Спосіб спостереження структури та процесів у біотканині та апарат, що його реалізує

Реферат: Винахід належить до обладнання та способів досліджень, що виконуються методами цифрової візуалізації макроструктур та мікроструктур та процесів в медичній діагностиці. В способі утворюють потік плоскополяризованого світла, який розділяють на два потоки - еталонний і робочий, еталонний потік пропускають крізь систему аналізаторів у вигляді матриці, розміщених в одній площині перпендикулярно потоку, та оптичну систему мікроскопа, потім його розділяють на два потоки. Перший потік для аналізу розподілу інтенсивності подають до матриці першої цифрової камери, а другий для аналізу розподілу спектрального складу пропускають крізь сенсор, що утворює інтерференційну картину, після чого направляють до матриці другої цифрової камери, за допомогою якої аналізують утворену інтерференційну картину. Робочий потік направляють на досліджувану біотканину, відбите або прохідне випромінювання від якої разом із розсіяним направляють крізь другу систему аналізаторів у вигляді матриці і потім розділяють на потоки аналогічно еталонному потоку. Проводять процедуру зйомки зображень, змінюючи орієнтацію площин пропускання в системах аналізаторів. Апарат спостереження структури та процесів у біотканині містить джерело поляризованого випромінювання широкого спектра, систему напівпрозорих дзеркал, оптичну систему мікроскопа, цифрові камери та персональний комп'ютер (ПК). Апарат містить сенсор, систему напівпрозорих дзеркал, кожне з яких зафіксовано на осі, та які з'єднано з приводами, які керуються від ПК, апарат містить системи аналізаторів у вигляді матриць, кожен з аналізаторів з'єднано з прецезійним приводом, системи керування кожного з яких з'єднано з ПК, який виконано з можливістю керувати поелементно орієнтацією площини пропускання аналізаторів. Винаходи забезпечують UA 104462 C2 (12) UA 104462 C2 спостереження зображень мікроструктур у біотканині одночасно із визначенням інформації про їх спектральні особливості. UA 104462 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Спосіб спостереження структури та процесів у біотканині та апарат, що його реалізує, належать до медицини, зокрема медичної діагностики, хірургії, дерматології та отоларингології, і стосується досліджень, що виконуються методами цифрової візуалізації макроструктур та процесів, цифрової візуалізації мікроструктур та процесів методами мікроскопії, томографії та спектроскопії, структури патологічних ділянок тіла людини та процесів, що спостерігаються в них, з метою діагностування, профілактики та лікування різних хвороб, що виникають унаслідок порушення мікро- і макроциркуляцій кровообігу та лімфообігу, розвитку новоутворень і відновлення функцій біотканини, або травматичних ушкоджень, що призводять до порушення мікро- і макроциркуляцій кровообігу та лімфообігу. Відомо, що дослідження структури та процесів на зовнішній поверхні біотканини здійснюється у відбитих променях методами фотографії, камерами спостереження, а мікроструктури досліджуються методами мікроскопії, томографії; при цьому для покращення роздільної здатності використовується поляризоване світло [Абакумов В.Г., Геранин В.О., Рибин А.И., Сватош Й., Синекоп Ю.С. Біологічні сигнали та їх обробка. - К.: ВЕК +, 1997. - 352 с, іл.; Абакумов В.Г., Аль-Кадими А.Д., Рибин А.И., Сватош Й. Микроскопические и флуоресцентные методы в медицине. - Киев: ВПП "Компас", 2000. - С. 61]. Відомі способи спостереження мікроструктур у відбитому або прохідному потоках електромагнітних хвиль оптичного діапазону, що реалізовано у приладах, конструкція яких захищена патентами [Патент РФ МПК G02B21/00 (2006.01) RU 2413263 С1, опубликовано 17/06/2009], мікроскоп відбитого світла [Патент РФ МПК G02B21/00 (2006.01) RU 2419114 C2, опубликовано 24/06/2009] та мікроскоп прохідного та відбитого світла. Такий підхід дозволяє спостерігати тільки зовнішні картини, а не хімічний склад структурних елементів, або їх морфологічні особливості та проводити ранню діагностику на підставі аналізу отриманих кількісних показників. Спосіб дослідження внутрішніх шарів біотканини, що