RU2144780C1

RU2144780C1 - Luminescent picture analyzer

Info

Publication number: RU2144780C1
Application number: RU97113019/14A
Authority: RU
Inventors: А.Д. Мирзабеков; В.Е. Барский; Ю.П. Лысов; Э.Я. Крейндлин; И.Я. Барский; А.П. Грамматин; В.Х. Ягмуров; В.И. Васильева; В.Д. Черных
Original assignee: Институт молекулярной биологии им.В.А.Энгельгардта РАН
Priority date: 1997-07-29
Filing date: 1997-07-29
Publication date: 2000-01-27

Abstract

FIELD: optical instrument engineering. SUBSTANCE: analyzer may be used in development of instruments for diagnostics of some genetic diseases. Luminescent picture analyzer has illuminator, luminescent radiation receiver, and fiber-optical bundle with transmit-receive face surface and clusters of light guides of illuminating and receiving channels. Fiber-optical bundle is made as cable consisting of individual diagnostic probes, each contains clusters of light guides of illuminating and receiving channels. Face areas of individual diagnostic probes are separated spatially and brought together to common transmit-receive surface similar to output face of receiving channel. Input faces of light guides of illuminating channels of all diagnostic probes are connected to common illuminator optically, and output faces of light guides of receiving channels of every diagnostic probe are coupled optically to multi-element radiation receiver independently from each other. Provision is made for independent recording of radiation from every examined section of specimen separately. EFFECT: higher accuracy. 4 cl, 3 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано при разработке приборов для диагностики некоторых генетических заболеваний, а также для фундаментальных исследований, а именно для изучения фрагментов ДНК методом гибридизации. The invention relates to optical instrumentation and can be used in the development of devices for the diagnosis of certain genetic diseases, as well as for basic research, namely, to study DNA fragments by hybridization.

Известен люминесцентный микровидеоанализатор фрагментов ДНК, содержащий осветитель, светоделитель, объектив и регистрирующую аппаратуру (Оптический журнал, 1993, N 12, с.21). С помощью этого прибора исследуются участки объекта, расположенные близко друг к другу. Такое расположение ухудшает соотношение сигнал/фон за счет взаимной засветки разных участков, что, естественно, ведет к снижению точности измерений. Кроме того, при близком расположении диапазонов длин волн излучений осветителя и люминофора светоделитель вносит существенные потери энергии. Known luminescent microvideo analyzer of DNA fragments containing a illuminator, a beam splitter, a lens and recording equipment (Optical Journal, 1993, N 12, p.21). Using this device, sections of an object located close to each other are examined. This arrangement degrades the signal / background ratio due to the mutual illumination of different sections, which, of course, leads to a decrease in the measurement accuracy. In addition, when the wavelength ranges of the illuminator and phosphor are close to each other, the beam splitter introduces significant energy losses.

Известны приборы для исследования собственной люминесценции тканей во время эндоскопического осмотра или во время операции (Лисовский В.А., Щедрунов В.В., Барский И.Я. и др. Люминесцентный анализ в гастроэнтерологии. - Л. , 1984). Known instruments for studying their own luminescence of tissues during endoscopic examination or during surgery (Lisovsky V.A., Schedrunov V.V., Barsky I.Ya. et al. Luminescent analysis in gastroenterology. - L., 1984).

Известен целый ряд медицинских эндоскопов, содержащих волоконно-оптический жгут из разделенных друг от друга осветительного и наблюдательного каналов, осветитель, объектив и окуляр (см. , например, авт.св. СССР N 1616597, БИ N 48, 1990). A number of medical endoscopes are known, containing a fiber optic bundle from the illuminating and observation channels separated from each other, an illuminator, a lens, and an eyepiece (see, for example, auth. St. USSR N 1616597, BI N 48, 1990).

Известно оптическое устройство, выполненное из световодов в виде кабеля, сгруппированного в три пучка, каждый из которых оптически сопряжен с фотоприемником (заявка PCT N 80/01720). A known optical device made of optical fibers in the form of a cable grouped in three beams, each of which is optically coupled to a photodetector (PCT application N 80/01720).

Известен датчик, у которого входные торцы волоконных световодов соединены в общую поверхность, оптически сопряженную с осветителем, а выходные торцы каждого световода размещены на расстоянии друг от друга в плоскости панно (патент Франции N 2627867, 1989). A known sensor in which the input ends of the optical fibers are connected to a common surface optically coupled to the illuminator, and the output ends of each fiber are placed at a distance from each other in the plane of the panel (French patent N 2627867, 1989).

