary 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, a dichroic beam splitter is used, and the average video signal from the entire frame (or part of it) generated by the camera in the reflected channel light, change the sensitivity of the camera of the fluorescent channel, and according to the distribution of the video signal in the frame of the camera of the channel of the reflected light, the wire It corrects the video signals of the frame of the camera of the fluorescent channel by means of a processor. A fluorescent endoscope contains a combined lighting unit, configured to illuminate a biological object with white light or a short-wavelength fluorescence exciting radiation and connected by a lighting harness to the optical channel of the endoscope, an endoscope image transmission channel, an optical channel switch, a beam splitter and reflected light channels, and a fluorescent camera equipped with cameras for image reception in reflected light and in the light of fluorescent radiation, respectively filters, pr an processor and a monitor, while the beam splitter is made dichroic, and cameras with the ability to supply a video signal from a color camera of the reflected light channel to the input of the automatic adjustment circuit of a sensitive monochromatic camera of a fluorescent channel.
Указанная известная группа изобретений на способ и устройство принята в качестве прототипа, как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату аналог. Данная группа изобретений позволяет повысить точность диагностики путем снижения зависимости регистрируемых флуоресцентных изображений от дестабилизирующих факторов.The specified well-known group of inventions for the method and device adopted as a prototype, as the closest in technical essence and the achieved result analogue. This group of inventions allows to increase the accuracy of diagnosis by reducing the dependence of the recorded fluorescence images from destabilizing factors.
Недостатком прототипов является необходимость наблюдения флуоресценции в видеорежиме реального масштаба времени во время эндоскопического обследования, что затягивает процесс, делает его непривычным для врача, проводившего ранее эндоскопические обследования в белом свете. Кроме того, большая световая экспозиция может привести к выгоранию фотосенсибилизаторов и собственных флуорохромов тканей, что приведет к уменьшению либо исчезновению контраста, а свет короче 370 нм, или сверхмощные лазерные импульсы при больших экспозициях вредны для организма.The disadvantage of prototypes is the need to observe fluorescence in real-time video mode during an endoscopic examination, which delays the process, makes it unusual for a doctor who has previously conducted endoscopic examinations in white light. In addition, a large light exposure can lead to burnout of photosensitizers and tissue fluorochromes of their own, which will lead to a decrease or disappearance of contrast, and light shorter than 370 nm, or heavy-duty laser pulses with large exposures are harmful to the body.
Положительные свойства прототипов заслуживают того, чтобы быть максимально сохраненными, вместе с тем указанные недостатки не позволяют использовать известные из уровня техники решения в полной мере для целей заявляемых способа и устройства, что свидетельствует о соответствии группы изобретений критерию «новизна».The positive properties of the prototypes deserve to be maximally preserved, however, these disadvantages do not allow the full use of the solutions known from the prior art for the purposes of the claimed method and device, which indicates the compliance of the group of inventions with the criterion of "novelty".
Способ флуоресцентной эндоскопии и устройство, его реализующее, в соответствии с настоящим описанием являются группой изобретений, образующих единый изобретательский замысел и направленных на достижение единого технического результата.The method of fluorescence endoscopy and the device that implements it, in accordance with the present description, are a group of inventions that form a single inventive concept and aimed at achieving a single technical result.
В отличие от известных предлагаемая группа изобретений предполагает полностью отказаться от наблюдения флуоресценции в видеорежиме реального масштаба времени во время эндоскопического обследования, а использовать для этого режим фотографии со «со вспышкой». То есть пользователь имеет возможность сделать только отдельные цифровые снимки во флуоресцентном свете, при этом для возбуждения флуоресценции используется источник света, генерирующий мощный одиночный короткий импульс, подобно лампе-вспышке, используемой в фотографии. В целом процедура эндоскопического обследования происходит следующим образом. Врач проводит эндоскопический осмотр в обычном белом свете и делает мгновенные фотографии отдельных участков во флуоресцентном свете.In contrast to the known ones, the proposed group of inventions intends to completely abandon the observation of fluorescence in real-time video mode during endoscopic examination, and use the “flash” photo mode for this. That is, the user has the opportunity to take only individual digital images in fluorescent light, while a light source is used to excite fluorescence, generating a powerful single short pulse, like the flash lamp used in photography. In general, the procedure for endoscopic examination is as follows. The doctor performs an endoscopic examination in ordinary white light and takes instant photographs of individual areas in fluorescent light.
Одновременно с флуоресцентным изображением фиксируется также одиночный кадр той же области в белом свете. Снимок может быть сразу же проанализирован врачом, скажем, для принятия решения о взятии биопсии или же более детально изучен после окончания эндоскопического обследования для постановки диагноза и планирования последующей процедуры лечения.Simultaneously with the fluorescence image, a single frame of the same area in white light is also recorded. A snapshot can be immediately analyzed by a doctor, say, to decide on a biopsy, or studied in more detail after an endoscopic examination to diagnose and plan a subsequent treatment procedure.
Фотографический режим является более привычным для врача, проводившего ранее эндоскопические обследования в белом свете. Фактически данный метод представляет собой обычное обследование в белом свете с фотографированием подозрительных участков в свете флуоресценции.The photographic mode is more familiar to the doctor who previously conducted endoscopic examinations in white light. In fact, this method is a conventional white light examination with photographing suspicious areas in the light of fluorescence.
При работе источника света в импульсном режиме можно обеспечить существенно более высокое отношение сигнала к шуму и соответственно качество изображения, чем при регистрации флуоресценции в непрерывном видеорежиме.When the light source is in pulsed mode, it is possible to provide a significantly higher signal-to-noise ratio and, accordingly, image quality than when recording fluorescence in continuous video mode.
При регистрации единичных изображений можно обеспечить более высокое пространственное разрешение, чем при записи непрерывного видеоизображения. При засветке ткани отдельными импульсами световая экспозиция (произведение интенсивности света на время экспонирования) существенно меньше, чем при засветке в непрерывном режиме. Большая световая экспозиция может привести к выгоранию фотосенсибилизаторов и собственных флуорохромов тканей, что приведет к уменьшению либо исчезновению контраста.When registering single images, it is possible to provide a higher spatial resolution than when recording continuous video. When the tissue is exposed to individual pulses, the light exposure (the product of the light intensity by the exposure time) is significantly less than when exposed to continuous light. Large light exposure can lead to burnout of photosensitizers and tissue fluorochromes of their own, which will lead to a decrease or disappearance of contrast.
Существенно меньшая экспозиция тканей при работе с одиночными импульсами может позволить использовать для возбуждения флуоресценции спектральные диапазоны и мощности света, которые при больших экспозициях вредны для организма, скажем, свет короче 370 нм, или сверхмощные лазерные импульсы.A significantly lower tissue exposure when working with single pulses can allow the use of spectral ranges and light powers that are harmful to the body, for example, light shorter than 370 nm, or ultra-high-power laser pulses to excite fluorescence.
