спектрометрическое диагностическое устройство

Формула изобретения

Спектрометрическое диагностическое устройство, содержащее блок управления основными узлами, источник освещения со сплошным спектром излучения, источник освещения с монохроматическим спектром излучения, два световода для передачи освещяющих потоков, оптически сопряженные с соответствующими источниками освещения, световод для передачи изображения исследуемой поверхности ткани, светоделитель, выход которого оптически сопряжен со световодом для передачи изображения, первый выход светоделителя с каналом визуализации, состоящим из телекамеры и телевизионного монитора, а второй выход с оптико-электронным блоком спектроанализатора, оптико-электронный блок спектроанализатора, блок аналого-цифрового преобразования и сопряжения с ЭВМ и ЭВМ с монитором, отличающееся тем, что в оптико-электронный блок спектроанализатора введены установленное на оптической оси соответствующего выхода светоделителя сканирующее устройство с разверткой изображения по одной координате, а также оптически связанный с ним спектральный диспергирующий узел, на выходе которого в плоскости изображения установлена щелевая диафрагма, ориентированная перпендикулярно координате сканирования, а на выходе матричный фотоэлектрический преобразователь, выход которого связан с входом блока аналого-цифрового преобразования и сопряжения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для диагностики заболеваний различного патогенеза, в частности новообразований на ранней стадии заболевания.

Спектральные методы исследования патологических изменений оптических параметров клеточных структур и тканей в связи с заболеваниями различного патогенеза с применением средств вычислительной техники становятся все более актуальными.

Особый интерес представляют спектральные исследования тканей при эндоскопии внутренних органов с использованием монохроматического возбуждающего излучения и (или) со сплошным спектром.

Известен эндоскоп-спектрофлюориметр для регистрации спектров люминесценции слизистой оболочки желудка и кишечника с использованием компьютерного анализа спектральных данных, структурная схема которого в основном типична для такого рода устройств [1 3]

Указанные устройства, так же как и другие подобные им известные спектрометрические устройства, предназначенные для контроля оптических параметров тканей или веществ, не позволяют различать мелкие детали поверхности, отличающиеся от окружающих спектральным составом или интенсивностью излучений, так как спектральному анализу подвергается световой поток, воспринимаемый одновременно со всей поверхности.

Известно другое устройство [4] для диагностики злокачественных опухолей тканей человека, с помощью которого оператор может наблюдать исследуемую поверхность в непрерывном спектре рассеянного излучения или в спектре люминесценции (во всем диапазоне длин волн или же в ограниченном, установленном заранее) с разрешением по элементам поверхности, определяемым разрешающей способностью телевизионной аппаратуры, а также с помощью ЭВМ - может осуществлять интегральную оценку спектрального состава отраженного или люминесцентного излучения тканей исследуемой поверхности.

Диагностика осуществляется путем анализа спектрального состава излучения, возникающего в результате освещения ткани источником со сплошным или монохроматическим спектрами.

С помощью устройства-прототипа, благодаря разделению светового потока двумя светоделителями на четыре отдельных оптических канала, проблема визуального представления спектральных компонент оптических параметров исследуемой поверхности ткани решается с помощью оптических фильтров, установленных перед соответствующей телекамерой. Однако, во-первых, спектрометрия оптических параметров световых потоков при этом не проводится, что значительно сужает спектральную разрешающую способность прибора как в отношении мелких деталей, так и всей картинки в целом. Во-вторых, для спектрометрических целей используется отдельный канал интегральной оценки спектральной плотности энергетической яркости световых потоков отраженного или люминесцентного излучений [1-3] что практически исключает возможность обнаружения мелких деталей поверхности, отличающихся по спектральным компонентам от соседних фоновых.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в осуществлении возможности проведения с его помощью как визуального, так и спектрометрического анализа, что в целом позволяет повысить различимость патологических изменений оптических параметров и существенно расширить функциональные возможности устройства.

Указанная задача решается тем, что в спектрометрическое устройство, содержащее блок управления основными узлами, источник освещения со сплошным спектром излучения, источник освещения с монохроматическим спектром излучения, два световода для передачи освещающих потоков, оптически сопряженные с соответствующими источниками освещения, световод для передачи изображения исследуемой поверхности ткани, светоделитель, вход которого оптически сопряжен со световодом для передачи изображения, первый выход светоделителя с каналом визуализации, состоящим из телекамеры и телевизионного монитора, а второй выход со входом оптико-электронного блока спектроанализатора, оптико-электронный блок спектроанализатора, блок аналого-цифрового преобразования и сопряжения с ЭВМ и ЭВМ с монитором, в оптико-электронный блок спектроанализатора введены, установленное на оптической оси соответствующего выхода светоделителя сканирующее устройство с разверткой изображения по одной координате, а также оптически связанный с ним спектральный диспергирующий узел, на входе которого в плоскости изображения установлена щелевая диафрагма, ориентированная перпендикулярно координате сканирования, а на выходе матричный фотоэлектрический преобразователь, выход которого связан со входом блока аналого-цифрового преобразования и сопряжения с ЭВМ, благодаря чему спектральному анализу может подвергаться каждый из множества элементов исследуемой поверхности с последующим синтезом изображения с помощью ЭВМ путем свертки спектральных компонент в целом или в любом из участков спектра, кроме того, анализ оптических параметров может осуществляться как визуально, так и спектрометрически с использованием одного канала восприятия светового потока: в отраженном свете при облучении ткани источником со сплошным спектром излучения, а также в спектре люминесценции при облучении лазерным источником.

