LV14749B - Multimodālas attēlošanas ierīce ādas bezkontakta diagnostikai - Google Patents

Description

IZGUDROJUMA APRAKSTS

Tehniskā i oma

Izgudrojums attiecas uz ierīcēm, kas ir paredzēti izmantošanai ādas stāvokļa bezkontakta novērtēšanai, konkrēti ādas pigmentu (hromoforu, fluoroforu) koncentrācijas sadalījuma un zemādas mikrocirkulācijas novērtēšanai.

Tehnikas līmenis

Ādas stāvokļa novērtējums nepieciešams dažādās ar medicīnu saistītās nozarēs dermatoloģijā, onkoloģijā, kosmetoloģijā, ķirurģijā, traumatoloģijā, apdegumu ārstēšanā, u.c. Tam nepieciešama kvantitatīva un objektīvi dokumentējama informācija, kas iegūstama ar speciālu aparātu palīdzību.

Mūsdienu tehnikas līmenim atbilstoši ādas diagnostikas aparāti - konfokālie mikroskopi, siaskopi, lāzerdoplerogrāfi u.c. - ir dārgi un sniedz visai vienpusēju informāciju. Piemēram, melanomas atšķiršanā no bazaliomas būtiska nozīme ir gan melanīna un citu ādas pigmentu sadalījumam pa ādas virsmu, gan arī zemādas mikrocirkulācijas īpatnībām. Pat modernākajos siaskopos iegūstamas tikai dažu ādas absorbējošo hromoforu kartes, bet par fluorescējošiem ādas pigmentiem (fluoroforām) un ādas asins pulsācijām šie aparāti nesniedz nekādu informāciju. Ādas asinsapgādes sadalījumu var novērtēt pēc lāzeru doplerogrāfijas attēliem, bet no tiem nevar iegūt datus par artēriju pulsāciju fāzes u.c. dinamisko parametru sadalījumu, kam arī ir diagnostiska nozīme. Kompleksas ierīces ādas pigmentu un mikrocirkulācijas parametru vienlaicīgai kartēšanai medicīnas aparātu tirgū pagaidām netiek piedāvātas.

Ir zināma portatīva pārnēsājama ierīce subjekta fotografēšanai dažādu krāsu monohromatiskā apgaismojumā ar turpmāko attēlu apstrādi, ar mērķi iegūt attēlus augstā krāsu izšķirtspējā (patents US 7889919 - tuvākais patents). Iegūtie augstas spektrālās izšķirtspējas attēli var būt noderīgi precīza krāsu toņa noteikšanai objekta attēlā pielietojumam dermatoloģijā, stomatoloģijā, pārtikas rūpniecībā, augu veģetācijas analīzei un industrijā. Spektrālu attēlu iegūšanai bieži izmanto arī digitālās fotomatricas komplektā ar dažādu spektru caurlaidīgiem filtriem, piemēram, rotējošu disku ar dažādu krāsu filtru komplektu (E.C. Ruvolo et al., Proc. SPIE, Vol. 7548, 75480A, 2010) vai elektriski vadāmus šķidro kristālu filtrus.

Ādas hromoforu koncentrācijas noteikšanai ir zināmas dažādas metodes. Kā zināms, ādas krāsu nosaka starojuma absorbcija ādā, kas dažāda spektrālā sastāva gaismai ir atšķirīga. Noteicošie ādas komponenti ir melanīns, kas piešķir ādai dzeltenīgi-brūnu toni, un asins sastāvā esošais hemoglobīns, kas piešķir ādai sarkanīgu nokrāsu. Hemoglobīna, oksihemoglobīna un melanīna koncentrācijas noteikšanai (EP 1810614 A3, EP2181649A1) tiek izmantoti trīs joslu (RGB) vai četru joslu spektrālie starotāji (555-565nm, 570-585nm, 620-650nm, 680-750nm). Hromoforu koncentrācijas tiek aprēķinātas no ādas absorbcijas spektra un atstarotā signāla dažāda spektra starojumā. Ir zināmas metodes bilirubīna koncentrācijas noteikšanai ādā (EP 0747002 Al, WO 2001072222 Al, EP 0747002 Al, kur izmanto divu (450nm, 540nm) vai vairāku krāsu starotājus. Bilirubīna monitoringu pielieto jaundzimušo hiperbilirubinēmijas diagnostikā un zilumu monitoringā. Ir zināma metode ādas apsārtuma jeb eritēmas mērīšanai (US 2010/0249731 Al), kur ādas eritēmas kartēšanai izmanto trīs krāsu (RGB) spektrālo analīzi.

