Автоматизированное устройство для диагностики заболеваний пищевода, желудка и двенадцатиперстной кишки, инфицированных генами бактерии ndm-1 и их мутациями
Полезная модель относится к медицинской технике и может быть использована для люминесцентной эндоскопической диагностики заболеваний пищевода, желудка и двенадцатиперстной кишки, вызванных или отягощенных генами бактерии NDM-1 и их мутациями. Автоматизированное устройство для диагностики заболеваний пищевода, желудка и двенадцатиперстной кишки, инфицированных генами бактерии ndm-1 и их мутациями содержит эзофагогастродуоденоскоп, две группы оптических волокон, источник излучения, спектрометр, персональную ЭВМ, цветную видеокамеру, а также имитатор патологии и имитатор нормы. Автоматизированное устройство осуществляет диагностику в реальном режиме времени (в течение нескольких минут). Применение предложенного автоматизированного устройства для диагностики заболеваний пищевода, желудка и двенадцатиперстной кишки, инфицированных генами бактерии NDM-1 и их мутациями, позволит снизить смертность среди населения, своевременно начать лечение этих опасных разновидностей заболеваний желудочно-кишечного тракта, резистентных к современным антибиотикам (например, с помощью соответствующих бактериофагов).
Полезная модель относится к медицинской технике и может быть использована в эндоскопической люминесцентной диагностике заболеваний пищевода, желудка и двенадцатиперстной кишки, вызванных или отягощенных генами бактерии NDM-1 и их мутациями.
Сложность борьбы с вновь появляющимися патологическими генами возбудителей инфекционных заболеваний, в частности генами бактерии NDM-1, обусловлена произошедшими в мире значительными социально-экономическими изменениями. Тесная мировая экономическая интеграция привела к увеличению интенсивности грузовых и людских перевозок, что определяет возможность быстрого распространения возбудителя на территории разных стран и континентов. Кроме того, данные гены, как правило, характеризуются большей устойчивостью к существующим средствам защиты и способностью к мутации. Поэтому возникла проблема ранней и моментальной диагностики, в частности, заболеваний пищевода, желудка и двенадцатиперстной кишки, вызванных или отягощенных генами бактерии NDM-1 и их мутациями. Обычные заболевания желудочно-кишечного тракта (гастриты, язвы, и т.п.), инфицированные указанными генами, не лечатся обычными лекарствами.
Глава Европейского бюро ВОЗ в 2010 г. сообщила, что пока у экспертов ВОЗ еще слишком мало данных о новой супербактерии, однако планируется проведение тщательных исследований на сей счет. В настоящее время исследования бактерии NDM-1 активно ведутся, в основном, микробиологами Великобритании, Канады, США, России, Финляндии, Бельгии, Нидерландов, Австралии и других стран.
Ближайшим аналогом для заявленной полезной модели - устройства для диагностики заболеваний пищевода, желудка и двенадцатиперстной кишки, вызванных (или отягощенных) генами бактерии NDM-1 и их мутациями, является комплект средств микробиологических исследований, так как кроме бактерии NDM-1, обнаруживают более десятка для обнаружения ряда бактерий, в том числе NDM-1 (US 2012 0129180 A1,24.05.2012), позволяющий производить отбор биологических образцов и проведение ряда достаточно универсальных других бактерий.
Однако указанное устройство - прототип обладает рядом недостатков:
низкая автоматизация;
продолжительное время анализа, из-за чего результаты диагностики бактерии получаются через сутки.
Ввиду экстраординарности мировой ситуации с распространением указанного гена бактерии NDM-1 во многих странах (к сегодняшнему дню больных, инфицированных бактерией NDM-1, нашли уже в Великобритании, Австралии, Канаде, США, Нидерландах и Швеции), на повестку дня ставится уникальная задача массовой моментальной диагностики наличия поражения генами бактерии NDM-1 (а в дальнейшем и их мутантами).
Технической задачей настоящей полезной модели является устранение отмеченных недостатков прототипа.
