Автоматизированное устройство для диагностики онкопатологий бронхиального дерева
Полезная модель относится к медицинской технике, в частности к люминесцентным эндоскопическим исследованиям, и может быть использована для диагностики онкопатологий бронхиального дерева на ранних стадиях (без применения фотосенсибилизаторов). Устройство содержит бронхоскоп, две группы оптических волокон, на внешней боковой поверхности оптических волокон второй группы нанесены металлизированные нанопокрытия, группу источников излучения, спектрометр, персональную ЭВМ и сопряженную с ней через стандартный интерфейс цветную видеокамеру, а также имитатор патологии и имитатор нормы. Полезная модель позволяет расширить функциональные возможности в части фиксации цветных видеоизображения патологических участков, повысить спектральную разрешающую способность в широком диапазоне длин волн и производить оперативный контроль работоспособности. Применение устройства в медицинской практике позволит уменьшить продолжительность лечения с экономией дорогостоящих медикаментозных средств. Массовые экспресс-обследования населения с применением данных устройств позволят снизить смертность, а при вводе в строй контингента детородного возраста положительно повлиять на демографическую ситуацию в России.
Полезная модель относится к медицинской технике и может быть использована в эндоскопической люминесцентной диагностике ранних стадий онкологических заболеваний бронхиального дерева.
Известно устройство, позволяющее обнаружить изъязвленные участки обследуемой полости внутренних органов при визуальном наблюдении внутренних органов и их освещении в области видимого излучения (заявка Японии 
6323776, кл. А61В 5/00).
Близким к предлагаемой полезной модели является эндоскоп (авт. св. СССР 929050, кл. А61В 1/00, 1982, Б.И. 19), содержащий в своем составе канал освещения, к которому через оптический переключатель поочередно подключается источник ультрафиолетового (УФ) освещения и источник видимого света, последовательно подсоединенные к выходу канала освещения окуляр, монохроматический фильтр и спектрометрический детектор, а вход канала освещения через объектив связан с обследуемой поверхностью внутреннего органа пациента.
Достоинством известного устройства является то, что в нем диагноз о наличии той или иной патологии производится на основе последовательного анализа спектра флюоресцентного свечения, возбуждаемого зондирующим УФ-излучением, не травмируя участки обследуемой слизистой.
Однако известное устройство обладает рядом недостатков:
во-первых, недостаточной точностью диагностики и недостаточной точностью локализации патологического очага;
во-вторых, неудобством при эксплуатации;
в-третьих, субъективностью квалификации вида патологии обследуемого участка и невозможностью выявления онкопатологии на ранних стадиях.
Наиболее близким к к данной полезной модели является автоматизированное устройство для диагностики в онкологии (Пат. РФ 2088156, кл. А61В 10/00), включающее конструктивно объединенные канал освещения с окуляром и объективом и инструментальный канал эндоскопа, вход канала освещения через переключатель оптически связан с выходами источников светового и зондирующего воздействий, содержит группу селективных спектрометрических датчиков, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, группу управляемых источников световых воздействий и персональную ЭВМ, две группы оптических волокон, входы оптических волокон первой группы являются оптическими входами устройства, а их выходы соответственно соединены с входами группы селективных спектрометрических датчиков, выходы которых через многоканальный аналого-цифровой преобразователь подключены к информационным входам персональной ЭВМ, информационный выход которой является информационным выходом устройства, а управляющие выходы персональной ЭВМ подключены соответственно к входам управляемых источников световых воздействий группы, выходы которых оптически связаны с входами соответствующих оптических волокон второй группы, выходы которых являются оптическими выходами устройства.
В указанном устройстве, выбранном в качестве прототипа, по оптическим волокнам второй группы на исследуемую поверхность подается зондирующее оптическое излучение. Под воздействием зондирующего оптического излучения на исследуемой поверхности возникает вторичное люминесцентное свечение, воспринимаемое оптическими волокнами второй группы. Данное устройство выгодно отличается от предыдущего отсутствием отмеченных недостатков и высокой степенью автоматизации.
