光谱线反射和荧光成像设备,可用于医学上的皮肤诊断

   电子分析员        

多光谱线成像概念最近被用于对三个主要皮肤生色团(黑色素,氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白)进行快照映射,并进一步探索了其在450波长下对四个光谱线图像的快照捕获,并连续获取405 nm激发荧光图像。研究人员设计并组装了相应的激光原型装置。对上述五幅图像的处理可以获得畸形中的四个皮肤色团的分布图,并将它们的平均荧光强度与周围健康皮肤的荧光强度进行比较。这组信息对皮肤科医生、美容师、肿瘤学家和其他医疗保健专业人员很有帮助,可以量化皮肤畸形(包括癌症)的诊断,并跟踪治疗后的恢复过程。


相关论文以题为“Spectral Line Reflectance and Fluorescence Imaging Device for Skin Diagnostics”于北京时间2020年10月24号发表在《Applied Sciences》上。


光谱线反射和荧光成像设备,可用于医学上的皮肤诊断


人类皮肤畸形表现出吸收色团的异常分布(如表皮黑色素、真皮血红蛋白);这种临床特征是烧伤、瘀伤和包括肿瘤在内的许多血管性和有色皮肤病变的典型表现。皮肤发色团分布地图可以提供有用的定性和定量的信息,病理学的严重程度及其发展,以及治疗后皮肤恢复过程的效率。简单和快速的皮肤色团映射有助于决策和进一步的策略发展在皮肤学,美容学,肿瘤学,外科和法医。目前,市面上可提供皮肤发色细胞分布图的设备耗时、设备昂贵、使用不便,这限制了个性化医疗和现场条件下的应用。


荧光成像提供额外的临床信息的皮肤畸形在一个病人友好的非接触的方式。例如,皮肤自发荧光图像(即不含任何添加剂的天然荧光图像)有助于皮肤癌评估;慢速视频模式下的自动荧光成像显示了复杂皮肤畸形不同病理的片段。联合多光谱自发荧光成像显示了早期筛查恶性黑色素瘤的潜力。


原型设备的设计


该设备的框图如图1所示,其设计方案如图2所示。两个激光模块-一个RGB光纤耦合模块(Elite Optoelectronics,CN)同时发射三条光谱线(450、523和638 nm,每个功率约20 mW)和一个发射850 nm(RLDH850-40-3,Roithner,AT,带有800 nm长通滤光片),用于通过可见的近红外偏振片(#33084 ,英国Edmund Optics,英国)对皮肤进行4波长照明。侧面发射的400微米石英芯光纤(光导光学有限公司,LV)的螺旋形扁平环用作照明源。光纤的两端都是SMA端接的;其中一个用于RGB激光输入,另一个用于850 nm激光输入。结果,被检查的皮肤区域被上述四个激光光谱线均匀地照射。四个405 nm,40 mW激光二极管(DL-5146-101S,Roithner,AT)方形放置在光纤螺旋内部,以激发皮肤自发荧光。皮肤目标区域是圆形的,直径为10、20或30毫米,具体取决于所使用的可变圆锥形喷嘴,该喷嘴由黑色涂膜(Spectral Black,Actar,IL)内部覆盖。该设备使用四个可充电锂离子电池(INR18650-35E,Samsung,KR)完全自我维持供电。


光谱线反射和荧光成像设备,可用于医学上的皮肤诊断


图1. 该设备的框图。


光谱线反射和荧光成像设备,可用于医学上的皮肤诊断


图2. 原型设备的设计方案。


记录的RAW图像(2048×2048像素)存储在计算机硬盘上。为了获得正确的多光谱反射率图像,首先要对RAW数据进行预处理。使用SpectralDevices去拜耳算法和四个检测波段的可用光谱灵敏度曲线将RAW图像转换为RGB-IR光谱线图像(512×512像素)(图3)。


光谱线反射和荧光成像设备,可用于医学上的皮肤诊断


图3. 所用四波段图像传感器的光谱灵敏度(制造商的数据);虚线代表工作波长。


用户界面(图4.设计用于实时显示皮肤目标和已记录/存储的皮肤图像。该设备可以通过触摸屏显示器进行管理。该软件允许手动调整设备参数,例如光源的强度,相机增益和曝光。在每次测量之前,将存储特定的患者数据和所检查皮肤畸形的标识。在两秒钟内捕获了两个图像集(四个光谱线图像和自发荧光图像)。所有记录的图像都将传输到监视器屏幕。测量数据也可以传输到远程服务器计算机以进行更详细的分析。


光谱线反射和荧光成像设备,可用于医学上的皮肤诊断


图4. 用户界面。


原型设备的外观如图5所示。


光谱线反射和荧光成像设备,可用于医学上的皮肤诊断


图5.运行中的原型设备。


设备测试结果


装置的临床验证才刚刚开始,到目前为止仅进行了两项试验。图6中显示了一些捕获/提取的光谱线图像/自发荧光图像集的示例。取决于波长,光谱线图像中的对比度会因皮肤中不同的穿透深度而变化。在真皮痣(上排)的情况下-位于表皮-真皮交界处的色素病变-明显观察到黑色素含量增加,而其他三种生色团的浓度略有变化。血管瘤(中排)是一种血管畸形,其中氧合血红蛋白含量增加,而脱氧血红蛋白含量降低(相对于周围的健康皮肤)。脂溢性角化病(下排)是一种色素沉着的病变,经常被误诊为恶性基底肉瘤或黑色素瘤。


光谱线反射和荧光成像设备,可用于医学上的皮肤诊断


图6. 原型设备拍摄的三种皮肤畸形的光谱线和自发荧光图像,并带有相应计算的生色团分布图。浓度增加/减少的单位是前三个生色团的摩尔数和脂类的摩尔数。


结论


该设备的设计紧凑,符合人体工程学,适合常规临床应用。然而,在不久的将来,仍存在一些有待解决的技术问题。相机读取软件必须更新,以分析所有像素信息,目前,使用的制造商的软件只提供全部图像数据的一部分。安装在相机前的长通滤波器似乎会对未来需要去除的谱线图像产生一些干扰。看来该设备的冷却系统必须更新,因为在操作过程中,照相机和处理单元的加热程度都比最初预期的要高。锥形喷嘴的尖端要加上柔软的环,以增加病人的舒适度,并避免因压力造成的皮肤变形。此外,在Fitzpatrick分类下,光照强度对不同皮肤照片类型的适应似乎是一个未来的问题,以及用于绘制四种不同发色团在异常区域浓度分布的软件的进一步改进。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/21/7472/htm



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