Техническим результатом заявленной полезной модели, обеспечивающим решение указанной задачи является улучшение технических и эксплуатационных характеристик устройства - прототипа в части определения в режиме реального времени поражения генами бактерии NDM-1 и их мутациями больного заболеваниями пищевода, желудка и двенадцатиперстной кишки.
Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем. что автоматизированное устройство для диагностики заболеваний пищевода, желудка и двенадцатиперстной кишки, инфицированных генами бактерии NDM-1 и их мутациями согласно полезной модели содержит конструктивно объединенные канал освещения с окуляром и объективом и инструментальный канал эзофагогастродуоденоскопа, две группы оптических волокон, группу управляемых источников оптических воздействий, персональную ЭВМ, информационный выход которой является информационным выходом устройства, цветную видеокамеру, информационными выходами соединенную с информационными входами персональной ЭВМ, спектрометр, имитатор патологии и имитатор нормы, 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, причем имитатор патологии и имитатор нормы выполнены с возможностью показаний имитации соответственно различного вторичного флуоресцентного свечения от видов патологии и не инфицированной NDM-1 слизистой 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, выходы оптических волокон второй группы подключены к оптическому входу спектрометра, информационные выходы которого через USB-порт подключены к информационным входам персональной ЭВМ, второй и третий управляющие выходы которой подключены соответственно к входу запуска спектрометра и к входу запуска цветной видеокамеры, а на внешней боковой поверхности волокон второй группы нанесены металлизированные нанопокрытия.
На фиг, 1 дана схема предлагаемого устройства.
Автоматизированное устройство для диагностики заболеваний пищевода, желудка и двенадцатиперстной кишки, инфицированных генами бактерии NDM-1 и их мутациями содержит конструктивно объединенные канал освещения 1 с окуляром 2 и объективом 3 и инструментальный канал эзофагогастродуоденоскопа 4, 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 металлизированные нанопокрытия. Выходы второй группы оптических волокон 9 связаны с волоконным входом спектрометра 8, информационные выходы которого через USB-порт соединены с информационными входами персональной ЭВМ 7, первый 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 б 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 10 совмещен с окуляром 2. Второй и третий управляющие выходы персональной ЭВМ 7 подключены соответственно к входу запуска спектрометра 8 и к входу запуска цветной видеокамеры 10. для оперативной проверки работоспособности устройства оно содержит имитатор патологии 11 и имитатор нормы 12, к которым во время режима проверки работоспособности обеспечивается оптическая связь с входами 13 и выходами 14 устройства.
На фиг.1 под позицией 15 обозначена обследуемая поверхность слизистой.
Управляемые источники 5 оптических воздействий предназначены для формирования излучения в ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном диапазоне длин волн, а параметры излучения (например, интенсивность излучения, спектр, доза облучения, продолжительность сеанса), задаются от персональной ЭВМ 7.
В группе управляемых источников 5 оптических воздействий могут быть использованы, например, ультрафиолетовый излучатель, инфракрасные полупроводниковые диоды, светодиоды красного, синего цвета 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 импульсов светового излучения).
Имитаторы патологии 11 и нормы 12 могут быть выполнены, например, в виде цилиндрических стаканов, на дне которых помещены разные оптические среды, дающие различное вторичное флуоресцентное свечение при подаче на них зондирующего излучения. Имитатор патологии 11 является моделью вторичного флуоресцентного свечения от патологической ткани слизистой (пораженной генами бактерии NDM-1). Имитатор нормы 12 является моделью вторичного флуоресцентного свечения от неинфицированной NDM-1 слизистой (с максимумом обычно в коротковолновой части видимого диапазона длин волн с интенсивностью сигналов отклика от зондирующего сигнала на порядок меньше по сравнению с имитатором патологии). Основное требование к моделям - обеспечение достаточно большого динамического диапазона уровней вторичного флуоресцентного свечения при подаче зондирующего излучения.
В режиме визуального наблюдения видимый свет от источника 5, через канал освещения 1 и объектив 3 освещает участок обследуемой поверхности 15 слизистой больного.