Однако, при эндоскопических люминесцентных исследованиях бронхиального дерева интенсивности зондирующего излучения, на порядок меньшие ПДУ, и тем более, интенсивности вторичного люминесцентного свечения еще меньше, и необходимо периодически (в начале рабочего дня и через несколько сеансов) оперативно проверять или действительно мал уровень сигнала вторичного люминесцентного свечения или есть дефект в оптоэлектронных трактах, т.е. проверить работоспособность устройства в реальном режиме времени. При эксплуатации устройств-прототипов отмечалась недостаточная помехозащищенность от изменений освещенности в медицинском кабинете. Кроме того, устройство-прототип имеет недостаточную разрешающую способность спектрального анализа вторичного люминесцентного свечения, ограничиваемую конечным числом группы селективных спектрометрических датчиков.
Технической задачей заявленной полезной модели является устранение отмеченных недостатков прототипа.
Техническим результатом обеспечивающим решение указанной задачи является - улучшение технических и эксплуатационных характеристик устройства для диагностики онкопатологий бронхиального дерева в части увеличения разрешающей способности спектрального анализа вторичного люминесцентного свечения, оперативного контроля работоспособности устройства и увеличения помехозащищенности.
Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что автоматизированное устройство для диагностики онкопатологий бронхиального дерева, содержащее конструктивно объединенные канал освещения с окуляром и объективом и инструментальный канал эндоскопа, две группы оптических волокон, группу управляемых источников оптических воздействий, персональную ЭВМ, информационный выход которой является информационным выходом устройства, один управляющий выход персональной ЭВМ подключен к входу запуска группы управляемых источников оптических воздействий, выходы которой оптически связаны с входами первой группы оптических волокон, выходы которых являются оптическими выходами устройства, входы второй группы оптических волокон являются оптическими входами устройства, согласно полезной модели оно дополнительно содержит имитатор патологии и имитатор нормы, которые выполнены с возможностью показаний соответственно различного вторичного люминесцентного свечения при подаче на них зондирующего излучения от источника излучения, а также с возможностью поочередного оптического подключения их к выходам оптических волокон первой группы, входам оптических волокон второй группы, и спектрометр, конструктивно включающий фотодиодную линейку, дифракционную решетку, коммутатор и аналого-цифровой преобразователь; при этом выходы фотодиодной линейки через коммутатор соединены с информационным входом аналого-цифрового преобразователя; оптические волокна второй группы подключены к оптическому входу спектрометра, информационные выходы спектрометра через интерфейс подключены к информационным входам персональной ЭВМ, второй управляющий выход которой подключен к входу запуска спектрометра, причем на внешней боковой поверхности волокон второй группы нанесены металлизированные нанопокрытия.
На фиг.1 дана схема предлагаемого устройства.
Автоматизированное устройство для диагностики онкопатологий бронхиального дерева содержит конструктивно объединенные канал освещения 1 с окуляром 2 и объективом 3 и инструментальный канал 4 эндоскопа (в данном случае - бронхоскопа), группу 5 управляемых источников оптических воздействий, персональную ЭВМ 7, две группы оптических волокон 6 и 9, спектрометр 8, цветную видеокамеру 10, имитатор патологии 11, имитатор нормы 12. Входы второй группы оптических волокон 9 являются оптическими входами 13 устройства. Для увеличения помехозащищенности устройства от изменения освещенности в медицинском кабинете на внешней боковой поверхности оптических волокон 9 второй группы нанесены металлические нанопокрытия Выходы второй группы оптических волокон 9 связаны с волоконным входом спектрометра 8, информационные выходы которого через интерфейс, например, USB-порт, соединены с информационными входами персональной ЭВМ 7, один управляющий выход которой соединен с входом запуска группы 5 управляемых источников оптических воздействий. Выходы группы 5 управляемых источников оптических воздействий оптически связаны с входами первой группы 6 оптических волокон, выходы которой являются оптическими выходами 14 устройства. Информационные выходы цветной видеокамеры 10 подключены к информационным входам персональной ЭВМ 7 по стандартному интерфейсу. Оптический вход цветной видеокамеры совмещен с окуляром 2. Для оперативной проверки работоспособности устройства оно содержит имитатор патологии 11 и имитатор нормы 12, к которым во время проверки работоспособности обеспечивается оптическая связь с входами 13 и выходами 14 устройства.
