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.