В режиме диагностики объектив 3 остается ориентированным на обследуемую поверхность 15 слизистой. В инструментальный канал эзофагогастродуоденоскопа 4 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 15 слизистой. Зондирующее излучение поступает на исследуемый участок поверхности 15 слизистой, где возникает вторичное флуоресцентное свечение.
Для проведения точечной диагностики выбранного подозреваемого участка обследуемой поверхности 15 через инструментальный канал эзофагогастродуоденоскопа 4 к точкам этого участка обследуемой поверхности поочередно подводят выход 14 оптических волокон 6. Сигналы вторичного флуоресцентного 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 вторичного флуоресцентного свечения от патологической (инфицированной генами бактерии NDM-1 и их мутациями) и не инфицированной NDM-1 (норма) слизистой различаются. Они также различаются для различных мутаций генов бактерии NDM-1. 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 7 в этом режиме состоит в следующем.
Весь диапазон длин волн вторичного флуоресцентного свечения разбивается на дискретные участки, определяемые разрешающей способностью спектрометра 8.
Ранее в результате многократных облучений калибровочных образцов генов бактерии NDM-1 и их мутаций, полученных от ВОЗ, и образцов не инфицированных генами бактерией NDM-1 и их мутациями слизистой (норма) получают характерные устойчивые сочетания уровней сигналов вторичного флуоресцентного свечения (спектральные образы) для каждого вида патологии и для нормы - диагностические критерии. При этом ансамбли калибровочных спектральных образов для разных подтипов генов бактерии и нормы различны и соответствуют выражению:
где J - вид состояния, которому соответствует диагностический критерий (1 - нормальная ткань слизистой (не пораженная бактериями), 2 - гены бактерии NDM-1, 3,
, n - их мутации).
В результате сравнения полученных спектральных образов от обследуемой слизистой больного Pотн (
i) со спектральными образами диагностических критериев Po отнJ (i), например, по методу наименьших квадратов, формируется оценка наиболее вероятностного состояния исследуемой слизистой 15 больного по соотношению:
где n - число дискретных участков длин волн (определяемое разрешающей способностью спектрометра); которая выдается на экран монитора.
По минимальному значению Rj принимается автоматически решение о состоянии исследуемой поверхности 15 слизистой (пораженной генами бактерии NDM-1 и их мутациями (патология) или нет (норма).
Соотношения (1) и (2) являются алгоритмом работы персональной ЭВМ 7. При помощи персональной ЭВМ 7 также осуществляется управление запуском определенного излучателя источника 5, запуском спектрометра 8 на измерение и запуском цветной видеокамеры 10.
Для обеспечения измерения в информативный период времени после подачи зондирующего сигнала производится запуск цикла измерений по управляющим воздействиям от персональной ЭВМ 7.
Сигналы на первом, втором и третьем управляющих выходах персональной ЭВМ 7 представляют одну и ту же последовательность импульсов, задержанных относительно другой последовательности на величину срабатывания элементов, на которые подаются сигналы предыдущей последовательности.
Первым сигналом на третьем управляющем выходе ЭВМ 7 является сигнал запуска цветной видеокамеры 10. После этого на первом управляющем выходе персональной ЭВМ 7 с заданной задержкой появляется подобная импульсная последовательность на запуск выбранного источника 5, с заданной и программируемой задержкой (определяемой задержкой появления вторичной флуоресценции) по отношению к моменту запуска источника 5 эта же последовательность поступает на вход запуска спектрометра 8 (с второго управляющего выхода персональной ЭВМ 7). Благодаря съемке изъязвленного инфицированного участка слизистой больного, на который воздействует зондирующее воздействие от источника 5, осуществляемой цветной видеокамеры 10, производится фиксация места обследования слизистой данного больного в данном кадре видеосъемки. При обнаружении патологического (инфицированного бактерией) участка слизистой или по команде врача кадр с видеоизображением этого участка заносится в память персональной ЭВМ 7. Информация с выходов спектрометра 8 поступает на информационные входы персональной ЭВМ 7. Результаты диагноза по выражениям (1) и (2) выдаются на дисплей персональной ЭВМ и могут быть выведены на печать в виде диагностического заключения.