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является диагностический щуп, содержащий осветитель, оптически сопряженный со входным торцом осветительного волоконно-оптического жгута, и приемник люминесцентного излучения от освещенного участка ткани живого организма, оптически сопряженный с выходным торцом второго волоконно-оптического жгута (ж. Медицинская техника. - М.: Медицина, 1988, с. 45, рис. 2). Closest to the claimed technical solution is a diagnostic probe containing a illuminator optically coupled to the input end of the illuminating fiber optic bundle, and a luminescent radiation receiver from the illuminated tissue portion of a living organism, optically coupled to the output end of the second fiber optic bundle (g. Medical equipment . - M .: Medicine, 1988, p. 45, Fig. 2).

Недостатком этого диагностического шупа является то, что с его помощью можно измерить только интегральную интенсивность люминесцентного излучения от одной площадки ткани без выделения результатов измерения интенсивности от ее отдельных участков, т.к. торцы передающих световодов осветительного волоконно-оптического жгута расположены близко друг к другу, что приводит к взаимной засветке и, в свою очередь, ведет к снижению точности измерений. Другим недостатком данного щупа является то, что он позволяет анализировать только один участок объекта и не позволяет вести параллельный анализ нескольких участков объекта, пространственно разделенных друг от друга. The disadvantage of this diagnostic probe is that it can only be used to measure the integrated intensity of luminescent radiation from one area of the tissue without isolating the results of the intensity measurement from its individual sections, because the ends of the transmitting fibers of the lighting fiber optic bundle are located close to each other, which leads to mutual illumination and, in turn, reduces the accuracy of the measurements. Another disadvantage of this probe is that it allows you to analyze only one section of the object and does not allow parallel analysis of several sections of the object, spatially separated from each other.

В основу предлагаемого изобретения положена задача создания такого устройства, которое позволило бы повысить точность регистрации люминесцентого излучения независимо каждого участка исследуемого объекта, пространственно отделенного от других анализируемых участков. The basis of the present invention is the task of creating such a device that would improve the accuracy of registration of luminescent radiation independently of each section of the investigated object, spatially separated from other analyzed sections.

Поставленная задача решена созданием люминесцентного анализатора изображений, содержащего осветитель, приемник люминесцентного излучения и волоконно-оптический жгут с приемопередающей торцевой поверхностью и пучками световодов осветительного и приемного каналов, при этом волоконно- оптический жгут выполнен в виде кабеля из индивидуальных диагностических щупов, каждый из которых содержит пучки световодов осветительного и приемного каналов, причем площадки торцов индивидуальных диагностических щупов пространственно разнесены и сведены в общую приемопередающую поверхность, по конфигурации подобную выходному торцу приемного канала, при этом входные торцы световодов осветительных каналов всех диагностических щупов оптически сопряжены с общим осветителем, а выходные торцы световодов приемных каналов каждого диагностического щупа независимо друг от друга оптически сопряжены с многоэлементным приемником излучения с возможностью независимой регистрации люминесценции каждого изучаемого участка образца. The problem is solved by creating a luminescent image analyzer containing a illuminator, a luminescent radiation receiver and a fiber optic bundle with a transceiving end surface and bundles of optical fibers of the lighting and receiving channels, while the fiber-optic bundle is made in the form of a cable from individual diagnostic probes, each of which contains bundles of optical fibers of the lighting and receiving channels, and the ends of the individual diagnostic probes are spatially spaced from are inserted into a common transceiving surface, similar in configuration to the output end of the receiving channel, while the input ends of the optical fibers of the lighting channels of all diagnostic probes are optically coupled to a common illuminator, and the output ends of the optical fibers of the receiving channels of each diagnostic probe are optically independent of each other with a multi-element radiation receiver with the possibility of independent registration of luminescence of each studied portion of the sample.

Целесообразно, чтобы входные торцы осветительных каналов были размещены компактно и образовали общую поверхность, что позволяет уменьшить габариты, повысить компактность осветительного узла и повысить коэффициент использования энергии источника света. It is advisable that the input ends of the lighting channels be placed compactly and form a common surface, which can reduce the size, increase the compactness of the lighting unit and increase the utilization of the energy of the light source.