На чертеже представлена структурная схема спектрометрического диагностического устройства.

Спектрометрическое диагностическое устройство содержит блок управления основными узлами 1, источник освещения со сплошным спектром излучения 2, источник освещения с монохроматическим спектром излучения 3, световоды 4 и 5 для передачи освещающих потоков, оптически сопряженные с соответствующими источниками освещения, световод 6 для передачи изображения исследуемой поверхности ткани 16, светоделитель 7, вход которого оптически сопряжен со световодом 6, первый выход светоделителя с каналом визуализации, состоящим из телекамеры 8 и телевизионного монитора 9, а второй выход со входом оптико-электронного блока спектроанализатора, оптико-электронный блок спектроанализатора 10, блок аналого-цифрового преобразования и сопряжения 14 с ЭВМ и ЭВМ с монитором 15. В оптико-электронный блок спектроанализатора 10 введены, установленное на оптической оси соответствующего выхода светоделителя, сканирующее устройство 11 с разверткой изображения по одной координате, а также оптически связанный с ним спектральный диспергирующий узел 12, на входе которого в плоскости изображения установлена щелевая диафрагма, ориентированная перпендикулярно координате сканирования, а на выходе - матричный фотоэлектрический преобразователь 13, выход которого связан со входом блока аналого-цифрового преобразования и сопряжения 14.

Сканирование изображения поверхности осуществляется, например, путем горизонтального смещения изображения, сфокусированного на плоскость расположения неподвижной щелевой диафрагмы, установленной вертикально на оптическом входе диспергирующего узла так, что на диспергирующий элемент поступает световой поток пропущенного через щель столбца изображения, а в качестве фотоэлектрического преобразователя используется, например, телекамера с матричным фотоэлектрическим приемником, каждая из строк фоточувствительных элементов которого воспринимает спектральное разложение светового потока от соответствующей точки столбца, а строки матрицы вместе воспринимают изображение спектра всего столбца изображения, при этом началу строк матрицы соответствует длинноволновая часть, а концу строк коротковолновая (или наоборот) часть спектрального диапазона светового потока.

Спектрометрическое диагностическое устройство работает следующим образом.

Эндоскоп при внутриполосном исследовании (бронхо-, гастро-, колоноскоп и т.п.) присоединяется к спектрометрическому диагностическому устройству с помощью специального оптического разъема, установленного на оптической оси светоделителя 7 (на схеме не показан), какой-либо переделки не требует и используется в обычном порядке, а визуальное наблюдение осуществляется с помощью встроенной телекамеры и цветного телевизионного монитора 9.

В инструментальный канал эндоскопа вводятся объединенные одной оплеткой световоды 4 и 5, которые оптически состыкованы соответственно с источником освещения 2, например, лампой накаливания и источником 3 лазером.

В начале работы для проведения эндоскопических манипуляций и в диагностических целях с помощью устройства управления 1 вручную или по программе с помощью ЭВМ включается источник освещения 2, лучи белого света от которого передаются с помощью световода 4 на исследуемую поверхность.

Световой поток в виде изображения исследуемой поверхности ткани 16 передается с помощью световода 6 на светоделитель 7, где он разделяется на два: первое для визуализации с помощью телекамеры 8 и телевизионного монитора 9 и второе для спектрального анализа с помощью оптико-электронного блока 10.

С момента включения режима анализа второе изображение последовательно сканируется по горизонтали с помощью зеркального (или любого другого типа) сканера 11, световой поток от которого передается на плоскость расположения неподвижной вертикальной щелевой диафрагмы, установленной на оптическом входе диспергирующего узла 12, с выхода которого световой поток в виде изображения двухмерного пакета спектральных компонент столбца изображения принимается матричным фотоэлектрическим преобразователем 13, выходные электрические сигналы которого усиливаются до необходимого уровня, преобразуются с помощью аналого-цифрового преобразователя и в виде параллельного двоичного кода передаются через блок сопряжения 14 в ЭВМ 15.

После окончания считывания видеосигнала одного растра, сканирующее устройство смещает изображение ткани на ширину щели и процесс преобразования продолжается до тех пор, пока все поле изображения не будет пропущено через щелевую диафрагму.

Точно так же осуществляется работа устройства при облучении ткани монохроматическим источником света 3, но в этом режиме воспринимаются и анализируются спектральные компоненты индуцированной люминесценции ткани.

По результатам обработки массива спектральных данных на экране монитора компьютера синтезируется изображение ткани в псевдоцветном представлении различных спектральных составляющих, что упрощает визуальное восприятие изображения оператором в целом и позволяет увеличить заметность мелких деталей изображения, имеющих какие-либо спектральные отличия от окружающих.

Более подробный анализ и идентификация патологических измерений оптических параметров осуществляется с помощью ЭВМ путем сопоставления спектральных данных отраженного и (или) люминесцентного оптических сигналов исследуемой поверхности ткани с библиотечными данными. Кроме того, с помощью ЭВМ могут быть получены дополнительные функциональные возможности устройства, например, такие как синтез и вывод на монитор одновременно нескольких изображений для анализа их в разных участках спектра (или полученных в разное время от одной и той же поверхности), сравнение, вычитание выбранных изображений с количественной оценкой различий по интенсивности, спектру или площади, формирование библиотеки спектральных данных, решение других задач, определенных соответствующим пакетом прикладных программ и практической целесообразностью и т.д.