В данной методике существует естественная возможность записать кадр флуоресценции с некоторой задержкой по отношению к возбуждающему импульсу (или даже несколько кадров с разной задержкой). При этом можно селектировать флуоресценцию флуорофоров с разным временем жизни, что можно дополнительно использовать для диагностики. В частности, известно, что время жизни собственной флуоресценции в нормальной ткани и в патологии различно.In this technique, there is a natural opportunity to record a fluorescence frame with a certain delay in relation to the exciting pulse (or even several frames with different delay). In this case, it is possible to select the fluorescence of fluorophores with different lifetimes, which can be additionally used for diagnosis. In particular, it is known that the lifetime of intrinsic fluorescence in normal tissue and in pathology is different.
В конечном итоге указанный технический результат позволяет повысить эффективность диагностики при проведении флуоресцентной эндоскопии.Ultimately, this technical result allows to increase the efficiency of diagnostics during fluorescence endoscopy.
Указанный положительный результат достигается следующим образом. Согласно способу флуоресцентной эндоскопии, обследование ведут путем облучения белым светом или излучением определенного спектрального состава биологического объекта и регистрации отраженного излучения с последующим формированием на экране монитора его изображения, при этом отраженное излучение разделяют посредством светоделителя на различные каналы. В отличие от прототипа формирование на экране монитора видеоизображения осуществляют только в режиме исследования в белом свете, в режиме флуоресцентного исследования регистрацию изображения осуществляют в виде отдельного кадра с возбуждением от одиночного короткого импульса света, а непосредственно перед этим осуществляют регистрацию изображения того же биологического объекта в виде отдельного кадра в режиме исследования в белом свете, при этом пиковая плотность мощности короткого импульса света на поверхности биологического объекта в несколько раз превышает плотность мощности белого света, затем осуществляют совместную цифровую обработку этих двух кадров.The indicated positive result is achieved as follows. According to the method of fluorescence endoscopy, the examination is carried out by irradiation with white light or radiation of a certain spectral composition of a biological object and registration of reflected radiation with subsequent formation of its image on the monitor screen, while the reflected radiation is separated by a beam splitter into various channels. Unlike the prototype, the formation of video images on the monitor screen is carried out only in the white light research mode, in the fluorescence study mode, the image is recorded as a separate frame with excitation from a single short light pulse, and immediately before that the image of the same biological object is recorded in the form a single frame in the study mode in white light, while the peak power density of a short light pulse on the surface of the biological object The project is several times higher than the power density of white light, then they carry out joint digital processing of these two frames.
Положительный результат в части устройства достигается тем, что устройство для флуоресцентной эндоскопии включает флуоресцентный эндоскоп, комбинированный осветительный блок, выполненный с возможностью освещения биологического объекта белым светом и возбуждающим флуоресценцию излучением и связанный осветительным жгутом с оптическим каналом эндоскопа, канал передачи изображения эндоскопа, преимущественно дихроичный светоделитель и каналы отраженного света, снабженные средствами для приема изображения в отраженном свете и в свете флуоресцентного излучения, светофильтры, процессор и монитор. В отличие от прототипа комбинированный осветительный блок выполнен с возможностью генерирования в оптическом канале эндоскопа одиночных световых импульсов определенного спектрального состава, мощности и длительности для возбуждения флуоресценции объекта исследования, при этом средства для приема изображения смонтированы с возможностью непрерывного регистрирования на мониторе изображения объекта в белом свете, а в момент светового импульса - отдельного флуоресцентного снимка, причем процессор оснащен алгоритмом цифровой обработки суперпозиции кадра флуоресценции и кадра в белом свете и вывода результирующего кадра на монитор.A positive result in terms of the device is achieved by the fact that the device for fluorescence endoscopy includes a fluorescence endoscope, a combined lighting unit, configured to illuminate the biological object with white light and exciting the fluorescence radiation and connected by a light cable with an optical endoscope channel, an endoscope image transmission channel, mainly a dichroic beam splitter and reflected light channels provided with means for receiving an image in reflected light and in light fluorescent light filters, processor and monitor. Unlike the prototype, the combined lighting unit is configured to generate single light pulses of a certain spectral composition, power and duration in the optical channel of the endoscope to excite fluorescence of the object of study, while the means for receiving the image are mounted with the possibility of continuous recording of the object image in white light on the monitor, and at the moment of a light pulse - a separate fluorescence image, and the processor is equipped with a digital processing algorithm and superposition of the fluorescence frame and the white frame and outputting the resulting frame to a monitor.
Возможно, что средство для приема изображения выполнено в виде цветной камеры для обеспечения возможности регистрирования излучения флуоресценции в двух или трех спектральных диапазонах.It is possible that the means for receiving the image is made in the form of a color camera to enable registration of fluorescence radiation in two or three spectral ranges.
Возможно также, что средства для приема изображения отраженного видимого света и излучения флуоресценции выполнены в виде цветных камер, установленных с возможностью селектирования на них излучения посредством дихроичного светоделителя.It is also possible that the means for receiving the image of reflected visible light and fluorescence radiation are made in the form of color cameras installed with the possibility of selecting radiation on them by means of a dichroic beam splitter.
Во всех частных случаях реализации устройства комбинированный осветительный блок может быть оснащен галогенной или ксеноновой, или металлогалоидной лампой, или белыми светодиодами для освещения биологического объекта белым светом, для освещения биологического объекта в виде одиночного импульса, возбуждающим флуоресценцию могут использоваться импульсные лампы, светоизлучающие диоды, лазерные диоды, другие лазерные источники.In all special cases of the device implementation, the combined lighting unit can be equipped with a halogen or xenon, or metal halide lamp, or white LEDs to illuminate the biological object with white light, flash lamps, light-emitting diodes, laser can be used to illuminate the biological object in the form of a single pulse, exciting fluorescence diodes, other laser sources.