Необходимо, чтобы выходной торец каждого канала диагностического щупа по конфигурации был подобен соответствующему торцу в приемопередающей площадке того же щупа. Эти торцы могут быть выполнены в виде круга, квадрата, треугольника и в виде смеси фигур разной формы. It is necessary that the output end of each channel of the diagnostic probe is similar in configuration to the corresponding end in the transceiver platform of the same probe. These ends can be made in the form of a circle, square, triangle and as a mixture of shapes of different shapes.

Для обеспечения стабильности геометрических размеров торцевых поверхностей пространства между объединенными торцами площадок приемопередающей поверхности и между торцами площадок приемных каналов щупов заполнены твердым наполнителем. To ensure the stability of the geometric dimensions of the end surfaces of the spaces between the joined ends of the platforms of the transceiver surface and between the ends of the sites of the receiving channels of the probes are filled with a solid filler.

Предлагаемый люминесцентный анализатор изображений может быть использован как надежный диагностический прибор для одновременной и независимой регистрации изображений и интенсивностей люминесценции разных участков объекта, пространственно отделенных от других анализируемых участков, с целью специфической диагностики заболеваний, а также для проведения фундаментальных исследований в молекулярной биологии, например для секвенирования молекул ДНК. The proposed luminescent image analyzer can be used as a reliable diagnostic device for simultaneous and independent registration of images and luminescence intensities of different parts of an object spatially separated from other analyzed areas, for the specific diagnosis of diseases, as well as for basic research in molecular biology, for example, for sequencing DNA molecules.

Изобретение поясняется чертежами, на которых фиг. 1 представляет принципиальную схему люминесцентного анализатора, фиг. 2 - оптическую схему практического образца анализатора, фиг. 3 - некоторые варианты размещения торцов щупов в приемопередающей поверхности: а) равномерное распределение квадратов торцов; б) распределение торцов в параллельных рядах; в) торцы смешанной формы. The invention is illustrated by drawings, in which FIG. 1 is a circuit diagram of a luminescent analyzer, FIG. 2 is an optical diagram of a practical sample analyzer; FIG. 3 - some options for placing the ends of the probes in the transceiver surface: a) uniform distribution of the squares of the ends; b) the distribution of the ends in parallel rows; c) ends of a mixed form.

Люминесцентный анализатор изображений, выполненный согласно изобретению, содержит осветитель 1, многоэлементный приемник 2 люминесцентного излучения и волоконно-оптический жгут 3 с приемопередающей поверхностью 4 и пучками световодов 5 осветительного 6 и приемного 7 каналов. В приемопередающей поверхности 4 размещены пространственно разнесенные площадки 8 торцов световодов отдельных щупов. Количество, форма и взаимное расположение отдельных щупов в общей приемопередающей поверхности соответствует количеству, форме и взаимному расположению анализируемых участков объекта. От каждой площадки 8 часть световодов 5 идет к осветителю 1 и формирует общую торцевую поверхность 9 осветительного канала 6, а другая часть световодов 5 идет к соответствующему чувствительному элементу многоэлементного приемника света с возможностью независимой регистрации люминесценции каждого изучаемого участка образца. Площадки 8 и 10 в соответствующих торцевых поверхностях пространственно разнесены, а промежутки 11 и 12 между ними заполнены твердым наполнителем. The luminescent image analyzer made according to the invention comprises a illuminator 1, a multi-element receiver 2 of luminescent radiation and a fiber optic bundle 3 with a transceiver surface 4 and bundles of optical fibers 5 of the lighting 6 and receiving 7 channels. In the transceiver surface 4 there are spatially spaced platforms 8 of the ends of the optical fibers of individual probes. The number, shape and relative position of individual probes in a common transceiver surface corresponds to the number, shape and relative position of the analyzed sections of the object. From each site 8, part of the optical fibers 5 goes to the illuminator 1 and forms a common end surface 9 of the lighting channel 6, and the other part of the optical fibers 5 goes to the corresponding sensitive element of the multi-element light receiver with the possibility of independent registration of luminescence of each studied portion of the sample. The sites 8 and 10 in the respective end surfaces are spatially spaced, and the gaps 11 and 12 between them are filled with a solid filler.

Люминесцентный анализатор изображений работает следующим образом. Luminescent image analyzer works as follows.