На фиг.1 под позицией 15 обозначена обследуемая поверхность.
В качестве эндоскопа в данном устройстве может быть использован любой бронхоскоп, например ф. "Olympus" (Япония).
В качестве персональной ЭВМ 7 может быть использована любая IBM совместимая персональная ЭВМ отечественного или зарубежного производства.
Управляемые источники 5 оптических воздействий предназначены для формирования излучения в ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном диапазоне длин волн, или их сочетаний, а параметры излучения (например, интенсивность излучения, спектр, доза облучения, продолжительность сеанса), задаются от персональной ЭВМ 7.
В качестве управляемых источников 5 оптических воздействий могут быть использованы, например, ультрафиолетовый лазерный излучатель, лазерные инфракрасные полупроводниковые диоды, светодиоды и другие управляемые серийные источники излучения. Управление интенсивностью источников производится путем изменения управляющих воздействий (для лазерных диодов, светодиодов - изменение значения тока питания, для импульсных источников с нерегулируемой амплитудой - путем изменения частоты и скважности излучаемых импульсов).
Устройство может работать в нескольких режимах: 1) визуального наблюдения; 2) диагностики; 3) калибровки; 4) терапевтического светового воздействия.
В режиме визуального наблюдения видимый свет от источника 5, канал освещения 1 и объектив 3 освещает участок обследуемой поверхности 15. Изображение освещенного участка через объектив 6, канал освещения 1 и окуляр 2 визуально наблюдают до обнаружения подозреваемого (изъявленного) участка, требующего более точной диагностики.
В режиме визуального наблюдения видимый свет от источника 5, через канал освещения 1 и объектив 3 освещает участок обследуемой поверхности 15. Изображение освещенного участка через объектив 3, канал освещения 1 и окуляр 2 визуально наблюдают до обнаружения подозреваемого (изъявленного) участка, требующего более точной диагностики.
В режиме диагностики объектив 3 остается ориентированным на подозреваемый участок обследуемой поверхности. В инструментальный канал 4 эндоскопа (бронхоскопа) вводится оптоволоконный жгут (в котором уложены волокна первой и второй групп). К волокнам первой группы 6 подключен выход группы источников 5 зондирующего излучения, а к волокнам второй группы 9 - волоконный вход спектрометра 8. Дистальный торец оптоволоконного жгута (с излучающими торцами первой группы волокон 6 и приемными торцами второй группы волокон 9) устанавливается в непосредственной близости от обследуемой поверхности. Зондирующее излучение поступает на исследуемый участок поверхности, где возникает вторичное люминесцентное (флуоресцентное) свечение.
Для проведения точечной диагностики выбранного подозреваемого участка обследуемой поверхности через инструментальный канал 4 бронхоскопа к точкам этого участка обследуемой поверхности поочередно подводят вход 14 оптических волокон 6. В процессе точечной диагностики последовательно обходят входом 14 все точки подозреваемого участка обследуемой поверхности. Сигналы вторичного люминесцентного свечения, возбуждаемые на обследуемой поверхности 15 под воздействием зондирующего излучения из волокон 6, через волокна второй группы 9 поступают на входы спектрометра 8. Распределения интенсивностей (уровней) спектральных составляющих сигналов вторичного люминесцентного свечения от здоровой и патологической тканей различаются. Коды уровней спектральных составляющих в привязке к кодам длин волн с информационных выходов спектрометра 8 поступают на информационные входы персональной ЭВМ 7.
Принцип формирования диагностических сигналов и алгоритм работы ЭВМ в этом режиме состоит в следующем.