забезпечується у прохідних променях за допомогою інфрачервоних або рентгенівських променів з наступним спектрометричним раман-люмінесцентним аналізом, який реалізовано в патенті [Патент РФ МПК G02B21/00 (2006.01) RU 108608 U1, опубликовано 20/09/2011], мікроскоп з компактним раманлюмінесцентним аналізатором дозволяє отримувати інформацію про наявність у даній точці тканини люмінофора за спектральним складом люмінесцентного випромінення. Однак недоліком також залишається неможливість досліджувати природну біотканину і неможливість виявити її хімічний склад і стан у точках, що не накопичили люмінофор. Крім вказаного, цей спосіб не дозволяє однозначно поставити у відповідність спектральну інформацію до кожної точки зображення. Головними задачами запропонованого способу та приладу, що його реалізує, є: - забезпечення спостереження зображень мікроструктур у біотканині разом із визначенням інформації про їх спектральні особливості; - забезпечення строгої відповідності елементів відеозображення із інформацією про їх спектральні особливості; - забезпечення можливості калібровки спектральної інформації для відомих зразків структур та процесів, достовірність яких підтверджена іншими дослідженнями, що дозволяє отримувати кількісні значення об'єктивних показників досліджуваної біотканини. Спосіб, що реалізує новий підхід і дозволяє вирішити поставлені задачі, забезпечується послідовністю наступних дій. Перш на все утворюють потік плоскополяризованих електромагнітних хвиль широкого спектрального складу, від інфрачервоного до ультрафіолетового, когерентність та широта спектрального складу яких може бути забезпечена за рахунок використання декількох низькоінтенсивних лазерних джерел, наприклад декількох напівпровідникових або багатомодових газових, або над'яскравих світлодіодів з поляризаційними плівками, за допомогою яких утворюється потік плоскополяризованого випромінення з високим ступенем поляризації та спеціальним чином орієнтованою площиною коливань, що співпадає з площиною пропускання системи аналізаторів. Далі цей потік розділяють на два потоки: еталонний та потік для досліджень - робочий. Еталонний потік пропускають крізь систему аналізаторів, розподілених у площині, перпендикулярній до його напряму. Для кожного з аналізаторів існує можливість регулювання напряму площини коливань - пропускання відносно потоку променів від паралельного до схрещеного, тобто кут між світловим вектором проміння та площиною пропускання аналізатора змінюється від 0 до 360 градусів. Після проходження аналізаторів промені потоку спрямовують до оптичної системи, яка виготовлена, наприклад, аналогічно як у оптичному мікроскопі, а після його проходження потік розділяють також на два. Один із них спрямовують до камери, за 1 UA 104462 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 допомогою якої отримують цифрову інформацію про розподіл його інтенсивності вздовж поверхні зображення. Інший пропускають крізь сенсор який утворює інтерференційну картину, яка є чутливою до змін спектрального складу вхідного світлового потоку. Далі вона (інтерференційна картина) попадає в другу камеру, за допомогою якої після обробки масиву зображення інтерферограм отримують інформацію, а за допомогою спеціальних алгоритмів розраховують спектральний склад та спектральний розподіл інтенсивності вздовж поверхні зображення, що досліджується. Потік для досліджень (робочий) спрямовують на досліджувану біотканину. Зображення, утворені відбитим та розсіяним випроміненням, що має значно меншу інтенсивність, відокремлюють від потоку з максимальною інтенсивністю (над'яскравого, що переводить матриці камер у режим насичення) попіксельним керуванням системи аналізаторів, розподілених по площині, перпендикулярній потоку, які можуть змінювати орієнтацію площини пропускання кожного з них з паралельного до схрещеного по відношенню до орієнтації площини поляризації променів потоку з максимальною інтенсивністю зображення відбитого або прохідного потоку. Аналогічно це проводиться одночасно і для еталонного потоку за допомогою попіксельного керування системи аналізаторів, розподілених по