Projekta „Inovatīvas ādas attēlošanas tehnoloģijas”

(#2014/0041/2DP/2.1.1.1.0/14/APIAA/VIAA/015)

2.posma

ZINĀTNISKĀ ATSKAITE

Projekta 2.posmā (01.12.2014.-31.03.2015.) tika turpināti uzsāktie pētījumi, pilnveidojot

maketierīču konstruktīvos risinājumus un programmatūru, kā arī veicot priekšdarbus ierīču

klīniskajām pārbaudēm. Projekta plānojumu diemžēl nācās mainīt, jo LU centralizētais detaļu un

materiālu iepirkums ERAF-3 projektiem ir pamatīgi aizkavējies – lai arī specifikācijas iesniedzām

jau septembra vidū, iepirkuma konkurss noslēdzās tikai janvāra vidū, esam apstiprinājuši saņemto

piedāvājumu, bet joprojām nav VIAA saskaņojuma iepirkuma uzsākšanai. Ceram iekavēto atgūt

projekta 3.posmā, strādājot intensīvākā režīmā pēc nepieciešamo detaļu un materiālu saņemšanas.

Šeit īsumā aplūkosim būtiskākos 2.posma sasniegtos rezultātus pa aktivitātēm.

A1. Specifiskā apgaismojuma ierīču prototipu izgatavošana un laboratorijas pārbaude.

Pagaidām eksperimentāli izveidoti tikai daži prototipu fragmenti, izmantojot laboratorijā

pieejamo paštaisīto 3D-printeri un „aizņemoties” (t.i. izlodējot) no agrākos projektos izgatavotām

maketierīcēm atsevišķas detaļas. Tas devis iespējas veikt dažas funkcionālas pārbaudes, tomēr

neviena no iecerētajām 3 maketierīcēm vēl nav līdz galam pabeigta detaļu/materiālu trūkuma dēļ.

Veicot padziļinātu konstruktīvo risinājumu analīzi (t.sk. balstoties uz tehniskās un patentu

literatūras datiem), tika nolemts visas trīs specifisko apgaismotāju maketierīces veidot konstruktīvi

līdzīgas, sastāvošas no 2 pamatblokiem – 1) plakanparalēlas pamatnes telefonam/planšetdatoram ar

„actiņu” pret kameras lodziņu un nodalījumu barošanas/vadības blokam, un 2) cilindriskas formas

optisko mezglu, kas savienots ar šo pamatni. Šis konstruktīvais risinājums ir ilustrēts 1.attēlā. Visu

triju prototipu „plakanās” daļas ir praktiski vienādas (ar lipīgu virsmu viedtālruņa vai planšetdatora

fiksēšanai), bet apgaismošanas sistēmas cilindriskajā blokā katrai maketierīcei ir atšķirīgas.

1.att. Apgaismotāju prototipu vispārējs konstruktīvais risinājums

2.attēlā sniegti izstrādātie atsevišķo detaļu precīzie rasējumi 1.maketierīcei, kas paredzēta

secīgu ādas spektrālo attēlu iegūšanai, mainot triju krāsu LED apgaismojumu. Savukārt 3. attēlā

ilustrēti konstruktīvie risinājumi otram prototipam, ar kuru tiks uzņemti un analizēti ādas

fluorescentie attēli. Pirmajam prototipam nepieciešami krustoti polarizarori starotājiem un kamerai,

kā arī izkliedētājs aiz LEDiem, savukārt otrajam prototipam šie elementi nav vajadzīgi, toties

nepieciešams pakāpjlveida caurlaidības filtrs kameras priekšā ierosmes starojuma fona novēršanai.

2.att. Pirmā (RGB-LED) prototipa detalizējums.

3.att. Otrā (fluorescences) prototipa detalizējums.

Trešais prototips ietvers 3 lāzermoduļu pārus un konstruktīvā ziņā būs nedaudz sarežģītāks,

ar lielāku cilidriskās daļas ārējo diametru (4.att.). Faktiskais apgaismojuma avots būs izkliedējoša

materiāla gredzens ap kameras „actiņu”, uz kuru tiks virzīti lāzeru stari, nodrošinot tā spīdēšanu

vienlaikus pie trim noteiktajiem viļņu garumiem. Abi tā paša viļņu garuma lāzermoduļi tiks

novietoti asij pretējās pusēs, tā nodrošinot vienmērīgāku ādas apgaismojumu.

4.att. Trešā (lāzermoduļu) prototipa detalizējums.

Prototipu elektroniskā daļa ietvers akumulatoru baterijas, avotu darbības vadības plati,

blootooth moduli saitei ar ārēju datoru un ieslēgšanas/izslēgšanas pogu, kā arī USB ligzdu bateriju

uzlādei un pieslēgšanai datoram. Elektronikas shēmas sniegtas turpmākajos attēlos.