В соответствии со способом пациенту, как правило, за определенный промежуток времени перед стандартным эндоскопическим обследованием системно вводится препарат - фотосенсибилизатор (ФС), избирательно накапливающийся в новообразованиях. Диагностика некоторых патологий возможна и без введения ФС за счет собственной флуоресценции тканей. При проведении эндоскопического обследования в обычном белом свете врач фиксирует положение эндоскопа так, чтобы в зоне видимости оказался участок поверхности ткани, который, по его/ее мнению, кажется подозрительным. Далее при нажатии на кнопку затвора производится моментальная цифровая фотография со «вспышкой» этого участка ткани во флуоресцентном свете. Для этой цели участок ткани освещается коротким световым импульсом определенного спектрального состава. Изображение флуоресценции, возбужденное этим световым импульсом, в определенном спектральном диапазоне или нескольких спектральных диапазонах регистрируется детектором и запоминается в виде одиночного кадра. При этом непосредственно перед записью кадра флуоресценции запоминается также одиночный кадр той же зоны в белом свете. Далее после цифровой обработки на экран монитора выводится суперпозиция этих двух снимков, либо же два отдельных снимка. По характеру распределения интенсивности флуоресценции на фоне снимка в белом свете врач может сделать вывод о наличии и локализации опухоли или иной патологии в исследуемой зоне.In accordance with the method, the patient, as a rule, for a certain period of time before a standard endoscopic examination is systemically administered a drug - a photosensitizer (PS), which selectively accumulates in neoplasms. Diagnosis of some pathologies is possible even without the introduction of PS due to intrinsic fluorescence of tissues. When conducting an endoscopic examination in ordinary white light, the doctor fixes the position of the endoscope so that there is a portion of the surface of the tissue that is in his / her opinion, which seems suspicious. Then, when you press the shutter button, an instant digital photo is taken with a “flash” of this tissue section in fluorescent light. For this purpose, a tissue site is illuminated by a short light pulse of a certain spectral composition. The fluorescence image excited by this light pulse in a certain spectral range or several spectral ranges is recorded by the detector and stored in a single frame. In this case, immediately before recording the fluorescence frame, a single frame of the same zone in white light is also stored. Then, after digital processing, a superposition of these two pictures, or two separate pictures, is displayed on the monitor screen. According to the nature of the distribution of fluorescence intensity against the background of the image in white light, the doctor can conclude that there is a tumor and a localization or other pathology in the study area.
Предложенная методика в некотором смысле аналогична фотографии со вспышкой. Для получения хорошего фото в условиях низкой освещенности нет смысла освещать объект непрерывно интенсивным светом при позиционировании. Вместо этого позиционирование на объект съемки производится в условиях низкой освещенности, а для регистрации снимка используется одиночная короткая интенсивная вспышка. В данном изобретении позиционирование объекта съемки производится в условиях освещения обычным белым светом от эндоскопического осветителя, и производится съемка отдельных участков ткани во флуоресцентном свете при возбуждении флуоресценции коротким одиночным импульсом определенного спектрального состава, генерируемого тем же эндоскопическим осветителем.The proposed technique is in some ways similar to flash photography. To get a good photo in low light conditions, it makes no sense to illuminate the subject continuously with intense light when positioning. Instead, the subject is positioned in low light conditions, and a single, short, intense flash is used to record the image. In this invention, the positioning of the subject is made under normal white light from an endoscopic illuminator, and individual sections of the tissue are photographed in fluorescent light when fluorescence is excited by a short single pulse of a certain spectral composition generated by the same endoscopic illuminator.
При фотографии с лампой-вспышкой в современных цифровых фотоаппаратах мощность вспышки оценивается заранее, исходя из расстояния до объекта и других параметров с тем, чтобы не было переэкспозиции или недоэкспозиции снимка. В данном случае такую поправку на мощность светового импульса также можно сделать, исходя из полученного непосредственно перед флуоресцентной съемкой изображения в белом свете.When photographing with a flash lamp in modern digital cameras, the flash power is estimated in advance based on the distance to the subject and other parameters so that there is no overexposure or underexposure of the image. In this case, such a correction for the power of the light pulse can also be made based on the image obtained immediately before fluorescence shooting in white light.
В предложенную концепцию укладывается также метод, в котором для диагностики использует информацию как из изображения флуоресценции, так и от изображения в отраженном свете в определенных спектральных диапазонах. Во-первых, последний кадр изображения в отраженном белом свете записанного перед записью флуоресцентного изображения несет в себе информацию об отражении в трех спектральных диапазонах, соответствующих синему, зеленому и красному каналу видеокамеры. То есть этот кадр может совместно с кадром флуоресценции использоваться для увеличения диагностического контраста в окончательном изображении. Во-вторых, непосредственно перед записью кадра флуоресценции мы можем записать кадр в отраженном свете в одном или нескольких специфических спектральных диапазонах, в том числе в инфракрасном. Наконец, мы можем записать кадр в отраженном свете в специфических спектральных диапазонах вместе с кадром флуоресценции, используя часть спектрального диапазона для флуоресценции, а часть - для отражения, и применяя различные схемы деления изображений, в том числе с использованием дихроичных зеркал и фильтров, что будет более подробно рассмотрено ниже.The proposed concept also includes a method in which, for diagnostics, it uses information from both the fluorescence image and the image in reflected light in certain spectral ranges. Firstly, the last frame of the image in reflected white light recorded before recording the fluorescence image carries information about the reflection in three spectral ranges corresponding to the blue, green and red channel of the camera. That is, this frame can be used together with the fluorescence frame to increase the diagnostic contrast in the final image. Secondly, immediately before recording the fluorescence frame, we can record the frame in reflected light in one or more specific spectral ranges, including infrared. Finally, we can record the frame in reflected light in specific spectral ranges together with the fluorescence frame, using part of the spectral range for fluorescence, and part for reflection, and using various image division schemes, including using dichroic mirrors and filters, which will discussed in more detail below.
Отметим, что поскольку кадр в отраженном видимом свете и кадр флуоресценции снимаются последовательно, то возможно небольшое смещение этих кадров относительно друг друга, особенно если для записи кадра флуоресценции требуется механическое перемещение фильтра или заслонки. При простом наложении кадра флуоресценции и кадра в белом свете будет смещение и, возможно, масштабирование, что приведет к ошибке в определении локализации опухоли. Для уменьшения этой ошибки можно реализовать алгоритм, который при анализе двух изображений вычислит величину смещения и масштабирования, и дальнейшее наложение кадров будет уже учитываться с учетом этих величин. Для более эффективной работы этого алгоритма при записи изображения флуоресценции желательно также записать кадр отражения хотя бы в одном из цветовых каналов цветной камеры (предпочтительнее в синем). Тогда, сравнивая синие каналы последнего кадра в белом свете и синего канала записанного вместе с кадром флуоресценции, будет легко определить смещение и масштабирование между этими двумя кадрами. Подобную процедуру коррекции можно также произвести, если перед записью кадра флуоресценции производится запись кадра отражения в специфических спектральных диапазонах.Note that since the frame in reflected visible light and the fluorescence frame are recorded sequentially, a slight shift of these frames relative to each other is possible, especially if mechanical recording of the filter or damper is required to record the fluorescence frame. With a simple overlay of the fluorescence frame and the frame in white light, there will be an offset and, possibly, scaling, which will lead to an error in determining the location of the tumor. To reduce this error, an algorithm can be implemented that, when analyzing two images, calculates the magnitude of the displacement and scaling, and further overlapping frames will already be taken into account taking into account these values. For more efficient operation of this algorithm when recording a fluorescence image, it is also desirable to record a reflection frame in at least one of the color channels of the color camera (preferably in blue). Then, comparing the blue channels of the last frame in white light and the blue channel recorded with the fluorescence frame, it will be easy to determine the offset and scaling between the two frames. A similar correction procedure can also be performed if a reflection frame is recorded in specific spectral ranges before recording the fluorescence frame.