Весь диапазон длин волн вторичного люминесцентного свечения разбивается на дискретные участки, определяемые разрешающей способностью спектрометра 8. Для повышения достоверности и исключения погрешности из-за изменений расстояния между исследуемой поверхностью и дистальным торцом волоконно-оптического жгута (в котором уложены волокна первой и второй групп), помещаемого в инструментальный канал 4 бронхоскопа, спектральные составляющие Ротн (
i) формируются из нормализированных амплитуд как отношение частных значений уровней спектральных составляющих к максимальному значению в данном цикле измерения
Принцип формирования диагностических сигналов и алгоритм работы ЭВМ в этом режиме состоит в следующем.
Весь диапазон длин волн вторичного люминесцентного свечения разбивается на поддиапазоны
.
В каждом поддиапазоне обследуемого участка для повышения точности диагностирования и повышения статистической достоверности измерений осуществляется N измерений. Измеренные значения сигналов вторичного люминесцентного свечения Aik,
(где i - номер поддиапазона длин волн, k - номер измерения (k=1, N), поступают на персональную ЭВМ 7, где определяется их математическое ожидание по известному алгоритму
После окончания обследования подозреваемого участка и получения всей совокупности значений Ai также по известному алгоритму
определяется максимальное значение амплитуды сигнала и нормируются все результаты измерений по соотношению
В результате получается совокупность относительных значений амплитуд сигналов
которые характеризуют распределение уровней вторичного люминесцентного свечения по всему исследуемому диапазону длин волн (1
in).
Достоинство перехода к относительным значениям амплитуд сигналов состоит в повышении объективности и достоверности оценки состояния локального участка обследуемой поверхности 15 Абсолютные значения сигналов Ai в поддиапазонах длин волн i будут зависеть не только от состояния облучаемых тканей (от наличия или отсутствия патологии), но и от ряда других специальных факторов:
от расстояния между дистальным торцом волоконно-оптического жгута и обследуемой поверхностью 15 в процессе анализа уровней вторичного люминесцентного свечения;
от интенсивного потока зондирующего излучения источника 5, воздействующего на облучаемую поверхность;
от интенсивности вторичного люминесцентного свечения с облучаемой поверхности, которая может быть искусственно увеличена введением в органические ткани на облучаемой поверхности специальных сенсибилизирующих веществ.
При переходе к относительным значениям влияние этих факторов исключается.
Для предварительного получения диагностических критериев в устройстве предусмотрен режим калибровки. Сущность диагностических критериев заключается в том, что совокупность (4) значений относительных амплитуд сигналов Ai отн для всех поддиапазонов длин волн i спектра вторичного люминесцентного свечения представляет собой объективную оценку состояния органических тканей облучаемой поверхности. При калибровке аппарата в качестве обследуемой поверхности используют образцы нормальных и пораженных тканей, полученных в результате хирургических операций (или взятия биопсии) онкологических больных. Патология образцов тканей предварительно подтверждается гистологическими и цитологическими исследованиями.
В результате многократных облучений калибровочных образцов патологических тканей получают устойчивые сочетания относительных значений амплитуд сигналов вторичного люминесцентного свечения для характерного (ярко выраженного) вида патологии. Распределение по длинам волн таких устойчивых сочетаний относительных значений амплитуд (интенсивностей) сигналов вторичного люминесцентного свечения в этом случае представляет собой в качестве диагностического критерия спектральный образ патологии. Полученное в результате многократных облучений образцов здоровых тканей распределение по длинам волн относительных значений амплитуд (интенсивностей) сигналов вторичного люминесцентного свечения, соответственно, называется спектральным образом нормы.
Алгоритмом работы персональной ЭВМ в этом режиме также являются соотношения (1-4). Отличием является то, что в качестве испытуемых образцов используются образцы здоровых и пораженных тканей (патология которых заведомо подтверждена гистологическими и цитологическими исследованиями).