5.att. Prototipu darbības blokshēma.

6.att. Galvenās kontroles plates elementi.

Galvenās kontroles plates elementu skaidrojums

1. USB pieslēgums baterijas lādēšanai un iekārtas komunikācijai ar datoru (testēšanai)

2. Programmēšanas pieslēgums

3. Bluetooth modulis, bezvadu komunikācijai ar mobilo telefonu, lai būtu iespējams

sinhronizēt gaismas diožu sekvenci ar attēlu uzņemšanu.

4. Skaļrunītis, audio paziņojumiem

5. Baterijas lādēšanas modulis

6. Spiedpogas, iekārtas ieslēgšanai un mērījuma uzsākšanai

7. Kontrolieris

8. Indikācijas spīddiodes

9. Batošanas avots

10. Testa kontakti

11. Ligzda, savienojumam ar gaismas (RGB, UV vai lāzeru) gredzenu

12. Barošanas avots lāzeriem

13. Baterijas mērīšanas shēma

14. Barošanas slēdzis

Apakšktivitātē A1.1. līdzās 2.attēlā ilustrētajai 1.prototipa konstrukcijai tiek apsvērts

alternatīvs risinājums, balstoties uz patentā US 2015005644 piedāvāto apgaismojuma versiju. Šis

variants tiks eksperimentāli aprobēts, tiklīdz saņemsim pasūtītās detaļas un materiālus. Alternatīvs

risinājums tiek gatavots arī 3.prototipam, lāzermoduļu vietā kā gaismas avotu izmantojot

augstfrekvences bezelektrodu izlādes spektrālo lampu. Projekta 2.posmā LU Atomfizikas un

spektroskopijas institūtā izgatavoti 10 augstfrekvences bezelektrodu gaismas avoti ar pildījumu

Cd+Hg+Ar; bufergāzes spiediens ~3 Torr (7.att.).

a)

b)

7.att. Hg-Cd bezelektrodu lampu sagatave pie vakuumsistēmas (a) un gatavās lampas (b).

4 lampām (L6-L9) veikti spektroskopiskie mērījumi iepriekš izvēlēto līniju spektrālajos

rajonos: (Hg) 435.8 nm, (Cd) 467.8 nm, (Hg) 546.0 nm un (Cd) 643.8nm. Hg un Cd spektāllīniju

intensitāšu salāgošanu iespējams panākt, regulējot ģeneratora spriegumu (8.att.).

a b

8.att. a - Hg-Cd lampas emisijas spektrs, b - Cd līniju intensitāte atkarībā no ģeneratora sprieguma.

Apakšaktivitātē A1.2 veikti pirmie laboratorijas mērījumi ar pilnībā nepabeigtu

apgaismotāja prototipu (3.att.). Apgaismotājs – violeta starojuma (400 – 450 nm) stabilizētu LED

plafons. RGB kamera uzņem ādas fluorescences videoattēlu, no kura tālākas apstrādes procesā tiek

konstruēts fluorescences fotoizbalēšanas ātrumu sadalījuma attēls, kas raksturo ādas fluoroforu

grupu sadalījumu, kā arī iezīmēta porfirīnu fluorescence UV-A ierosmē ādas audzēju diagnostikai.

Procedūras ilgums < 20 sek.

9.att. Otrais prototips ar ieslēgtām violetām LED. Uz telefona ekrāna ir redzama virsmas

fluorescence, kurai piemīt izteikti zaļa krāsa. LED emisija tiek nodrošināta, izmantojot ārēju

barošanas avotu.

10.att. Plaukstas ādas autofluorescences attēls (pa kreisi) mērījuma sākuma brīdī un fotoizbalēšanas

ātrumu sadalījuma attēls (pa labi) pēc 20 sekundēm nepārtrauktā violeto LED ierosmē.

11.att. Apakšdelnas ādas autofluorescences attēls (pa kreisi) mērījuma sākuma brīdī un

fotoizbalēšanas ātrumu sadalījuma attēls (pa labi) pēc 20 sekundēm.

