Система для оптической диагностики опухолевой ткани

Полезная модель относится к биомедицинской технике, а более конкретно - к аппаратуре для осуществления оптической диагностики злокачественных и доброкачественных опухолей путем регистрации аутофлуоресценции и диффузно рассеянного света. Техническим результатом полезной модели является улучшение эксшгутационных характеристик систем для диагностики опухолевых тканей в части увеличения точности диагностики, повышении пространственного разрешения, возможности проведения бесконтактной и экспрессной оптической диагностики. Система для оптической диагностики опухолей, содержит блок регистрации аутофлуоресценции и блок регистрации спектров диффузно рассеянного света, включающие первый блок - полупроводниковый диод с монохроматическим спектром излучения, монохроматор, фотоумножитель, модуль время - коррелированного счета фотонов, а второй блок - галогеновую лампу со сплошным спектром излучения, спектрометр, и оба блока имеют общие оптоволоконный зонд, два раздвоенных оптоволоконных кабеля для передачи освещающих потоков и регистрации свечения, компьютер. Оптоволоконный зонд и раздвоенные оптоволоконные кабели имеют микронные оптоволокна для передачи освещающих потоков и регистрации свечения. Блок регистрации аутофлуоресценции работает в режиме счета отдельные фотонов.

Полезная модель относится к биомедицинской технике, а более конкретно - к аппаратуре для осуществления оптической диагностики злокачественных и доброкачественных опухолей путем регистрации аутофлуоресценции и диффузно рассеянного света.

В последнее время все большое количество исследований посвящено поиску высоко чувствительных, точных и экспрессных методов диагностики доброкачественных и злокачественных опухолей. Наиболее перспективным направлением в решении этой задачи в настоящий момент считается использование оптических методов.

Известно устройство для диагностики рака [1]. Это устройство используется для диагностики раковых очагов и, в частности таких, которые содержат производные гематопорфирина. Непрерывным излучением криптонового лазера осуществляется возбуждение аутофлуоресценции, а непрерывное излучение аргонового лазера используется для обработки раковых очагов. Однако это устройство трудно использовать для диагностики на ранних стадиях заболевания, потому что спектры флуоресценции гематопорфирина в здоровых и опухолевых тканях сильно перекрываются.

В университете Калифорнии разработан цистоскоп для оптической диагностики рака мочевого пузыря [2], который применяется в Ливерморской национальной лаборатории (США). Для возбуждения аутофлуоресценции и регистрации спектров упругого релеевского рассеяния света в ближней ИК области спектра используются два лазера. Регистрация световых сигналов проводится с помощью прибора с зарядовой связью (ПЗС) и компьютера. Основным недостатком указанного цистоскопа является то, что он не пригоден для диагностики многих других злокачественных опухолей, так как регистрация аутофлуоросценции и рассеянного света осуществляется в узком спектральном ИК диапазоне.

В миниатюрном спектрометре [3] для диагностики опухолей в качестве источника возбуждения применяют полупроводниковый диод с длиной волны излучения 435 нм. Регистрация аутофлуоресценции тканей осуществляют двумя фотодиодами на длинах волн 460 нм и 680 нм. Основной недостаток прибора - регистрация только одних спектров аутофлуоресценции тканей без регистрации спектров диффузно рассеянного света, что значительно снижает точность диагностики опухолей.

Малогабаритный полупроводниковый лазерный спектрометр [4] использует набор полупроводниковых лазеров для получения диффузно рассеянного света тканей на различных длинах волн. Возбуждение и регистрация светового сигнала осуществляют через оптоволокно. Устройство содержит гистероскоп, две группы оптических волокон, группу источников излучения, спектрометр, компьютер и сопряженную с ней через стандартный интерфейс цветную видеокамеру. Основной недостаток указанного прибора это регистрация только диффузно рассеянного света без регистрации аутофлуоресценции, что значительно снижает точность диагностики опухолей.

Известно автоматизированное устройство для диагностики онкопатологий в гинекологии [5]. Устройство содержит гистероскоп, две группы оптических волокон, группу источников излучения, спектрометр, компьютер и сопряженную с ней через стандартный интерфейс цветную видеокамеру. Содержащийся в устройстве имитатор патологии и имитатор нормы выполнены с возможностью показаний имитации различного вторичного люминесцентного свечения от патологической и здоровой тканей при подаче на них зондирующего излучения с возможностью их поочередного оптического подключения к выходам световодов первой группы и к входом световодов второй группы. Основным недостатком устройства является то, что для диагностики онкопатологий регистрируется только люминесцентное свечение тканей, что значительно снижает точность постановки диагноза. Кроме того, устройство конструктивно выполнено так, что может применяться только в гинекологии.