Заявленная группа изобретений имеет изобретательский уровень, поскольку является результатом глубоких научных исследований и творческой проработки проблемы и даже для высококвалифицированного специалиста явным образом не следует из уровня техники.The claimed group of inventions has an inventive step, since it is the result of deep scientific research and creative study of the problem, and even for a highly qualified specialist it does not explicitly follow from the prior art.
Группа технических решений иллюстрирована чертежами. На фигуре 1 представлена принципиальная схема реализации способа флуоресцентной эндоскопии при эндоскопическом или лапараскопическом обследовании; фиг.2 - устройство блока детектирования; фиг.3 - схема ввода лазерного излучения в осветительный жгут эндоскопа с помощью поворотной призмы; фиг.4 - схема ввода лазерного излучения в осветительный жгут эндоскопа с помощью оптического волокна; фиг.5 - схема ввода света в эндоскопический жгут от двух ламповых источников; фиг.6 - блок-схема программного обеспечения.The group of technical solutions is illustrated by drawings. The figure 1 presents a schematic diagram of the implementation of the method of fluorescence endoscopy during endoscopic or laparoscopic examination; figure 2 - device block detection; figure 3 - diagram of the input of laser radiation into the lighting harness of the endoscope using a rotary prism; figure 4 - diagram of the input of laser radiation into the lighting harness of the endoscope using optical fiber; 5 is a diagram of the input of light into an endoscopic tourniquet from two lamp sources; 6 is a block diagram of software.
На принципиальной схеме реализации способа представлены комбинированный осветительный блок 1, осветительный жгут 2, флуоресцентный эндоскоп или лапараскоп 3, биологический объект исследования 4, патология 5, блок детектирования 6 с кнопкой съемки 7, блок управления 8, компьютер 9, монитор 10 видеоизображения в белом свете, монитор для фиксирования флуоресцентных снимков 11. Блок детектирования 6 содержит фокусирующий объектив 12, светоделитель 13, блокирующие фильтры 14 и 15, цветную камера 16, затвор 17, высокочувствительная монохромная камера 18. Возможно исполнение устройства, в котором комбинированный осветительный блок 1 лазерного излучения содержит поворотную призму 19, разъем 20 со световодом, доставляющим излучение лазера (SMA или аналогичный разъем), приемный разъем 21, фокусирующий объектив 22, оптическую пластину 23, на которую клеится поворотная призма 19, корпус 24 с отверстием под адаптер, эллиптический рефлектор 25 галогенной лампы, круговую диафрагму 26, фильтр 27, затвор 28, перекрывающий свет лампы во время подачи импульса от лазера. Возможно использование вместо поворотной призмы 18 Г-образного металлического капилляра с оптоволоконным световодом 29 внутри. Возможна конструкция комбинированного осветительного блока 1, содержащая лампу 30 с параболическим рефлектором непрерывного видимого света, импульсную лампу 31 с параболическим рефлектором, дихроичное зеркало 32, фокусирующую линзу 33, заслонку 34, полосовой фильтр (bandpass) 35.The schematic diagram of the implementation of the method presents a combined lighting unit 1, a
Возможны различные схемы исполнения группы изобретений в зависимости от целевого предназначения. Устройство по способу может быть применено в гинекологии, стоматологии, дерматологии.Various patterns of execution of the group of inventions are possible, depending on the intended purpose. The device according to the method can be used in gynecology, dentistry, dermatology.
В соответствии со схемой, реализация способа флуоресцентной эндоскопии осуществляется следующим образом.In accordance with the scheme, the implementation of the method of fluorescence endoscopy is as follows.
Ключевым элементом данного изобретения является комбинированный импульсно-непрерывный осветительный блок 1, который наряду с излучением непрерывного белого света для освещения способен также излучать короткие мощные одиночные импульсы света определенного спектрального диапазона для возбуждения флуоресценции. В обычном режиме работы свет видимого спектрального диапазона фокусируется на осветительный жгут 2 эндоскопа 3 и доставляется через осветительный канал эндоскопа 3 к объекту исследования 4. Далее изображение в видимом свете регистрируется специальной цветной камерой 16, входящей в состав блока детектирования 6, и передается через блок управления на монитор 10 видеоизображения в белом свете. Собственно говоря так работает обычный эндоскоп с оптическим каналом для передачи изображения на видеокамеру. Проводя обычный осмотр в белом свете, врач может снять флуоресцентную фотографию любого подозрительного участка. Для удобства кнопка съемки 7 располагается непосредственно вблизи блока детектирования 6. Кнопка съемки 7 по своей функции соответствует кнопке спуска затвора фотоаппарата. При нажатии на эту кнопку происходит следующее. Последний полный кадр, полученный в белом свете, запоминается в память компьютера 9. Далее блокируется (полностью или частично) белый свет, а источник света посылает в осветительный канал эндоскопа одиночный световой импульс определенного спектрального диапазона от λ1ex до λ2ех (диапазон возбуждения флуоресценции). В случае, если спектральный диапазон регистрации флуоресценции не перекрывается с видимым светом, используемым для освещения, то блокировать видимый свет на время подачи светового импульса не обязательно, что существенно упростит конструкцию. Сенсор детектора флуоресценции, расположенный в блоке детектирования 6, регистрирует сигнал флуоресценции в определенном спектральном диапазоне от λ1em до λ2еm (диапазон регистрации флуоресценции). Запуск сенсора флуоресценции синхронизирован с подачей светового импульса. Кадр съемки флуоресценции запоминается в памяти компьютера. Далее производится цифровая обработка последнего кадра изображения в белом свете и кадра флуоресценции, и результирующий кадр суперпозиции поступает на монитор флуоресцентной съемки 11. Этот кадр остается замороженным на мониторе до того момента, как будет произведен следующий флуоресцентный снимок. В то же самое время система вновь автоматически переходит в режим видеомониторинга в белом свете, и на видеомонитор 10 продолжает поступать текущее видеоизображение в белом свете. Система готова к следующему снимку. Все флуоресцентные снимки, сделанные в процессе обследования вместе с соответствующими копиями в белом свете, запоминаются в памяти компьютера и могут быть при необходимости детально проанализированы после проведения осмотра. Поскольку время регистрации флуоресценции довольно мало и может быть менее 1/25 секунды, то во время регистрации флуоресценции мы можем потерять всего лишь один или несколько кадров из видеопотока в белом свете, так что пользователь фактически постоянно будет видеть на видеомониторе 10 непрерывное изображение в белом свете в реальном масштабе времени, даже в момент нажатия кнопки 7.A key element of this invention is a combined pulsed-continuous lighting unit 1, which, in addition to emitting continuous white light for illumination, is also able to emit short powerful single pulses of light of a certain spectral range to excite fluorescence. In normal operation, the light of the visible spectral range is focused on the
В зависимости от диапазонов возбуждения флуоресценции (от λ1ex до λ2ех) и регистрации флуоресценции (от λ1em до λ2em), а также от требуемой чувствительности и простоты конструкции возможна реализация блока детектирования в различных вариантах.Depending on the ranges of fluorescence excitation (from λ 1ex to λ 2ex ) and registration of fluorescence (from λ 1em to λ 2em ), as well as on the required sensitivity and simplicity of design, a detection unit can be implemented in various ways.