После калибровки устройства и получения диагностических критериев для патологии и для нормы устройство пригодно к применению для диагностики. В процессе диагностики облучаемой поверхностью 15 является подозреваемый участок внутреннего органа пациента. В результате воздействия зондирующим излучением на поверхность получают совокупность (4) отсчетов относительных значений Aij отн (1) амплитуд (интенсивностей) сигналов вторичного люминесцентного свечения. Полученную совокупность отсчетов A ij отн (1) сравнивают поочередно с диагностическими критериями. Сравнение полученной при измерениях совокупности отсчетов с спектральными образами патологии и нормы (диагностическими критериями) производится по принципу наибольшего правдоподобия. На основании сравнения формируется наиболее вероятный диагноз. Диагноз формируется автоматически с помощью персональной ЭВМ.
Алгоритм работы персональной ЭВМ в этом случае может, например, представлен в следующем виде.
Вычисляется квадрат отклонения относительных значений амплитуд для исследуемой поверхности Aj отн от значений Aij отн по соотношению
,
где j=1, 2 - соответствуют норме или патологии,
i - номер поддиапазона длин волн,
а после определяется номер патологии, соответствующий минимальному квадрату отклонения
j=min
j
В случае определения диагноза - «патология» врачом может быть принято решение о взятии биопсии (для последующего подтверждения гистологическими и цитологическими исследованиями).
После установления диагноза состояния очередного локального участка облучаемой поверхности вход 14 перемещают (ориентируют) на другой точечный локальный участок исследуемой поверхности 15. Диагностика очередного локального участка обозреваемой области поверхности производится аналогичным образом.
После обхода всех интересующих точек подозреваемого участка поверхности 15, наблюдаемого в зоне видимости объектива 3, формируется полный диагноз состояния наблюдаемого участка внутреннего органа пациента. Результаты диагноза выдаются на дисплей персональной ЭВМ и могут быть выведены на печать в виде диагностического заключения.
Режим светового терапевтического воздействия является дополнительным и предусматривает терапевтическое лечение направленным видимым светом, ультрафиолетовым излучением, инфракрасным излучением и их сочетаниями. На основе полученного диагностического заключения по известным методикам световой терапии для каждого выявленного вида патологии задается индивидуальный режим светового воздействия (интенсивность облучения, спектр светового воздействия, вид модуляции излучения, продолжительность сеанса или доза облучения и т.п.). Далее рассмотренным ранее способом повторяется обход волокнами второй группы 9 следующих точек наблюдаемого участка обследуемой поверхности. По результатам диагностики состояния каждого локального участка (точки) поверхности, на основе заданных в персональной ЭВМ параметров светового терапевтического воздействия, от персональной ЭВМ на управляемые источники оптических воздействий 5 подаются соответствующие управляющие сигналы. Под действием этих сигналов заданное от персональной ЭВМ излучение от источников оптических воздействий 5 через соответствующие дополнительные оптические волокна 9 воздействует на локальный участок поверхности, являющийся объектом светового терапевтического лечения. При люминесцентных эндоскопических исследованиях бронхиального дерева (при самой большой длине бронхоскопа - около 3,5 метров) зачастую трудно понять, либо мал уровень сигнала вторичного люминесцентного свечения от обследуемой поверхности, либо есть дефект в оптоэлектронных трактах. В этих случаях поочередное помещение дистального торца волоконно-оптического жгута в имитатор патологии и нормы позволит (при исправной работе устройства) зафиксировать разные показания уровней вторичного люминесцентного свечения, т.е. оперативно проверить работоспособность устройства в реальном режиме времени в большом динамическом диапазоне.
Имитаторы патологии 11 и нормы 12 могут быть выполнены в виде цилиндрических стаканов, на дне которых помещены разные оптические среды, дающие различное вторичное люминесцентное свечение при подаче на них зондирующего излучения. Имитатор патологии является моделью вторичного люминесцентного свечения от патологической ткани (спектральный образ имитатора патологии имеет обычно максимум в середине видимого диапазона длин волн). Имитатор нормы является моделью вторичного люминесцентного свечения от здоровой ткани (спектральный образ имитатора патологии имеет максимум обычно в коротковолновой части видимого диапазона длин волн с интенсивностью сигналов отклика от зондирующего сигнала на порядок меньше по сравнению с имитатором патологии).