Излучение от источника-осветителя 1, сконцентрированное на входном торце 9 пучка световодов 5 осветительного канала 6, передается на приемопередающую поверхность 4 к выходным торцам, расположенным в площадках 8 вместе со входными торцами световодов 5 приемного канала 7. Приемопередающая поверхность 8 находится в непосредственном или оптическом контакте с объектом исследования (20, на фиг. 1 не показан), способным к флуоресценции. Под действием излучения от осветителя 1 на участках объекта возникает люминесцентное свечение, которое попадает на входные торцы световодов 5 приемного канала 7 и по этим световодам проходит к площадкам 10, объединенным в торцевую поверхность. От каждой площадки 10 люминесцентное излучение фиксируется многоэлементным приемником 2. За счет системы обработки сигналов (на иллюстрациях не показана) изображения отдельных участков передаются (в заданной последовательности или одновременно) на регистратор, например на дисплей ЭВМ. Учитывая, что площадки 8 в приемопередающей поверхности 4 пространственно разнесены, люминесцентное излучение участков объекта попадает только на соответствующие площадки 8 и не попадает во входные торцы световодов соседних участков, чем обеспечивается повышение точности регистрации излучения независимо от каждого отдельного участка. Осветитель 1 может быть снабжен дополнительными фильтрами для пропускания только того участка спектра, который возбуждает флуоресценцию красителя, а перед приемником может устанавливаться светофильтр, пропускающий излучение участка объекта, что позволяет оптимизировать режим работы световодов и повысить чувствительность приемника за счет уменьшения фона. В зависимости от задач, решаемых анализатором, площадки 8 в приемопередающей поверхности 4 могут располагаться на различных расстояниях и формироваться в виде различных геометрических фигур, показанных на фиг. 3. The radiation from the source-illuminator 1, concentrated on the input end 9 of the optical fiber bundle 5 of the lighting channel 6, is transmitted to the transceiving surface 4 to the output ends located in the platforms 8 together with the input ends of the optical fibers 5 of the receiving channel 7. The transceiving surface 8 is in the direct or optical contact with the object of study (20, not shown in FIG. 1) capable of fluorescence. Under the action of radiation from the illuminator 1, a luminescent glow appears on the object’s sections, which enters the input ends of the optical fibers 5 of the receiving channel 7 and passes through these optical fibers to the areas 10 combined into the end surface. From each site 10, the luminescent radiation is recorded by a multi-element receiver 2. Due to the signal processing system (not shown in the illustrations), images of individual sections are transmitted (in a given sequence or simultaneously) to a recorder, for example, to a computer display. Given that the sites 8 in the transceiver surface 4 are spatially spaced, the luminescent radiation of the sections of the object falls only on the corresponding platforms 8 and does not fall into the input ends of the optical fibers of the neighboring sections, which ensures an increase in the accuracy of radiation registration irrespective of each individual section. The lighter 1 can be equipped with additional filters to pass only that part of the spectrum that excites dye fluorescence, and a filter can be installed in front of the receiver that transmits the radiation from the object, which allows to optimize the mode of operation of the optical fibers and increase the sensitivity of the receiver by reducing the background. Depending on the tasks solved by the analyzer, the pads 8 in the transceiver surface 4 can be located at different distances and formed in the form of various geometric shapes shown in FIG. 3.

Пример конкретного выполнения люминесцентного анализатора изображений. An example of a specific implementation of the luminescent image analyzer.

Изготовлен образец люминесцентного анализатора изображений, в котором в качестве осветителя 1 применен источник возбуждающего излучения, содержащий ртутную лампу 13 (фиг. 2) ДРШ-250-2, интерференционный теплозащитный светофильтр 14 и возбуждающий светофильтр 15 с полосой пропускания 510-560 нм. В качестве приемника люминесцентного излучения применена ПЗС-камера 16 с матрицей 520 x 580 пикселей, перед которой установлен запирающий интерференционный светофильтр 17 с полосой пропускания 580-630 нм. Волоконно-оптический кабель 3 длиной около 500 мм содержит шестнадцать диагностических щупов, каждый из которых содержит пучки из 50 световодов диаметром 15 мкм с числовой апертурой 0,5. A sample of a luminescent image analyzer was made, in which a source of exciting radiation containing a mercury lamp 13 (Fig. 2) DRSh-250-2, an interference heat-shielding light filter 14, and an exciting light filter 15 with a passband of 510-560 nm was used as a illuminator 1. As a luminescent radiation detector, a CCD camera 16 with a matrix of 520 x 580 pixels was used, in front of which a blocking interference filter 17 with a passband of 580-630 nm was installed. Fiber optic cable 3 with a length of about 500 mm contains sixteen diagnostic probes, each of which contains bundles of 50 optical fibers with a diameter of 15 μm with a numerical aperture of 0.5.

