Автоматизированное устройство для диагностики онкопатологий мочеиспускательного канала и предстательной железы
Изобретение относится к медицинской технике, в частности к люминесцентным эндоскопическим исследованиям мочеполовой системы, и может быть использовано для диагностики онкопатологий мочеиспускательного канала и предстательной железы на ранних стадиях (без применения фотосенсибилизаторов). Устройство содержит уретроскоп, 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. Изобретение 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 мужчин детородного возраста с применением данных устройств позволят положительно повлиять на демографическую ситуацию в России.
Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в эндоскопической люминесцентной диагностике ранних стадий онкологических заболеваний мочеиспускательного канала и предстательной железы.
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 предлагаемому изобретению 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 предлагаемому изобретению 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 излучение, воспринимаемое оптическими волокнами первой группы. Данное устройство выгодно отличается от предыдущего отсутствием отмеченных недостатков и высокой степенью автоматизации.
Однако, при эндоскопических люминесцентных исследованиях мочеиспускательного канала и предстательной железы, интенсивности зондирующего излучения (и тем более) уровни вторичного люминесцентного свечения очень малы и необходимо периодически (в начале рабочего дня и через несколько сеансов) оперативно проверять работоспособность устройства. 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. Отсюда в заявляемом изобретении пришлось решать проблему учета взаимно противоречивых требований (сокращение числа и толщины волокон, эффективный прием слабых сигналов вторичного люминесцентного свечения, обеспечение помехозащищенности).
Цель изобретения - улучшение технических и эксплуатационных характеристик устройства для диагностики онкопатологий мочеиспускательного канала и предстательной железы в части увеличения разрешающей способности спектрального анализа вторичного люминесцентного излучения, оперативного контроля работоспособности устройства и увеличения помехозащищенности.
Цель достигается тем, что автоматизированное устройство для диагностики онкопатологий мочеиспускательного канала и предстательной железы, 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, дополнительно содержит цветную видеокамеру, спектрометр, имитатор патологии и имитатор нормы, которые выполнены с возможностью показаний имитации соответственно различного вторичного люминесцентного свечения от патологической и здоровой тканей 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, причем на внешней боковой поверхности волокон второй группы нанесены металлизированные нанопокрытия.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом (на фиг.1 дана схема предлагаемого устройства).
Автоматизированное устройство для диагностики онкопатологий мочеиспускательного канала и предстательной железы содержит конструктивно объединенные канал освещения 1 с окуляром 2 и объективом 3 и инструментальный канал 4 эндоскопа, группу 5 управляемых источников оптических воздействий, спектрометр 6, персональную ЭВМ 7, две группы оптических волокон 8 и 9, имитатор патологии 10, имитатор нормы 11. Входы оптических волокон второй группы 9 являются оптическими входами 13 устройства. Выходы оптических волокон второй группы 9 связаны с входами спектрометра 6, выходы которого подключены к информационным входам персональной ЭВМ 7. Управляющие выходы персональной ЭВМ 7 соединены с входами группы 5 управляемых источников оптических воздействий. Выходы группы 5 управляемых источников оптических воздействий оптически связаны с входами первой группы оптических волокон 8, выходы которой являются оптическими выходами устройства 14. На фиг.1 под позицией 15 обозначена обследуемая поверхность.
В качестве эндоскопа в данном устройстве может быть использован любой уретроскоп. 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).
Имитаторы патологии 10 и нормы 11 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 излучения от патологической ткани (обычно в середине видимого диапазона длин волн). Имитатор нормы является моделью вторичного люминесцентного излучения от здоровой ткани (обычно в коротковолновой части видимого диапазона длин волн с интенсивностью сигналов отклика от зондирующего сигнала на порядок меньше по сравнению с имитатором патологии).