Ādas fluoroforu fotoizbalēšana ir process, kad ilglaicīga starojuma ierosmes rezultātā samazinās fluorescences intensitāte. Šo īpašību izmanto dzīvo šūnu fluorescences mikroskopijā (WO 2010082048 A2), kā arī audu fotodinamiskajā terapijā zāļu koncentrācijas noteikšanai (Johansson.A. et al. J.Biomed.Opt, 11(3) 034029, 2006). Fluoroforu īpašības veselai ādai un patoloģiskiem veidojumiem ir atšķirīgas, līdz ar to ir iespējams vizualizēt ādas zonas ar dažādiem fotoizbalēšanas laikiem.

Fotopletizmogrāfija (PPG) ir neinvazīva optiska metode ādas mikrocirkulācijas pulsāciju mērīšanai. Metodes pamatā ir optiskā starojuma spēja iespiesties audos vairāku milimetru dziļumā, kur starojums tiek absorbēts audos un asinīs. Sirdsdarbības un elpošanas rezultātā asins apjoms periodiski mainās, kā iespaidā starojuma intensitāte tiek modulēta. Asins tilpuma izmaiņas var noteikt ar bezkontakta PPG metodes palīdzību, starojuma reģistrēšanai izmantojot videokameru un speciālu datorapstrādi, kā rezultātā iegūst mikrocirkulācijas parametru sadalījumu ādā (US2009226071 Al). Bezkontakta PPG metodi var izmantot bezkontakta skābekļa koncentrācijas noteikšanai (WO2009030934 A2) ādas mikrocirkulācijas monitoringā, ādas transplantu ķirurģijā un reģionālās anestēzijas kontrolē (LV14444). Izgudrojuma atklāšana

Tiek piedāvāta multimodālas attēlošanas ierīce ādas patoloģiju novērtēšanai, kas ir paredzēta konkrēti ādas hromoforu un fluoroforu koncentrācijas un zemādas asinsrites mikrocirkulācijas mērīšanai un novērtēšanai katrā attēla pikselī. Ādas apstarošanai ierīce izmanto monohromatiskus gaismas avotus, kas secīgi ieslēdzas un izslēdzas. Vienlaicīgi tiek filmēta āda virsma, izmantojot krāsu (RGB) videokameru ar mainīgu kadru frekvenci. Iegūtie attēli tiek digitāli apstrādāti, kā rezultātā tiek iegūtas ādas hromoforu un fluoroforu koncentrācijas kartes un ādas asins perfuzijas karte. Iegūtās ādas kartes attēlo krāsu izmaiņas ādā, t.sk. patoloģiju (piemēram ādas audzēju) apvidū. Ierice darbojas vairākos secīgos režīmos: (i) fotografēšana polarizētā baltā gaismā tiek izmantota, lai novērtētu ādas stāvokli krāsu skalā; (ii) krāsu attēlu multispektrālā analīze tiek izmantota, lai iegūtu konkrētu ādas pigmentu (melanīna, oksi- un deoksi-hemoglobīna, bilirubīna) koncentrācijas sadalījumu ādā; (iii) laika parametru analīze monohromatisku attēlu virknei (video) tiek izmantota, lai noteiktu ādas asinsapjoma izmaiņas un mikrocirkulācijas sadalījumu ādā; (iv) laika parametru analīze monohromatisku fluorescences attēlu virknei (video) tiek izmantota, lai noteiktu ādas endogeno fluorescējošo pigmentu (fluoroforu) koncentrācijas sadalījumu ādā.