Спектрометрическое диагностическое устройство [6] содержит блок управления основными узлами, источник освещения со сплошным спектром излучения, источник с монохроматическим спектром излучения, два световода для передачи освещающих потоков, оптически сопряженных с соответствующими источниками освещения, световод для передачи изображения исследуемой поверхности ткани, светоделитель, вход которого оптически сопряжен со световодом для передачи изображения на телекамеру и телевизионный монитор, оптико-электронный блок спектроанализатора и блок аналого-цифрового преобразования и сопряжения с компьютером.

Однако указанное устройство не позволяет различать мелкие детали поверхности тканей, отличающиеся от окружающих спектральным составом или интенсивностью излучения, так как спектральному анализу подвергается световой поток, регистрируемый с большого участка поверхности.

Наиболее близким к полезной модели по технической сущности является система [7] фирмы Лазерная техника, Берлин, в который входят азотный лазер, ксеноновая лампа, модуль регистрации с монохроматором и ПЗС. Азотный лазер возбуждает аутофлуоресценцию, а ксенонавая лампа инициирует диффузно рассеянный свет. Спектры аутофлуоресценции и рассеянного света регистрируют в видимой области спектра. Недостатками системы является то, что при измерении спектров аутофлуоресценции их форма искажается из-за поглощения гемоглобина, который содержится в крови. Поэтому один и тот же образец ткани при разной концентрации крови имеет различные спектры аутофлуоресценции, что затрудняет диагностику опухоли. Кроме того, этот прибор обладает невысокой чувствительностью из-за низкой частоты повторения импульсов азотного лазера и их нестабильностью по интенсивности, а использование высокого электрического напряжения в азотном лазере и ксеноновой лампе не соответствует медицинским стандартам. Еще одним существенным недостатком системы является то, что оптический зонд, через который заводят световое излучение и регистрируют аутофлуоресценцию и диффузно рассеянный свет, должен быть в контакте с анализируемой тканью.

Задача полезной модели - улучшение технических и эксплутационных характеристик системы для диагностики опухолевой ткани в части увеличения точности диагностики, повышении пространственного разрешения, возможности проведения бесконтактной и экспрессной оптической диагностики.

Система для оптической диагностики опухолевой ткани, включает блок регистрации аутофлуоресценции и блок регистрации спектров диффузно рассеянного света, модуль регистрации с монохроматором, прибор с зарядовой связью и компьютер. Блок регистрации аутофлуоресценции состоит из полупроводникового диода с монохроматическим спектром излучения, монохроматора, фотоумножителя, модуля время-коррелированного счета фотонов, блок регистрации спектров диффузно рассеянного света состоит из галогеновой лампы со сплошным спектром излучения, спектрометра, оба блока содержат общий оптоволоконный зонд и два раздвоенных оптоволоконных кабеля для передачи освещающих потоков и регистрации свечения.

Оптоволоконный зонд и раздвоенные оптоволоконные кабели имеют микронные оптоволокна, для передачи освещающих потоков и регистрации свечения.

На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемой системы, а на фиг.2 фотография основных блоков, структурных элементов и схема их соединения для реализованного варианта системы.

Система для оптической диагностики опухолевой ткани (фиг.1 и фиг.2, далее в скобках указаны характеристики отдельных узлов для реализованного варианта системы) содержит импульсные полупроводниковые светодиоды 1 (длина волны излучения 265 и 340 нм, длительность импульса менее 1 нс, частота повторения импульса до 20 Мгц), галогеновую лампу 2 (сплошной спектр излучения в диапазоне длин волн 350-2000 нм), два раздвоенных оптоволоконных кабеля 3 и 4, оптоволоконный зонд 5, монохроматор 6 (диапазон длин волн регистрации 330-800 нм), фотоумножитель (ФЭУ) 7, модуль время-коррелированного счета фотонов 8, спектрометр 9 (диапазон длин волн регистрации 350-1100 нм) и компьютер 10.

Система может работать в двух режимах: 1) регистрации кинетики аутофлуоресценции; 2) регистрации спектров диффузно рассеянного света.

В режиме регистрации кинетики аутофлуоресценции система работает следующим образом. Излучение от светодиода 1 через раздвоенный оптоволоконный кабель 3, а затем через оптоволоконный зонд 5 попадает на исследуемую ткань 11 и возбуждает ее собственное свечение. Регистрируемый импульс аутофлуоресценции через оптоволоконный зонд 5 и раздвоенный оптоволоконный кабель 4 поступает на вход монохроматора 6. На выходе монохроматора 6 импульс аутофлуоресценции регистрируют скоростным ФЭУ 7, с которого электрический сигнал поступает на модуль время - коррелированного счета фотонов 8. Модуль 8 регистрирует электрические импульсы с ФЭУ 7, от одиночных фотонов аутофлуоресценции, а также фиксирует время их испускания. Полученная с модуля 8 информация о времени испускания фотонов и их количестве в каждый момент времени позволяет рассчитать с помощью компьютера 10 кинетику аутофлуоресценции.