В одной из конструкций, где диапазон длин волн возбуждения флуоресценции лежит в области короче синей границы регистрируемого видимого света (λblue), предлагается следующее решение. Заметим сразу при этом, что для обеспечения нормальной цветопередачи диапазон регистрации видимого света (λblue; λred) может быть несколько уже границ видимости человеческого глаза (400-700 нм). Вполне приемлемая цветопередача при изображении тканей может быть обеспечена при диапазоне регистрации от λblue=430 нм до λred=645 нм. Блок регистрации в этом случае может содержать одну цветную камеру (здесь и далее под цветной камерой может подразумеваться камера на базе одного CCD или CMOS сенсора с мозаичными фильтрами, или 3-CCD камера) с отрезающим фильтром, блокирующим излучение с длиной волны короче λblue. При освещении белым светом мы регистрируем обычное цветное изображение. При флуоресцентной фотографии белый свет полностью блокируется, а в осветительный канал подается импульс с длинами волн короче λblue. Сигнал флуоресценции от этого импульса регистрируется той же цветной камерой в трех спектральных диапазонах, соответствующих красному, зеленому и синему диапазону регистрации камеры. В этом случае мы фактически имеем три изображения флуоресценции в различных диапазонах регистрации. В этом случае для отображения сигнала можно использовать различные алгоритмы, в частности, отношения красной составляющей к зеленой с тем, чтобы исключить влияние неоднородности освещения. В случае, если для возбуждения флуоресценции необходимо использовать свет с длиной волны более чем λblue, на время регистрации флуоресценции перед камерой устанавливается фильтр, отрезающий излучение короче λ2ex, при этом λ2ex может лежать в зеленом и даже в красном диапазоне спектра. В этом случае мы не сможем зарегистрировать флуоресценцию в синем канале и, возможно, в зеленом канале цветной камеры, так как соответствующие спектральные диапазоны могут быть заблокированы упомянутым выше фильтром. Но мы сможем зарегистрировать на красный канал камеры даже флуоресценцию, лежащую в инфракрасном диапазоне. Еще более оптимальный вариант устройства реализуется, если мы на момент записи флуоресценции не полностью заблокируем свет отражения в синем канале цветной камеры, а частично, так, чтобы он был в одном динамическом диапазоне с интенсивностью флуоресценции. Тогда мы сможем зарегистрировать кадр отражения в синем свете и кадр флуоресценции одновременно, что может быть использовано для корректировки смещения между кадром в белом свете и кадром флуоресценции, как это было отмечено выше. Следует также отметить, что интенсивность флуоресценции обычно на несколько порядков меньше, чем интенсивность отраженного света, используемого для освещения. Применение одной и той же камеры для регистрации сигнала флуоресценции и отраженного излучения будет целесообразно, когда соответствующие сигналы находятся в одном динамическом диапазоне. Использование импульсных источников света для возбуждения флуоресценции как раз и позволяет увеличить пиковую мощность в импульсе на несколько порядков по сравнению с непрерывным режимом, при этом сигнал флуоресценции от импульсного источника и отраженный сигнал от непрерывного источника могут оказаться в одном динамическом диапазоне, что позволяет оптимальным образом использовать одну и ту же камеру для регистрации обоих сигналов.In one of the designs, where the wavelength range of the fluorescence excitation lies in the region shorter than the blue border of the detected visible light (λ blue ), the following solution is proposed. We immediately note that in order to ensure normal color rendering, the range of registration of visible light (λ blue ; λ red ) may be somewhat narrower than the limits of visibility of the human eye (400-700 nm). A completely acceptable color rendition for the image of tissues can be achieved with a recording range from λ blue = 430 nm to λ red = 645 nm. The registration unit in this case may contain a single color camera (hereinafter, a color camera may mean a camera based on one CCD or CMOS sensor with mosaic filters, or a 3-CCD camera) with a cut-off filter that blocks radiation with a wavelength shorter than λ blue . When illuminated with white light, we register a normal color image. In fluorescence photography, white light is completely blocked, and a pulse with wavelengths shorter than λ blue is supplied to the illumination channel. The fluorescence signal from this pulse is recorded by the same color camera in three spectral ranges corresponding to the red, green, and blue range of camera registration. In this case, we actually have three images of fluorescence in different recording ranges. In this case, various algorithms can be used to display the signal, in particular, the ratio of the red component to the green one in order to exclude the influence of inhomogeneity of lighting. If it is necessary to use light with a wavelength of more than λ blue to excite fluorescence, a filter is cut in front of the camera during the recording of fluorescence, cutting off radiation shorter than λ 2ex , while λ 2ex can lie in the green and even in the red spectrum. In this case, we will not be able to register fluorescence in the blue channel and, possibly, in the green channel of the color camera, since the corresponding spectral ranges can be blocked by the filter mentioned above. But we will be able to register on the red channel of the camera even fluorescence lying in the infrared range. An even more optimal variant of the device is realized if, at the time of recording the fluorescence, we did not completely block the reflection light in the blue channel of the color camera, and partially, so that it was in the same dynamic range with the fluorescence intensity. Then we can register the reflection frame in blue light and the fluorescence frame at the same time, which can be used to adjust the offset between the white light frame and the fluorescence frame, as noted above. It should also be noted that the fluorescence intensity is usually several orders of magnitude lower than the intensity of the reflected light used for illumination. The use of the same camera for recording the fluorescence signal and reflected radiation will be advisable when the corresponding signals are in the same dynamic range. The use of pulsed light sources to excite fluorescence just allows you to increase the peak power in the pulse by several orders of magnitude compared to the continuous mode, while the fluorescence signal from a pulsed source and the reflected signal from a continuous source can be in the same dynamic range, which makes it possible to optimally use the same camera for recording both signals.