площині, перпендикулярній потоку, які можуть змінювати орієнтацію площини пропускання кожного з них з паралельного до схрещеного по відношенню до орієнтації площини коливань або площини пропускання, при якій світловий потік має максимальну інтенсивність. Далі робочий потік, що несе інформацію про досліджуваний об'єкт, направляють до оптичної системи, а після збільшення зображення його розділяють на два. Один із них спрямовують до камери, за допомогою якої отримують цифрову інформацію про розподіл його інтенсивності вздовж поверхні зображення. Інший пропускають крізь сенсор, який утворює інтерферографу, яка є чутливою до змін спектрального складу, а далі інтерферографа фіксується другою камерою, за допомогою якої отримують інформацію про спектральний склад та спектральний розподіл інтенсивності вздовж поверхні зображення після аналогічної обробки цифрової інформації за допомогою ПК. Сенсор може бути побудованим на основі відомих принципів або принципу інтерференції поляризованих променів, або інтерферометра із трикутною схемою розповсюдження променів. За допомогою системи поляризаторів, обертаючи площину поляризації аналізаторів від паралельного до схрещеного положення з відповідними площинами для еталонного та робочого (інформаційного) потоків до камер, подають почергово перетворенні у зображення інтерферограм еталонний та робочий потоки, за умов увімкнення та після вимкнення джерела світла знімають зображення світлових потоків, що утворюються завдяки зовнішньому впливу, який неможливо знищити. За описаною послідовністю дій проводять калібровку та вимірювання. Калібровка здійснюється шляхом виконання усіх описаних дій та реєстрації інформації про зображення та спектри для відомих зразків структур та процесів, достовірність яких підтверджено іншими дослідженнями. Для практичної реалізації калібровки та вимірювання регулюють інтенсивність еталонного потоку, повертаючи площину пропускання аналізатора на шляху еталонного потоку на проміжний кут до досягнення приблизно однакової інтенсивності, що дозволяє вимірювання вести при однаковій чутливості камер без переналаштування. Далі отримані інтерферограми та зображення обробляють з урахуванням даних попередньої калібровки сенсора та приладу в цілому для відомих зразків структур та процесів, що дозволяє отримувати кількісні значення об'єктивних показників досліджуваної біотканини. Спосіб можливо використовувати для дослідження біотканини методами томографії, якщо обертати прилад у цілому навколо біотканини, що досліджується і строго фіксованої осі. До складу приладу, що реалізує спосіб спостереження структури та процесів у біотканині (фіг. 1), належить джерело 1, яке випромінює потік електромагнітних хвиль, який умовно далі будемо зображати одним променем 2, що розділяється на напівпрозорому дзеркалі 3 та спрямовуються за рахунок повороту навколо осі 4: один із них відбитий 5 до напівпрозорого дзеркала 12, а інший прохідний 6 спрямовується на об'єкт 7, що досліджується, який знаходиться на поверхні 8 або у внутрішніх шарах біотканини 8, котру на малюнку показано умовно у вигляді шара 8, що заштриховано суто умовно. Відбитий промінь 9, а також відбитий промінь 5 проходять крізь поляризатори 10 та 11 відповідно, потрапляючи на напівпрозоре дзеркало 12, яке спрямовує їх до об'єктива оптичної системи мікроскопа 15, яку показано умовно, за рахунок повороту навколо осі 13. Напівпрозоре дзеркало 16, повертається навколо осі 17 та розділяє еталонний промінь та промінь, що несе інформацію про об'єкт дослідження на дві пари, промені 18, що попадають крізь об'єктив до матриці камери 21 та промені 19, які проходять крізь сенсор 20 та об'єктив до матриці камери 22. Цифрова інформація з камер 21 та 22 подається за допомогою каналів 23 та 24 до ПК 25, де реєструється в одному із зручних для 2 UA 104462 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 подальшої обробки вигляді. Джерело 1 є джерелом плоскополяризованих електромагнітних хвиль широкого спектрального складу, когерентність та широта спектрального складу яких може бути забезпечена за рахунок використання декількох низькоінтенсивних лазерних