На фиг.3 приведены зарегистрированные с помощью реализованной системы возбуждающий импульс полупроводникового светодиода 1 и импульсы аутофлуоресценции здоровой 2 и опухолевой тканей 3. Высокая частота повторения светодиодов и работа регистрирующей системы в режиме счета отдельных фотонов определяют предельно высокую чувствительность системы при работе в режиме регистрации кинетики аутофлуоресценции и возможность бесконтактной и экспрессной диагностики. Оптоволоконный зонд и раздвоенные оптоволоконные кабели для передачи освещающих потоков и регистрации свечения состоят из микронных оптоволокон. Это позволяет сканировать и исследовать поверхность ткани с высоким пространственным разрешением.

С помощью специальной программы компьютер может производить деконволюцию регистрируемых импульсов аутофлуоресценции и разложение кинетики испускания на три экспоненты с различными начальными амплитудами и длительностями. Из полученных данных рассчитывают средние длительности затухания аутофлуоресценции.

В режиме регистрации спектров диффузно рассеянного света система работает следующим образом. Излучение от галогеновой лампы 2 через раздвоенный оптоволоконный кабель 3, а затем через оптоволоконный зонд 5 попадает на исследуемую ткань 11. Рассеянный тканью свет от галогеновой лампы 2 через оптоволоконный зонд 5 и раздвоенный оптоволоконный кабель 4 поступает на вход спектрометра 9 который состоит из полихроматора и ПЗС (на фигуре не обозначен). Полихроматор разлагает регистрируемый свет в спектр, а ПЗС преобразует его в электрический сигнал с которого поступает в компьютер для его обработки и построения спектра диффузно рассеянного света.

На фиг.4 приведены зарегистрированные с помощью реализованного варианта системы спектр излучения галогеновой лампы 1 и спектры диффузно рассеянного света здоровой 2 и опухолевой тканей 3. Видно существенное отличие в интенсивности диффузно рассеянного света здоровой и опухолевой тканей на разных длинах волн.

Использование в системе компьютера позволяет проводить подробный анализ патологических изменений в тканях и идентификацию типа опухолей с использованием методов многомерного статистического анализа. Внедрение данного прибора в медицинскую практику позволит значительно сократить временные и экономические затраты на патологоанатомическую диагностику опухолей. Использование прибора для диагностики и локализации опухолей непосредственно во время хирургических операций позволит в ряде случаев отказаться от повторного оперативного вмешательства и увеличит вероятность положительной динамики процесса лечения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Teruo Н., Atsushi Н., Tooru Н., Yutaka Т., Yochishiro Н., Katsuo A., Harubimi К., Keiji К., Device for diagnosing cancers, Patent number: GB 2126717 (A), 1984-03-28.

2. Demos S.G., White R.W., Autofluorescence detection and imaging of bladder cancer realized through a cystoscope, Patent number: US 2008051664 (A1), 2008-02-28.

3. Crowley R.J., Hamm M., Miniature spectrometer system and method, Patent number: US 6,238,348 B1, 2001-05-29.

4. Vijasekhar J., Semocondacter laser-based spectrometer, Patent number: US 2006280216 (A1), 2006-12-14.

5. Патент на изобретение РФ 2370202, 28.01.2008.

6. Патерикин В.И., Шихалев Э.Г., Спектрометрическое диагностическое устройство, Авторское свидетельство СССР 1428342, Кл. А61В 1/00, 1988.3.,

7. Salomon G., Hess Т., Erbersdobler A., Eichelberg С, Greschner S., Korolik A.V., Sobchuk A.N., Nemkovich N.A., Graefen M., Huland H., Feasibility of Prostate Cancer Detection by Triple Spectroscopy, European Urology 2009, V.55, 2, p.376-383.

1. Система для оптической диагностики опухолей, включающая блок регистрации аутофлуоресценции и блок регистрации спектров диффузно рассеянного света и компьютер, отличающаяся тем, что блок регистрации аутофлуоресценции состоит из полупроводникового диода с монохроматическим спектром излучения, монохроматора, фотоумножителя, модуля времякоррелированного счета фотонов, блок регистрации спектров диффузно рассеянного света состоит из галогеновой лампы со сплошным спектром излучения, спектрометра, оба блока содержат общий оптоволоконный зонд и два раздвоенных оптоволоконных кабеля для передачи освещающих потоков и регистрации излучения.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что оптоволоконный зонд и раздвоенные оптоволоконные кабели имеют микронные оптоволокна для передачи освещающих потоков и регистрации свечения.