Apakšaktivitātē A1.3 turpināti pētījumi ar eksperimentālo 3 lāzeru apstarotāju (sk. 1.posma

atskaitē). No trihromātiskā lāzeru apgaismojumā uzņemtiem ādas (ar pigmentētām un vaskulārām

patoloģijām) attēliem tika izdalītas hromoforu oksihemoglobīna, deoksihemoglobīna un melanīna

kartes. Lai izvairītos no tieši atstarotās gaismas, starotāja gredzena un kameras priekšā tika novietoti

savstarpēji krustoti polarizatori. Ar spektrometra palīdzību tika noteikti precīzi viļņu garumi

eksperimentos izmantotajiem lāzeriem, kā arī saskaņota to intensitāte. Hromoforu karšu aprēķiniem

piedāvāta pilnveidota vienādojumu sistēma, kurā ņemta vērā ādas anatomija un sagaidāmais

absorbcijas ceļa garums epidermā un dermā:

{

(

) ) ) ))

(

) ) ) )) )

(

)

)

) )) )

(1).

Sistēmas (1) atrisinājums katram attēla pikselim ir sekojošs:

(

) (

) (

)

(

) (

) (

) (2).

(

) (

) (

)

, , – hromoforu koncentrācijas, – ekstinkcijas koeficients, a – oksihemoglobīns, b – deoksihemoglobīns, c – melanīns, – uztvertā intensitāte pie , – references signālu vērtības

apgaismojumam pie , kas iegūtas no veselas ādas (arī attiecīgi 2 pārējiem viļņu garumiem), – vidējais iespiešanās dziļums pie un attiecīgi pie 2 pārējiem viļņu garumiem ( , , ).

Ieviests būtisks uzlabojums - melanīna un hemoglobīna koncentrācijas pieaugums vai

samazinājums ādas pataloģijā tika rēķināts attiecībā pret apkārtējo veselo ādu, nevis baltu referenci

(kas ir populārākā metode). Tādēļ tika eksperimentāli noteikti RGB crosstalk korekcijas koeficienti

konkrētam ādas tipam: SR12=2.8056, SR13=0.0230, SR23=0.0761, SG12=0.2329, SG13=1.1008,

SG23=2.9720, SB12=3.8096, SB13=3.2369, SB23=1.3641. Kalibrācijai arī uzņemts attēls asins

paraugam uz balta papīra un izdalītas attiecīgi oksihemoglobīna un deoksihemoglobīna kartes.

Minētie pilnveidojumi ļāva novērst agrāk novērotās nepilnības attēlu apstrādes algoritmos un iegūt

fizioloģiski adekvātus kartējuma rezultātus.

Zemāk rezultātu ilustrācijai sniegtas dažas izmērītās hromoforu kartes ādas pigmentētu un

asinsvadu patoloģiju gadījumos, kā arī asinīm uz papīra.

a) Asinsvadu pataloģija un pigmentēta pataloģija

Oriģinālais attēls Oksihemoglobīns

Deoksihemoglobīns Melanīns

b) Pigmentēta pataloģija

Oriģinālais attēls Oksihemoglobīns

Deoksihemoglobīns Melanīns

c) Asins traips uz balta papīra

Oriģinālais attēls Oksihemoglobīns Deoksihemoglobīns

12.att. Hromoforu karšu piemēri.

A2. Attēlu apstrādes programmatūras izstrāde un testēšana

Pilnveidots Mobilās lietotnes lietošanas modelis un paredzētās lietotāju lomas, kas lielos

vilcienos nosaka prasības lietotnes saskarnei un funkcionalitātei. Mobilajai lietotnei ir paredzētas

divas lietotājus grupas:

- pētnieki, kas veic iekārtas/lietotnes kalibrāciju labaratorijas apstākļos un saglabā katram

kartējumam nepieciešamo konfigurāciju telefonā, lai to nevajadzētu ievadīt par jaunu.

Pētnieku uzdevums ir atrast konfigurāciju, kas nodrošina optimālu rezultātu, kā arī sadarbībā

ar programmētāju pēc iespējas vienkāršot mērījumu protokolu un veicamās darbības

viedtālrunī.

- ārsti klīnikā, kas veic mērījumus, izmantojot iepriekš telefonā saglabāto konfigurāciju,

nepieciešamības gadījumā lejupielādējot konfigurāciju no institūta servera.

Tā kā katram kartējumam paredzētie kalibrācijas lielumi un attēlu iegūšanas apstākļi var

atšķirties, lietotne ir uzlabota, lai saglabātu konfigurācijas informāciju atsevišķā XML failā, kas var

tikt labots gan izmantojot lietotnes iespējas, gan arī izmantojot jebkuru teksta rediģēšanas lietotni.

Konfigurācijas fails var tik kopēts no viena telefona uz citu un nesatur konkrētajai iekārtai

piesaistītus uzstādījumus.

a b c d

13.att. Viedtālruņa ekrāns dažādos darba režīmos: a – kalibrēšana (interešu apgabala uzstādīšana un

kalibrācijas lielumu nolasīšana), b – attēlojuma režīms ar aprēķinātu kartējumu, c – mērījumu

profila labošana, d – konkrētam telefona eksemplāram piesaistīto uzstādījumu ekrāns.