В соответствии с конфигурацией изучаемых участков объекта торцы указанных выше световодов сгруппированы в приемопередающей поверхности 4 в отдельные площадки 8 (фиг. 1) размером 0,1 мм х 0,1 мм и расстоянием между этими площадками 0,2 мм (11, фиг. 1). In accordance with the configuration of the studied sections of the object, the ends of the above optical fibers are grouped in a transceiving surface 4 into separate platforms 8 (Fig. 1) with a size of 0.1 mm x 0.1 mm and a distance between these platforms of 0.2 mm (11, Fig. 1 )

Входные торцы световодов 5 (фиг. 1) осветительных каналов 6 объединены в общую поверхность 9 диаметром около 2 мм. Выходные торцы световодов 5 (фиг. 1) приемных каналов 7 также объединены в общую поверхность 18 диаметром около 3 мм, в которой размещены площадки 10 (фиг. 1) размером 0,07 х 0,07 мм и расстоянием 0,07 мм. The input ends of the optical fibers 5 (Fig. 1) of the lighting channels 6 are combined into a common surface 9 with a diameter of about 2 mm. The output ends of the optical fibers 5 (Fig. 1) of the receiving channels 7 are also combined into a common surface 18 with a diameter of about 3 mm, in which are placed the pads 10 (Fig. 1) of 0.07 x 0.07 mm and a distance of 0.07 mm.

Эти площадки каждого диагностического щупа по конфигурации выполнены в виде квадрата, подобного квадрату в приемопередающей поверхности 4. Площадки 10 отображаются в масштабе 1:1 в плоскости многоэлементного приемника света - ПЗС-камеры 16. Для упрощения схемы и уменьшения массогабаритных характеристик прибора в качестве фокусирующих систем применены сферические зеркала 19 диаметром 130 мм и радиусом кривизны 150 мм. These pads of each diagnostic probe are configured in the form of a square similar to a square in the transceiving surface 4. The pads 10 are displayed on a 1: 1 scale in the plane of the multi-element light receiver - CCD camera 16. To simplify the circuit and reduce the overall dimensions of the device as focusing systems spherical mirrors 19 with a diameter of 130 mm and a radius of curvature of 150 mm were used.

Люминесцентный анализатор изображений прошел экспериментальную проверку. Были получены изображения отдельных участков изучаемых объектов и зарегистрированы интенсивности флуоресценции красителя родамина, окрашивающего объекты исследования. The luminescent image analyzer has been tested experimentally. Images of individual sections of the studied objects were obtained and fluorescence intensities of the rhodamine dye staining the objects of study were recorded.

Claims

1. Luminescent image analyzer containing a illuminator, receiving luminescent radiation and a fiber optic bundle with a transceiving end surface and bundles of optical fibers of the lighting and receiving channels, characterized in that the fiber optic bundle is made in the form of a cable from individual diagnostic probes, each of which contains bundles of optical fibers of the lighting and receiving channels, while the ends of the individual diagnostic probes are spatially spaced and combined into a common receiver the surface of the configuration is similar to the output end of the receiving channel, while the input ends of the optical fibers of the lighting channels of all diagnostic probes are optically coupled to a common illuminator, and the output ends of the optical fibers of the receiving channels of each diagnostic probe are independently optically coupled to a multi-element radiation detector with the possibility of independent registration radiation separately from each emitted portion of the sample.

2. The luminescent image analyzer according to claim 1, characterized in that the input ends of the optical fibers of the combined lighting channels form a common surface.

3. The luminescent image analyzer according to claim 1, characterized in that the output end of the receiving channel of the diagnostic probe is similar in configuration to the integrated area of the same probe.

4. The luminescent image analyzer according to claim 1, characterized in that the space between the joined sites of the ends of the transceiver surface and between the ends of the sites of the receiving channels of the probes are filled with a solid filler.