В качестве спектрометра 8 можно использовать, например, российский миниспектрометр FSD-03-08, монолитная конструкция которого включает волоконный вход, вогнутую дифракционную решетку, высокочувствительную фото диодную линейку, 14-ти разрядный аналого-цифровой преобразователь. Миниспектрометр FSD-03-08 имеет спектральную разрешающую способность 10 нм (при самой высокой чувствительности) в диапазоне длин волн от 300 до 800 нм. Обмен информацией между информационным выходом спектрометра и информационным входом персональной ЭВМ осуществляется через стандартный порт USB.
В качестве персональной ЭВМ 7 может быть использована любая IBM совместимая персональная ЭВМ (или ноутбук) отечественного или зарубежного производства.
В устройстве-прототипе, как указывалось ранее, было ограниченное число спектрометрических датчиков (4 шт.), включающих узкополосные оптические фильтры на входе широкополосных фотоприемников. К тому же, узкополосные оптические фильтры в последние годы отечественной промышленностью серийно не выпускаются. Исключение указанных фильтров и введение спектрометра позволили повысить разрешающую способность анализа сигналов вторичного люминесцентного свечения во всем видимом диапазоне длин волн. При этом улучшается дифференциация диагностики разных патологий.
Наличие в устройстве цветной видеокамеры позволяет накапливать в базе данных цветные видеоизображения патологических участков разных пациентов в различные моменты времени, отслеживать динамику развития процесса и повышать эффективность выбранной методики лечения.
Введение металлизированных нанопокрытий на внешней поверхности волокон второй группы позволило устранить влияние изменений освещенности в медицинском кабинете, повысить точность диагноза и повысить помехозащищенность устройства. При этом удается уложиться в ограничения по внешнему диаметру волоконно-оптического жгута, обусловленные конечным внутренним диаметром инструментального (биопсийного) канала бронхоскопа (не более 1,8 мм).
Таким образом, техническим результатом предложенного решения является улучшение оперативного контроля работоспособности (в режиме реального времени), увеличение помехозащищенности, разрешающей способности устройства и точности диагноза.
Полученный мультипликативный эффектно является простой суммой эффектов от вновь введенных составных частей устройства, а определяется всей совокупностью существенных признаков в их взаимосвязи.
Предложенное автоматизированное устройство для диагностики онкопатологий бронхиального дерева позволяет осуществлять диагностирование онкопатологий и их топологию на самых ранних стадиях в режиме реального времени и превосходит все аналоги.
1. Автоматизированное устройство для диагностики онкопатологий бронхиального дерева, содержащее конструктивно объединенные канал освещения с окуляром и объективом и инструментальный канал эндоскопа, две группы оптических волокон, группу управляемых источников оптических воздействий, персональную ЭВМ, первый управляющий выход которой подключен к входу запуска группы управляемых источников оптических воздействий, выходы которой оптически связаны с входами первой группы оптических волокон, выходы которых являются оптическими выходами устройства, входы второй группы оптических волокон являются оптическими входами устройства, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит имитатор патологии и имитатор нормы, которые выполнены с возможностью показаний соответственно различного вторичного люминесцентного свечения при подаче на них зондирующего излучения от источника излучения, а также с возможностью поочередного оптического подключения их к выходам оптических волокон первой группы и входам оптических волокон второй группы, и спектрометр, конструктивно включающий фотодиодную линейку, дифракционную решетку, коммутатор и аналого-цифровой преобразователь; при этом выходы фотодиодной линейки через коммутатор соединены с информационным входом аналого-цифрового преобразователя; оптические волокна второй группы подключены к оптическому входу спектрометра, информационные выходы спектрометра через интерфейс подключены к информационным входам персональной ЭВМ, второй управляющий выход которой подключен к входу запуска спектрометра, причем на внешней боковой поверхности волокон второй группы нанесены металлизированные нанопокрытия.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что имитатор патологии и имитатор нормы имеют в своем составе разные оптические среды, причем спектральный образ оптической среды имитатора патологии имеет максимум в середине видимого диапазона длин волн и превышение интенсивности спектральных составляющих, по крайней мере, в три раза относительно интенсивности спектральных составляющих имитатора нормы