В случае, когда блок детектирования 6 состоит из цветной 16 и высокочувствительной монохромной камеры 18 для регистрации флуоресценции после выхода из окуляра эндоскопа 2, свет проходит через фокусирующий объектив 12 и попадает на светоделитель 13 изображения. В зависимости от задачи диагональная плоскость светоделителя 13 может представлять полупрозрачный слой либо же дихроичное зеркало, пропускающее коротковолновую часть спектра (область длин волн короче λred) и отражающее красную и ближнюю инфракрасную составляющую (диапазон спектра с длинами волн, превышающим величину λred). Установка дихроичного зеркала особенно целесообразна в случае, если диапазон регистрации флуоресценции (λ1em; λ2em) лежит в области длиннее 640-650 нм. При этом повышается чувствительность регистрации как в белом свете, так и в режиме флуоресценции. Прошедшее излучение регистрируется цветной камерой 16, перед которой может быть установлен фильтр 14, блокирующий излучение возбуждения флуоресценции. Высокочувствительная монохромная камера 18 используется для регистрации флуоресценции. Перед камерой расположен полосовой фильтр 15, пропускающий излучение в диапазоне длин волн от λ1em до λ2em. Кроме того, чтобы избежать засветки камеры при наблюдении в белом свете, перед камерой может быть расположен затвор 17, который открывается только на время регистрации флуоресценции. Работа затвора 17 синхронизована со световым импульсом, подаваемым источником света.In the case when the detection unit 6 consists of a
Комбинированный осветительный блок 1, излучающий в осветительный жгут 2 эндоскопа 3 непрерывный видимый свет и короткий одиночный световой импульс для возбуждения флуоресценции, работает следующим образом.The combined lighting unit 1 emitting continuous visible light and a short single light pulse to excite fluorescence into the
Возможно для генерации видимого непрерывного света и мощного светового импульса использование одного источника света, который может работать как в непрерывном (с относительно небольшой средней мощностью, достаточной для освещения), так и в импульсном (с большой пиковой мощностью) режимах. Роль таких источников света могут играть разрядные лампы, светодиоды или лазерные диоды. При этом для ограничения спектрального диапазона длин волн во время излучения светового импульса перед источником света может устанавливаться специальный полосовой фильтр 35 (bandpass) с интервалом пропускания от λ1ex до λ2ех.It is possible to generate visible continuous light and a powerful light pulse using a single light source, which can operate both in continuous (with a relatively small average power sufficient for illumination) and in pulsed (with a high peak power) mode. The role of such light sources can be played by discharge lamps, LEDs or laser diodes. Moreover, to limit the spectral range of wavelengths during the emission of a light pulse, a
Возможно использовать различные источники, генерирующие непрерывный видимый свет для освещения и световой импульс для возбуждения флуоресценции. При этом свет от обоих источников фокусируется на торец осветительного жгута 2 эндоскопа 3. В качестве источника непрерывного видимого света могут использоваться ксеноновые, галогенные и металлогалоидные лампы, которые используются в настоящее время в эндоскопических осветителях. Кроме того, в качестве непрерывного источника света могут также использоваться светодиоды. В качестве импульсных источников света для возбуждения флуоресценции могут использоваться специальные лампы-вспышки, импульсные светодиоды, импульсные лазерные диоды, а также различные импульсные лазеры, включая твердотельные лазеры с модулируемой добротностью и преобразованием частоты.It is possible to use various sources generating continuous visible light for illumination and a light pulse for exciting fluorescence. In this case, the light from both sources is focused on the end of the
Предпочтительной является оптическая схема с двумя источниками света. Лазерное излучение вводят в эндоскопический осветительный канал путем модификации существующих эндоскопических осветителей, где в качестве источников света применяются лампы с эллиптическим рефлектором. Импульсное излучение от лазерного источника доставляется по оптическому волокну малого диаметра, на конце которого расположен стандартный оптический разъем 20. Далее при помощи фокусирующего объектива 22 и поворотной призмы 19 излучение фокусируется на торец осветительного жгута 2 эндоскопа 3. Оптическая пластина 23 с приклеенной к ней поворотной призмой 19 практически не уменьшают количество света от эллиптического рефлектора 25 галогенной лампы. Для блокирования света от лампы в момент подачи импульса от лазера в осветительный жгут 2 эндоскопа 3 используется специальный затвор 28, расположенный между рефлектором 25 галогенной лампы и поворотной призмой 19 Г-образного металлического капилляра с оптоволоконным световодом 29 внутри.An optical arrangement with two light sources is preferred. Laser radiation is introduced into the endoscopic illumination channel by modifying existing endoscopic illuminators, where elliptical reflector lamps are used as light sources. The pulsed radiation from the laser source is delivered through a small diameter optical fiber, at the end of which a standard
При использовании схемы ввода излучения от лазерного источника в осветительный жгут 2 вместо оптической пластины 23 с поворотной призмой 19 оптического волокна с изгибом под углом, близким 90 градусов, оптоволоконный световод 29 может быть помещен в металлический капилляр Г-образной формы с тем, чтобы придать волокну нужный радиус изгиба. Для разворота излучения в осветительный жгут 2 эндоскопа 3 возможно также использование специальных кварцевых трубок с косым срезом на торце.When using the scheme for introducing radiation from a laser source into a
Для реализации оптического ввода в эндоскопический осветитель от двух низкоколлимированных источников света, излучение от которых нельзя с высокой эффективностью ввести в оптическое волокно малого диаметра, можно использовать схему ввода в осветительный жгут 2 эндоскопа 3 света от лампы 30 видимого света с параболическим рефлектором и от лампы 31 вспышки с параболическим рефлектором для возбуждения флуоресценции. Вместо лампы-вспышки 31 в этой схеме могут также использоваться импульсные светодиоды с коллимирующей оптикой.To implement optical input into the endoscopic illuminator from two low-collimated light sources, the radiation from which cannot be efficiently introduced into a small diameter optical fiber, you can use the input circuit into the
Примером реализации способа является конкретное устройство эндоскопического флуоресцентного фотоаппарата для диагностики с АЛК при возбуждении в красном диапазоне спектра и для диагностики по собственной флуоресценции при возбуждении в красном диапазоне.An example of the implementation of the method is a specific device of an endoscopic fluorescence camera for diagnostics with ALA during excitation in the red spectrum and for diagnostics of intrinsic fluorescence during excitation in the red range.
Был проведен большой объем спектральных исследований по собственной флуоресценции опухолей при возбуждении в красном диапазоне спектра, в частности при возбуждении на длине волны 633 нм. Результаты спектральных исследований показали, что спектры флуоресценции некоторых типов опухолей отличаются от нормальных тканей. При этом оптимальный спектральный диапазон для детектирования флуоресценции лежит в области 650-900 нм. Такое устройство может также использоваться и с другими ФС второго поколения на основе хлоринов, фталоцианинов, пурпуринов, интенсивно флуоресцирующих при возбуждении в диапазоне 630-670 нм. Наиболее востребованными являются возбуждения флуоресценции в диапазоне 630-640 нм и в диапазоне 660-680 нм.A large amount of spectral research was conducted on the intrinsic fluorescence of tumors when excited in the red spectrum, in particular when excited at a wavelength of 633 nm. The results of spectral studies showed that the fluorescence spectra of some types of tumors differ from normal tissues. Moreover, the optimal spectral range for detecting fluorescence lies in the region of 650-900 nm. Such a device can also be used with other second-generation PSs based on chlorins, phthalocyanines, purpurins, which intensively fluoresce upon excitation in the range of 630–670 nm. The most demanded are fluorescence excitations in the range of 630-640 nm and in the range of 660-680 nm.