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, 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 (уретроскопа) 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 уретроскопа 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. Флуоресцентные сигналы, возбуждаемые на обследуемой поверхности под воздействием зондирующего излучения из волокон 6, через волокна второй группы 9 поступают на входы спектрометра 8. Распределения интенсивностей (уровней) спектральных составляющих флуоресцентных сигналов 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 флуоресцентного 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 уретроскопа, спектральные образы Ротн(
i) формируются из нормализированных амплитуд как отношение частных значений уровней спектральных составляющих к максимальному значению в данном цикле измерения
Ранее в результате многократных облучений калибровочных образцов патологических и нормальных тканей получают устойчивые сочетания относительных значений уровней сигналов флуоресцентного свечения для характерного (ярко выраженного) вида патологии и для нормы - диагностические критерии Р0 отнj(i), где J - вид состояния, которому соответствует диагностический критерий (1 - нормальная ткань, 2 - злокачественная опухоль). Онкопатология этого множества образцов тканей предварительно подтверждается цитологическими исследованиями.
В результате сравнения полученных спектральных образов Ротн (i) с спектральными образами диагностических критериев Р 0отнj(i) по методу наименьших квадратов формируется оценка наиболее вероятностного состояния исследуемой поверхности по соотношению
где n - число дискретных участков длин волн (определяемое разрешающей способностью спектрометра), которая выдается на экран.
По минимальному значению Rj принимается автоматически решение о состоянии исследуемой поверхности.
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 задержкой (определяемой задержкой появления вторичной люминесценции) по отношению моменту запуска источника 5 эта же последовательность поступает на спектрометр 8 (с второго управляющего выхода персональной ЭВМ 7). Благодаря съемке патологически измененного участка исследуемой ткани, на который воздействует зондирующее излучение от источника 5, осуществляемой цветной видеокамерой 10, производится фиксация места обследования в данном кадре видеосъемки. При обнаружении онкопатологии или по команде врача кадр с изображением участка исследуемой ткани заносится в память персональной ЭВМ 7. Накопление в памяти персональной ЭВМ 7 кадров за несколько последовательных сеансов обследования или лечения позволяет более точно оценить динамику развития процесса лечения. Только в случае постановки диагноза наличия онкопатологии в участке исследуемой ткани показано взятие биопсии образца ткани для подтверждения цитологическими исследованиями. Результаты диагноза выдаются на дисплей персональной ЭВМ и могут быть выведены на печать в виде диагностического заключения.
Устройство может работать в режиме светового терапевтического воздействия, который 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 производится обход волокнами первой группы 6 всех точек наблюдаемого ранее участка обследуемой поверхности. По результатам диагностики состояния каждого локального участка поверхности, (на основе заданных параметров светового терапевтического воздействия), от персональной ЭВМ на управляемые источники 5 подаются соответствующие управляющие сигналы. Под действием этих сигналов заданное излучение от выбранного источника из группы 5 через соответствующие дополнительные оптические волокна первой группы 6 воздействует на локальный участок поверхности, являющийся объектом светового терапевтического лечения.
В качестве эндоскопа в данном устройстве может быть использован любой уретроскоп.
В качестве спектрометра 8 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. Минипектрометр 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 отклик (вторичного люминесцентного 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.
В устройстве-прототипе, как указывалось ранее, было ограниченное число спектрометрических датчиков, 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.
Введение в устройство 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 решить отмеченную ранее проблему и повысить помехозащищенность устройства (устранить реагирование на изменения освещенности в медицинском кабинете). При этом удается уложиться в ограничения по внешнему диаметру волоконно-оптического жгута, обусловленные конечным внутренним диаметром инструментального канала уретроскопа.
Полученный мультипликативный эффект не является простой суммой эффектов от вновь введенных составных частей устройства, а является результатом их совместной работы по единой методике, рассмотренной ранее.
1. Автоматизированное устройство для диагностики онкопатологий мочеиспускательного канала и предстательной железы, 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, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит цветную видеокамеру, спектрометр, имитатор патологии и имитатор нормы, которые выполнены с возможностью показаний имитации соответственно различного вторичного люминесцентного свечения от патологической и здоровой тканей при подаче на них зондирующего излучения от источника излучения, а также с возможностью их поочередного оптического подключения 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, 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, превышение интенсивности спектральных составляющих по крайней мере в три раза относительно интенсивности спектральных составляющих имитатора нормы.