Mobilā lietotne Android telefoniem tika papildināta ar telefonā iebūvētās fotokameras

vadību, ko nodrošina jaunās, Android 5 versijas fotokameras API – sensora jutīguma

uzstādīšana (ISO vērtības), ekspozīcijas laika, kā arī manuālā fokusa uzstādīšana iespēja.

Fokusa attālums manuāli var tikt uzstādīts vienreiz pēc viedtālruņa pievienošanas

apgaismojuma avotam un izslēdzot lietotni, tā vērtība tiek saglabāta telefona uzstādījumos.

Tika pievienotas iespējas attēlot bilirubīna kartējumus, ko iegūst izmantojot algoritmus, ko

izmanto arī ASI izstrādātajā SkinImager iekārtā.

Uzlabots kartējumu vizuālais izskats – melnbalta krāsojuma vietās tiek izmantots krāsu

pāreja no zilas uz sarkanu krāsu.

Kalibrācijas informācijas ievadei izveidots atsevišķs ekrāns. Kalibrācija jāveic pēc tam, kad

konkrēts viedtālruņa eksemplārs pievienots apgaismojuma avotam. Kalibrācija ietver

interesējošā apgabala iezīmēšanu, kas redzams fotokamerā, kā arī četru references krāsu

mērķu fotografēšanu normalizācijas vērtību iegūšanai, ko vēlāk izmanto kartējuma

iegūšanai.

Uzstādījumi, kas ir piesaistīti konkrētajam telefonam un nevar tikt pārnesti uz citiem

aprātiem, tiek glabāti, izmantojot Android preferences un ir iznesti atsevišķā ekrānā. Šie

uzstādījumi ļauj izslēdzot un ieslēdzot lietotni turpināt darbu ar tiem pašiem uzstādījumiem

un kartējumu, kas tika izmantots pēdējo reizi lietojot lietotni. Savukārt uzstādījumi, kas var

tikt pārnesti uz citiem telefona aparātiem (fotokameras jutīgums, ekspozīcijas laiks un

kalibrācijas lielumu nolasījumi) tiek saglabāti XML formātā, ko var labot arī manuāli ar

jebkuru teksta rediģēšanas programmu.

14.att. Algoritma shēma klīniskiem mērījumiem.

15.att. Algoritma shēma laboratorijas mērījumiem.

A3. Ierīču prototipu un programmatūras klīniskā aprobācija

Ir veikti priekšdarbi prototipu un programmatūras klīniskai aprobācijai. Projektā iesaistītie

mediķi sagatavojuši un iesnieguši pieteikumu LU Ētikas komisijai un ir saņēmuši pozitīvu

atzinumu; apstiprinātā pieteikuma kopija atrodama 1.pielikumā. Ārsti arī veikuši laikietilpīgu

pacientu atlasi un grupēšanu atbilstoši ādas patoloģiju veidiem, kā arī teorētiski apguvuši prototipa

ierīču uzbūvi, funkcionālās iespējas un lietošanas pamācības. Klīniskā aprobācija varēs sākties,

tiklīdz būs izgatavotas un laboratorijā notestētas plānotās prototipa ierīces.

A5. Intelektuālā īpašuma aizsardzība un publicitāte

Pārskata periodā ir uzturēta projekta mājas lapa http://www.lu.lv/par/projekti/es/2007-

2013/eraf/2111/vadosais/adasdiagnostika/, kā arī sagatavota un publicēta preses relīze

(http://www.lu.lv/zinas/t/30971/). Saņemts visumā pozitīvs ekspertīzes slēdziens par iesniegto PCT

patenta pieteikumu „Method for imaging of spectral reflectance at several wavelengths”, turpinās

sarakste par atsevišķām pieteikuma detaļām. Publikācija „3x3 technology for snapshot mapping of

skin chromophores” pieņemta publicēšanai http://www.opticsinfobase.org/ ar referenci SCOPUS

datubāzē. Manuskripts rakstam par A1.3 tēmu „Snapshot RGB mapping of skin melanin and

hemoglobin” iesniegts publicēšanai starptautiski citējamā zinātniskā žurnālā „Journal of

Biomedical Optics” ar augstu impaktfaktoru (2,8). Par to saņemti 2 recenzentu slēdzieni – var tikt

publicēts pēc ieteikto labojumu saņemšanas; tie pašlaik tiek gatavoti. Sagatavošanas fāzē ir vēl divi

raksti un viens patenta pieteikums.

Projekta zinātniskais vadītājs: Jānis Spīgulis

Rīgā, 2015.gada 7.aprīlī.