Диапазон регистрации видимого света справа можно ограничить величиной λred ~635-640 нм. Источник света для возбуждения флуоресценции имеет большую длину волны λех>λred. Удобно для возбуждения использовать полупроводниковые лазерные диоды или светоизлучающие диоды с длиной волны λех ~635-670 нм. А диапазон регистрации флуоресценции можно ограничить следующими значениями λ1em ~650-690 нм, λ2em - 720-900 нм. При этом на источник белого света можно установить отрезающий фильтр, блокирующий излучение с длиной волны больше λ1em. Поскольку диапазоны видимого белого света и регистрации флуоресценции не перекрываются, нет необходимости ставить дополнительный блокирующий фильтр в источник белого света на момент подачи светового импульса с длиной волны λех. Если для регистрации используется одна цветная камера 16, то в момент регистрации флуоресценции перед камерой следует установить фильтр 14, пропускающий излучение флуоресценции от λ1еm до λ2еm. Возможен пример, когда фильтр 14 имеет частичное пропускание в синей и, возможно, зеленой области спектра. При этом одновременно с кадром флуоресценции мы можем записать кадр отражения в двух соответствующих спектральных диапазонах. Если для регистрации используется система на основе светоделителя 13 на каналы отраженного света для средств приема изображения, камер 16 и 18, то фильтр 15, пропускающий только излучение от от λ1em до λ2еm, может постоянно находиться перед монохромной камерой 18. При этом в данной конфигурации отпадает необходимость в затворе 17, так как все остальное излучение в виде непрерывного белого света и импульсный свет блокируются этим фильтром 15. В этом случае одновременно со спектром флуоресценции на синий и зеленый канал цветной камеры 16 запишет изображение в отраженном свете в соответствующих спектральных диапазонах, надо только позаботиться о том, чтобы отраженный свет импульса, возбуждающего флуоресценцию, был бы заблокирован от попадания в цветную камеру 16 дихроичным зеркалом светоделителя 13 и фильтром 14. Преимущество данной конструкции заключается в том, что полностью отпадает необходимость механической быстрой смены фильтра перед камерой в блоке регистрации и в эндоскопическом осветителе для блокировки белого света.The detection range of visible light on the right can be limited to λ red ~ 635-640 nm. The light source for exciting fluorescence has a large wavelength λ ex > λ red . It is convenient to use semiconductor laser diodes or light-emitting diodes with a wavelength λ ex ~ 635-670 nm for excitation. And the range of registration of fluorescence can be limited by the following values of λ 1em ~ 650-690 nm, λ 2em - 720-900 nm. In this case, a cut-off filter can be installed on the white light source, blocking radiation with a wavelength greater than λ 1em . Since the ranges of visible white light and registration of fluorescence do not overlap, there is no need to put an additional blocking filter in the white light source at the time of applying a light pulse with a wavelength of λ ex . If one
Примером реализации является случай, когда для возбуждения флуоресценции используется импульсный источник света в спектральной области короче диапазона регистрации белого света λех<λblue. В частности, для диагностики с АЛА при возбуждении в фиолетовом диапазоне удобно использовать импульсные источники с длиной волны от λ1ex ~360 до λ2ех ~420 нм. Возбуждение флуоресценции в этом диапазоне может оказаться эффективным и для диагностики некоторых типов опухолей по собственной флуоресценции. При этом в случае, если используется система с одной цветной камерой 16, то перед ней постоянно установлен фильтр 14, блокирующий излучение с длиной волны, равной и короче λ2ex. Однако в момент подачи светового импульса для возбуждения флуоресценции белый свет должен быть временно заблокирован. Сигнал флуоресценции в этом случае детектируется в трех спектральных диапазонах, определяющих цветовые характеристики камеры 16. В случае, если используется система регистрации на базе цветной 16 и монохромной 18 камер, а диапазон регистрации флуоресценции не перекрывается с диапазоном регистрации видимого света, то можно, как и в предыдущем случае, сделать систему, где нет необходимости производить быструю смену фильтров как в эндоскопическом осветителе, так и в блоке регистрации.An example of implementation is the case when a pulsed light source in the spectral region is shorter than the white light detection range λ ex <λ blue to use for fluorescence excitation . In particular, for diagnostics with ALA during excitation in the violet range, it is convenient to use pulsed sources with a wavelength from λ 1ex ~ 360 to λ 2ex ~ 420 nm. Excitation of fluorescence in this range can also be effective for the diagnosis of certain types of tumors by their own fluorescence. Moreover, if a system with one
Существуют конструкции эндоскопов, где матричный сенсор расположен непосредственно на дистальном конце эндоскопа. Кроме того, современная технология позволяет также разместить и на дистальном конце световые источники на основе светодиодов. Соответствующие модификации аппаратуры, реализующие возможность флуоресцентной фотографии, также возможны на базе этих моделей. Если на дистальном конце эндоскопа 3 расположить монохромный сенсор, а излучение подавать по осветительному каналу в виде трех импульсов - синего, зеленого и красного света, то на этой основе из трех соответствующих кадров синтезируется изображение в белом свете. Для реализации метода флуоресцентной фотографии в данной конструкции можно в осветительный канал подать мощный импульс с длинами волны короче диапазона регистрации сенсора. При этом сенсор зарегистрирует интегральную флуоресценцию во всем видимом диапазоне.There are endoscope designs where the matrix sensor is located directly at the distal end of the endoscope. In addition, modern technology also makes it possible to place light sources based on LEDs at the distal end. Corresponding equipment modifications that realize the possibility of fluorescence photography are also possible on the basis of these models. If a monochrome sensor is placed at the distal end of endoscope 3, and the radiation is supplied through the illumination channel in the form of three pulses - blue, green and red light, then on this basis an image in white light is synthesized from three corresponding frames. To implement the method of fluorescence photography in this design, a powerful pulse with wavelengths shorter than the sensor registration range can be fed into the lighting channel. In this case, the sensor will record integral fluorescence in the entire visible range.