īss zīmējumu apraksts

Fig. 1 ir parādīta muitimodālās attēlošanas ierices darbības blokshēma;

Fig. 2 ir parādīts muitimodālās attēlošanas ierīces kopskats;

Fig. 3 ir parādīta ierīces darbības algoritma blokshēma;

Fig. 4 ir parādīta ierīces darbības algoritma blokshēma spektrālo mērījumu režīmā, kad tiek aprēķināts ādas hromoforu koncentrācijas sadalījums un tiek noteikti ādas nelabvēlīgie veidojumi;

Fig. 5 parādīta ierīces darbības algoritma blokshēma mikrocirkulācijas intensitātes mērīšanas režīmā, kad tiek aprēķināta un vizualizēts ādas asins pulsāciju amplitūdu sadalījums, kas palīdz noteikt ādas nelabvēlīgos veidojumus;

Fig. 6 parādīta ierīces darbības algoritma blokshēma fluoroforu mērīšanas režīmā, kad tiek aprēķinātas un vizualizētas ādas zonas ar atšķirīgiem fluoroforu fotoizbalēšanas laikiem, kuri atšķiras veselai ādai un tās nelabvēlīgiem veidojumiem.

Muitimodālās attēlošanas ierīces uzbūve ir parādīta Fig. 1. Tā satur sekojošus mezglus:

- kombinētu gaismas avotu 1, kas ietver vairākus dažādās spektra joslās izstarojošu gaismas diožu (LED) starotājus, ar kuriem tiek apstarota ādas virsma 2;

optisku sistēmu 3, kas ietver UV starojuma filtru un polarizācijas filtru;

ar objektīvu aprīkotu attēla sensoru 4, kurš pārveido optisko attēlu elektriskajā signālā;

- procesoru 5, kurš kontrolē LED, attēla sensoru, atmiņu, veic ādas pigmentu un mikrocirkulācijas aprēķinus;

ārējās atmiņas ierīci 6, kas ir pielāgota datu uzkrāšanai un kurā glabājas spektrālie attēli, hromoforu karšu attēli un cita diagnostiska informācija;

- datu pārraides bloku 7, datu bezvadu pārraidei (piemēram, uz viedtālruni, datoru, vai citu ekvivalentu ierīci);

- izvadierīci 8, piemēram, displeju, uz kura tiek izvadīti hromoforu karšu attēli un cita diagnostiska informācija.

Gaismas avots 1 ir savienots ar procesoru 5, kurš ir savienots ar izvadierīci 8, sensoru 4, atmiņas ierīci 6 un datu pārraides bloku 7 ar iespēju nosūtīt un/vai saņemt digitālus signālus. Optiskā sistēma 3 ir savienota ar sensoru 4. Multimodālā ierīce ir parādīta Fig. 2.

Piedāvātā ierīce var papildus saturēt datu ievades moduli, kas ir piemērots mērāmās personas datu ievadei un nosūtīšanai uz atmiņas ierīci saglabāšanai tajā. Saskaņā ar labāko izgudrojuma izpausmi piedāvātā ierīce ir pielāgota multi-spektrālo mērījumu režīmā uzņemt krāsu RGB attēlus; ādas mikrocirkulācijas monitoringam tā ir pielāgota zaļa starotāja ieslēgšanai un ādas attēlu virknes uzņemšanai video režīmā; ādas fluoroforu fotoizbalēšanas monitoringam tā ir pielāgota ultravioleta starotāja ieslēgšanai un ādas attēlu virknes uzņemšanai video režīmā. Ierīce ir pielāgota ādas hromoforu, mikrocirkulācijas un fluoroforu fotoizbalēšanas karšu aprēķiniem no iegūtajiem ādas attēliem. Turklāt piedāvātā multimodālā ierīce var būt pielāgota veikt ādas diagnostisko parametru, tādu kā melanomas, eritēmas, bilirubīna novērtējumu. Multimodālā ierice var tikt pielāgota kustību kompensācijas algoritma izmantošanai video režīmā, kas novērš ādas kustību radītos artefaktus mikrocirkulācijas un fluoroforu fotoizbalēšanas kartēs. Ierīce var saturēt arī datu ievades moduli, kas ir piemērots mērāmās personas datu ievadei un nosūtīšanai uz atmiņas ierīci saglabāšanai tajā, kā arī datu pārraides moduli, kas ir piemērots ierakstīto datu bezvadu pārraidei uz viedtālruni, datoru, vai citu ekvivalentu ierīci.