В качестве эндоскопа в данном устройстве может быть использован любой эзофагогастродуоденоскоп, например, фирмы Olympus (Япония).
В качестве спектрометра 8 в устройстве можно использовать, например, российский миниспектрометр FSD-03-08, монолитная конструкция которого включает волоконный вход, вогнутую дифракционную решетку, высокочувствительную фотодиодную 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 спектрометром и 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 тех случаях, когда мал уровень вторичного флуоресцентного свечения от обследуемой поверхности, и есть вероятность, что имеет место дефект в оптоэлектронных трактах, поочередное помещение дистального торца волоконно-оптического жгута (в котором уложены приемные оптические волокна 9 второй группы и излучающие оптические волокна 6 первой группы) в имитатор патологии и в имитатор нормы позволяет (при исправной работе устройства) зафиксировать поочередно диагноз «патология» и «норма». Таким образом, обеспечивается оперативная проверка работоспособности устройства в широком динамическом диапазоне.
Введение спектрометра позволило повысить разрешающую способность анализа сигналов вторичного флуоресцентного свечения во всем диапазоне длин волн.
Введение металлизированных нанопокрытий на внешней поверхности волокон второй группы позволило повысить помехозащищенность устройства (устранить реагирование на изменения освещенности в медицинском кабинете). При этом удается уложиться в ограничения по внешнему диаметру волоконно-оптического жгута (ВОЖ), обусловленные конечным внутренним диаметром (2 мм) инструментального канала эзофагогастродуоденоскопа.
Диагностическое зондирующее ультрафиолетовое излучение угнетает бактерии NDM-1 и обладает некоторым терапевтическим воздействием.
Основным техническим результатом, достигаемым при использовании заявленной полезной модели, является оперативное (в режиме реального времени) определение поражения генами бактерии NDM-1 (а в дальнейшем и их мутациями) слизистой больного заболеваниями желудочно-кишечного тракта, резистентными к антибиотикам. После введения эзофагогастродуоденоскопа в желудочно-кишечный тракт результаты диагностики автоматически получаются в течение нескольких миллисекунд.
Полученный мультипликативный эффект не является простой суммой эффектов от вновь введенных составных частей полезной модели, а является результатом их совместной работы по единой методике, рассмотренной ранее.
Применение предложенного автоматизированного устройства для диагностики заболеваний пищевода, желудка и двенадцатиперстной кишки, инфицированных генами бактерии NDM-1 и их мутациями, позволит снизить смертность среди населения, своевременно начать лечение этих опасных разновидностей заболеваний желудочно-кишечного тракта, резистентных к современным антибиотикам (например, с помощью соответствующих бактериофагов).
Автоматизированное устройство для диагностики заболеваний пищевода, желудка и двенадцатиперстной кишки, инфицированных генами бактерии NDM-1 и их мутациями, отличающееся тем, что содержит конструктивно объединенные канал освещения с окуляром и объективом и инструментальный канал эзофагогастродуоденоскопа, две группы оптических волокон, группу управляемых источников оптических воздействий, персональную ЭВМ, информационный выход которой является информационным выходом устройства, цветную видеокамеру, информационными выходами соединенную с информационными входами персональной ЭВМ, спектрометр, имитатор патологии и имитатор нормы; первый 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, причем имитатор патологии и имитатор нормы выполнены с возможностью показаний имитации соответственно различного вторичного флуоресцентного свечения от видов патологии и не инфицированной NDM-1 слизистой 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, выходы оптических волокон второй группы подключены к оптическому входу спектрометра, информационные выходы которого через USB-порт подключены к информационным входам персональной ЭВМ, второй и третий управляющие выходы которой подключены соответственно к входу запуска спектрометра и к входу запуска цветной видеокамеры, а на внешней боковой поверхности волокон второй группы нанесены металлизированные нанопокрытия.