Метод флуоресцентной фотографии может быть также использован в гинекологии, стоматологии и дерматологии. Для гинекологии соответствующий прибор может быть сконструирован на базе кольпоскопа. Для стоматологии данный прибор может быть создан на базе появившихся в последнее время стоматологических визуализаторов, которые содержат миниатюрную CCD камеру, окруженную светодиодами для подсветки. Здесь следует предусмотреть возможность размещения вблизи камеры также мощных импульсных светодиодов для возбуждения флуоресценции. Для дерматологии подобный прибор может быть создан путем модификации современного цифрового фотоаппарата.The method of fluorescence photography can also be used in gynecology, dentistry and dermatology. For gynecology, an appropriate device can be constructed on the basis of a colposcope. For dentistry, this device can be created on the basis of recent dental visualizers, which contain a miniature CCD camera, surrounded by LEDs for illumination. Here it should be possible to place powerful pulsed LEDs near the camera to excite fluorescence. For dermatology, a similar device can be created by modifying a modern digital camera.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005125435/14A RU2290855C1 (en) | 2005-08-10 | 2005-08-10 | Method and device for carrying out fluorescent endoscopy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005125435/14A RU2290855C1 (en) | 2005-08-10 | 2005-08-10 | Method and device for carrying out fluorescent endoscopy |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2290855C1 true RU2290855C1 (en) | 2007-01-10 |
Family
ID=37761060
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005125435/14A RU2290855C1 (en) | 2005-08-10 | 2005-08-10 | Method and device for carrying out fluorescent endoscopy |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2290855C1 (en) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2510235C2 (en) * | 2008-03-18 | 2014-03-27 | Новадак Текнолоджиз Инк. | Imaging system for combined full-colour reflectance and near-infrared imaging |
| RU2540829C2 (en) * | 2009-04-03 | 2015-02-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Interactive iterative closest point algorithm for organ segmentation |
| RU2561030C1 (en) * | 2014-01-30 | 2015-08-20 | Федеральное государственное бюджетное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова Министерства обороны Российской Федерации (ВМедА) | Method for detecting and localising glial brain tumours intraoperatively |
| RU2574793C2 (en) * | 2013-08-01 | 2016-02-10 | Закрытое акционерное общество "Новосибирский институт нейронаук" | Method of intraoperative diagnostics of malignant tumour borders and device for thereof realisation |
| RU168715U1 (en) * | 2016-04-11 | 2017-02-16 | Акционерное общество "ЛОМО" | VIDEO ENDOSCOPE LIGHTING SYSTEM |
| CN106798542A (en) * | 2016-06-05 | 2017-06-06 | 郑洪� | Endoscopic diagnosis support device and endoscope |
| RU2736909C1 (en) * | 2019-12-05 | 2020-11-23 | Гарри Вазгенович Папаян | Method for photodynamic diagnostics and therapy of central lung cancer and device for implementation thereof |
| RU208537U1 (en) * | 2021-08-16 | 2021-12-23 | Общество с ограниченной ответственностью "Промышленные технологии" | MULTI-CHANNEL VIDEOANDOSCOPE |
| CN115251811A (en) * | 2022-08-15 | 2022-11-01 | 中南大学 | Large-depth photoacoustic multi-mode flexible endoscopic imaging probe based on micro stepping motor |
-
2005
- 2005-08-10 RU RU2005125435/14A patent/RU2290855C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Gobel W. et al. Miniaturized two-photon microscope based on a flexible coherent fiber bundle and a gradient-index lens objective. Opt Lett. 2004 Nov 1; 29(21):2521-3. (Реферат). * |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2510235C2 (en) * | 2008-03-18 | 2014-03-27 | Новадак Текнолоджиз Инк. | Imaging system for combined full-colour reflectance and near-infrared imaging |
| RU2540829C2 (en) * | 2009-04-03 | 2015-02-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Interactive iterative closest point algorithm for organ segmentation |
| RU2574793C2 (en) * | 2013-08-01 | 2016-02-10 | Закрытое акционерное общество "Новосибирский институт нейронаук" | Method of intraoperative diagnostics of malignant tumour borders and device for thereof realisation |
| RU2561030C1 (en) * | 2014-01-30 | 2015-08-20 | Федеральное государственное бюджетное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова Министерства обороны Российской Федерации (ВМедА) | Method for detecting and localising glial brain tumours intraoperatively |
| RU168715U1 (en) * | 2016-04-11 | 2017-02-16 | Акционерное общество "ЛОМО" | VIDEO ENDOSCOPE LIGHTING SYSTEM |
| CN106798542A (en) * | 2016-06-05 | 2017-06-06 | 郑洪� | Endoscopic diagnosis support device and endoscope |
| RU2736909C1 (en) * | 2019-12-05 | 2020-11-23 | Гарри Вазгенович Папаян | Method for photodynamic diagnostics and therapy of central lung cancer and device for implementation thereof |
| RU2777486C1 (en) * | 2021-06-24 | 2022-08-04 | Общество с ограниченной ответственностью "БИОСПЕК" | Device for photodynamic therapy with the possibility of simultaneous spectral-fluorescent control of photobleaching of a photosensitizer |
| RU208537U1 (en) * | 2021-08-16 | 2021-12-23 | Общество с ограниченной ответственностью "Промышленные технологии" | MULTI-CHANNEL VIDEOANDOSCOPE |
| RU211213U1 (en) * | 2022-02-08 | 2022-05-25 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования "Российская медицинская академия непрерывного профессионального образования" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБОУ ДПО РМАНПО Минздрава России) | Device for photometric examination of the intestine |
| CN115251811A (en) * | 2022-08-15 | 2022-11-01 | 中南大学 | Large-depth photoacoustic multi-mode flexible endoscopic imaging probe based on micro stepping motor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6724101B2 (en) | Light source device for endoscope | |
| JP4608684B2 (en) | Apparatus and light source system for optical diagnosis and treatment of skin diseases | |
| RU2290855C1 (en) | Method and device for carrying out fluorescent endoscopy | |
| US6603552B1 (en) | Portable system for detecting skin abnormalities based on characteristic autofluorescence | |
| JP5451956B2 (en) | Compact fluorescent endoscope imaging system | |
| JP4855728B2 (en) | Illumination device and observation device | |
| JP4444657B2 (en) | Fluorescence endoscopy video system with no moving parts in the camera | |
| US20070213593A1 (en) | Endoscope system | |
| US20080027286A1 (en) | Removable Filter Apparatus and Endoscope Apparatus | |
| JP2014087661A (en) | Filter for use with imaging endoscope | |
| JPH10201707A (en) | Endoscope apparatus | |
| JP2009297311A (en) | Light source device, imaging apparatus and endoscope apparatus | |
| JP2011092683A (en) | Electronic endoscope | |
| EP1728464A1 (en) | Endoscope image pickup system | |
| JP4727886B2 (en) | Portable system for detecting skin abnormalities | |
| JP5579672B2 (en) | Endoscope system and light source device | |
| JP2003061909A (en) | Light source and electronic endoscope | |
| JP2004243119A (en) | Diagnostic imaging apparatus of tissue | |
| JP2012081048A (en) | Electronic endoscope system, electronic endoscope, and excitation light irradiation method | |
| US20050253087A1 (en) | Fluorescence diagnostic system | |
| JP5152795B2 (en) | Fluorescence image acquisition device and method of operating fluorescence image acquisition device | |
| JP2008237652A (en) | Fluorescence observation electronic endoscope system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070811 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20090520 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100811 |