Ierīces darbības shēma un algoritmi ir detalizēti izklāstīti Fig. 3-6. Piedāvātā ierīce var darboties daudzfunkcionālā režīmā. Ādas hromoforu (melanīns, hemoglobīns, bilirubīns) koncentrācijas novērtēšanai ierīce darbojas spektrālā režīmā, kur āda tiek secīgi apgaismota ar četriem monohromatiskiem gaismas starotājiem un vienlaicīgi tiek fotografēta, identificējot katrā attēla pikselī RGB signāla vērtības. Ādas fluoroforu koncentrācijas novērtēšanai āda tiek apstarota ar ultravioleto starojumu un vienlaicīgi tiek filmēta, identificējot katrā attēla pikselī G signāla vērtības, no kurām tiek aprēķināti klāsteri ar atšķirīgiem fluoroforu dzīšanas laikiem.

Zemādas mikrocirkulāciju režīmā āda tiek apstarota ar zaļo starojumu, vienlaicīgi tiek filmēta, identificējot katrā attēla pikselī G signāla vērtības, un tiek aprēķinātas gaismas intensitātes izmaiņas, kas saistītas ar gaismas absorbciju asinīs. Piedāvātā ierīce ir portatīva un ir paredzēta neinvazīviem optiskiem mērījumiem.

Claims (8)

1. Pretenzijas

   1. Multimodālas attēlošanas ierice ādas stāvokļa bezkontakta novērtēšanai, kas ietver: (i) vairāku spektra joslu LED starotājus, kas ir pielāgoti ādas specifiskai apgaismošanai saskaņā ar ādas spektrālajām īpašībām; (ii) optisku lēcu sistēmu ādas virsmas attēla veidošanai; (iii) ierīci ādas attēla reģistrēšanai un pārveidošanai video signālā; (iv) procesoru ādas apstarojuma režīmu un spektrālo attēlu reģistrācijas kontrolei, kas ir pielāgots spektrālu attēlu režīmā secīgi ieslēgt un izslēgt spektrālos starotājus, vienlaicīgi reģistrējot ādas attēlus attiecīgā spektra apgaismojumā, monohromatiskā video režīmā ieslēgt noteikta spektra starotāju, vienlaicīgi veicot ādas videoierakstu, un kartēšanas režīmā aprēķināt ādas hromoforu, mikrocirkulācijas un fluoroforu fotoizbalēšanas kartes; (v) atmiņas ierīci attēlu un video signālu ierakstīšanai; (vi) izvadierīci ādas hromoforu koncentrācijas, mikrocirkulācijas un fluorescences fotoizbalēšanas karšu attēlošanai.
2. 2. Multimodālā ierīce saskaņā ar 1. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka tā ir pielāgota multispektrālo mērījumu režīmā uzņemt krāsu RGB attēlus.
3. 3. Multimodālā ierīce saskaņā ar 1. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka ādas mikrocirkulācijas monitoringam tā ir pielāgota zaļa starotāja ieslēgšanai un ādas attēlu virknes uzņemšanai video režīmā.
4. 4. Multimodālā ierīce saskaņā ar 1. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka ādas fluoroforu fotoizbalēšanas monitoringam tā ir pielāgota ultravioleta starotāja ieslēgšanai un ādas attēlu virknes uzņemšanai video režīmā.
5. 5. Multimodālā ierīce saskaņā ar 1. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka procesors ir pielāgots veikt ādas diagnostisko parametru, tādu kā melanomas, eritēmas, bilirubīna, novērtējumu.
6. 6. Multimodālā ierīce saskaņā ar 1. 3. vai 4. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka tā ir pielāgota kustību kompensācijas algoritma izmantošanai video režīmā, kas novērš ādas kustības radītos artefaktus mikrocirkulācijas un fluoroforu fotoizbalēšanas kartēs.
7. 7. Multimodālā ierīce saskaņā ar jebkuru no iepriekšminētajām pretenzijām, kas atšķiras ar to, ka papildus satur datu ievades moduli, kas ir piemērots mērāmās personas datu ievadei un nosūtīšanai uz atmiņas ierīci saglabāšanai tajā.
8. 8. Muliimodāla ierīce saskaņā ar jebkuru no iepriekšminētajām pretenzijām, kas atšķiras ar to, ka papildus satur datu pārraides moduli, kas ir piemērots ierakstīto datu bezvadu pārraidei uz viedtālruni, datoru vai citu ekvivalentu ierīci.