джерел, наприклад декількох напівпровідникових або багатомодових газових, або над'яскравих світлодіодів з поляризаційними плівками. Прилад може використовуватись у режимі дослідження відбитого випромінення, а також розсіяного (фіг. 2). В останньому випадку прилад модифікується так, що джерело 1 разом із дзеркалом 3 і поляризатором 11 розвертається таким чином, щоб було реалізовано опромінення об'єкта 7, що досліджується, на просвіт, а відбитий промінь 5 після проходження крізь поляризатор 11 за допомогою додаткового дзеркала (на фіг. 1 не вказано) попадав на дзеркало 12, проходив крізь нього та попадав до оптичної системи 15, за яку можливо використовувати оптичну систему мікроскопа або сам мікроскоп, який або не містить свого власного джерела світла або у якому для реалізації даної задачі воно просто не увімкнено. Далі по тексту її називаємо просто оптична система мікроскопа. При цьому прилад доповнюється додатковим поляризатором (на фіг. 1 не вказано), площина поляризації якого схрещена з площиною поляризації поляризатора 10. Така модифікація робить прилад придатним для досліджень методами томографії, характерною рисою якої є побудова просторового зображення шляхом додавання плоских зображень, отриманих обертанням навколо осі джерела та приймача випромінення. Кожен з корпусів напівпрозорих дзеркал 3, 12, 16 та корпуси систем аналізаторів 10 та 11 у цілому механічно з'єднані з віссю кожного прецизійного приводу, до складу яких входять крокові двигуни (на фіг. 1 не вказано), а система керування обмоток кожного з яких з'єднана з ПК 25, крім цього як системи аналізаторів 10 та 11 вибрано рідкокристалічні матриці з високою роздільною здатністю, електроди кожного пікселя яких з'єднано з ПК 25, який забезпечує керування ними та кожною системою аналізаторів 10 або 11 в цілому. Дзеркала 3, 12, 16, а також поляризатори 10 та 11 можуть обертатись навколо власних осей у ручному режимі або кроковими двигунами, що входять до складу прецизійного приводу і керуються від ПК 25 під час налаштування та роботи приладу (на фіг. 1 не вказано). Фізичний принцип, завдяки якому відбувається поляризація електромагнітних хвиль у поляризаторі 10, який за ходом променів відіграє роль аналізатора, є принципом поляризації на рідких кристалах. Корпус системи аналізаторів 10 у свою чергу обертається навколо осі, що паралельна променям 9. Аналогічно виготовлено аналізатор 11, тільки його корпус обертається навколо осі, що паралельна променям 5. Керування станом кожного пікселя, систем аналізаторів 10 та 11, тобто прозорістю та поляризаційною здатністю відповідно забезпечується ПК 25, а саме подачею потенціалу на прозорий електрод, що нанесено на прозорому тілі екрана (електричні зв'язки на фіг. 1 не вказано). Керування кутовим положенням площин пропускання аналізатора 11, що здійснюється для практичної реалізації калібровки та вимірювання, регулює інтенсивність еталонного потоку. Повертаючи площину пропускання аналізатора на шляху еталонного потоку, на проміжний кут встановлюється приблизно однакова інтенсивність, що дозволяє вимірювання вести при однаковій чутливості камер без переналаштовування. Оптична система 15 - це звичайна оптична система мікроскопа, яку використовують у оптичних мікроскопах, коефіцієнт підсилення якого вибирається залежно від задачі дослідження. Як сенсор 20 може використовуватись спектрометр, який утворює інтерферографу, яка є чутливою до змін спектрального складу. Він працює за одним із існуючих принципів роботи, наприклад Рамановської спектроскопії, або за поляризаційно-інтерференційним, або за принципом інтерферометра із трьома дзеркалами, на виході з якого утворюється інтерференційна картина. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 60 1. Спосіб спостереження структури та процесів у біотканині, який здійснюють шляхом реєстрації та аналізу методами мікроскопії картини, утвореної у прохідних або відбитих променях, який відрізняється тим, що утворюють потік плоскополяризованого світла широкого спектрального складу, який розділяють на два потоки - еталонний і робочий, еталонний потік пропускають крізь систему аналізаторів у вигляді матриці, розміщених в одній площині перпендикулярно потоку, та оптичну систему мікроскопа, потім його розділяють на два потоки: перший для аналізу розподілу інтенсивності подають до матриці першої цифрової камери, а другий для аналізу розподілу спектрального складу пропускають крізь сенсор, що утворює інтерференційну картину, яка є чутливою до змін спектрального складу вхідного потоку, після чого направляють до матриці другої цифрової камери, за допомогою якої аналізують утворену інтерференційну картину, робочий потік направляють на досліджувану біотканину, відбите або прохідне випромінювання від якої разом із розсіяним направляють крізь другу систему аналізаторів у 3 UA 104462 C2 5 10 15 20 25 30 35 вигляді матриці, розміщених в одній площині перпендикулярно потоку, до оптичної системи мікроскопа, завдяки чому до оптичної системи мікроскопа попадає потік світла, який несе інформацію про об'єкт, що досліджується, який потім розділяється на два потоки: один для аналізу розподілу інтенсивності подають до матриці першої цифрової камери, а другий для аналізу розподілу спектрального складу пропускають крізь вказаний сенсор, після чого направляють до матриці другої цифрової камери, за допомогою якої аналізують спектральний розподіл інтенсивності в утвореній інтерференційній картині, проводять процедуру зйомки зображень, для чого почергово подають до оптичної системи мікроскопа, сенсора та цифрових камер еталонний і робочий потоки, змінюючи орієнтацію площин пропускання в системах аналізаторів від паралельної до схрещеної відносно орієнтації площини пропускання, при якій світловий потік має максимальну інтенсивність, проводять процедуру зйомки зображень за умови вимкнення джерела світла, результати обробляють в персональному комп'ютері з урахуванням попередньої калібровки апарата для здійснення способу. 2. Апарат спостереження структури та процесів у біотканині, що містить джерело поляризованого випромінювання широкого спектра, систему напівпрозорих дзеркал, оптичну систему мікроскопа, цифрову камеру та персональний комп'ютер (ПК), який відрізняється тим, що містить систему напівпрозорих дзеркал, кожне з яких зафіксовано на осі та які з'єднано з приводами, які керуються від ПК, завдяки першому дзеркалу потік розділяється на еталонний та робочий, апарат містить першу систему аналізаторів у вигляді матриці, які розміщені в одній площині перпендикулярно потоку одразу за першим напівпрозорим дзеркалом за ходом променів еталонного потоку перед оптичною системою мікроскопа, та другу систему аналізаторів у вигляді матриці, які розміщені в одній площині перпендикулярно потоку одразу на шляху відбитого від біотканини або проходячого крізь біотканину променю робочого потоку перед оптичною системою мікроскопа, кожен з аналізаторів з'єднано з прецезійним приводом, системи керування кожного з яких з'єднано з ПК, який виконано з можливістю керувати поелементно орієнтацією площини пропускання аналізаторів, також апарат оснащено додатковим напівпрозорим дзеркалом, яке встановлено на шляху еталонного і робочого потоків після оптичної системи мікроскопа за ходом променів на осі та з'єднано з приводом обертання, який керується від ПК, завдяки положенню цього дзеркала кожен світловий потік розділяється на два потоки: на шляху одного з них встановлено першу цифрову камеру, а на шляху другого встановлено сенсор, що утворює інтерференційну картину, яка є чутливою до змін спектрального складу вхідного потоку та другу цифрову камеру, обидві цифрові камери з'єднано з ПК для подальшого аналізу отриманих даних. 3. Апарат за п. 2, який відрізняється тим, що кожен з корпусів напівпрозорих дзеркал та корпуси систем аналізаторів у цілому механічно з'єднані з віссю кожного прецизійного приводу, до складу яких входять крокові двигуни, а система керування обмоток кожного з яких з'єднана з ПК, крім цього як системи аналізаторів вибрано рідкокристалічні матриці з високою роздільною здатністю, електроди кожного пікселя яких з'єднано з ПК, який забезпечує керування ними та кожною системою аналізаторів в цілому. 4 UA 104462 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5