СПОСОБ ОПТИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ СОСТОЯНИЯ СУСТАВОВ
METHOD OF OPTIC DETECTION AND DEVICE FOR OPTIC DETECTION OF JOINT STATE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу оптического обнаружения и устройству для оптического обнаружения состояния суставов.
Предшествующий уровень техники
В контексте настоящей заявки, термин "свет" следует понимать как неионизирующее электромагнитное излучение, в частности, имеющее длину волн в диапазоне между 400 нм и 1400 нм. Термин "часть тела" означает часть тела человека или животного. Термин "блокирование" охватывает как полное блокирование, так и блокирование в значительной степени.
Вообще, настоящее изобретение относится к оптическому обнаружению состояния суставов, в частности, к оптическому обнаружению заболеваний суставов, таких как ревматоидный артрит (RA) лечение таких заболеваний суставов осуществляют поэтапно. Обычно, сначала пациент получает болеутоляющие средства. Затем часто следуют нестероидные противовоспалительные лекарственные препараты (NSAID) и базисные противоревматические препараты (DMARD), модифицирующие течение заболевания. Во многих случаях, завершающим этапом лечения лекарственными препаратами является использование биологической терапии. В частности, последняя категория является дорогостоящей, и лечение может стоить десятки тысяч долларов в год для каждого пациента, в дополнение, лекарственные препараты, используемые на последних этапах лечения, часто вызывают более серьезные побочные эффекты. В отношении таких заболеваний суставов, специалисты-медики основывают свои решения по изменению терапии на активности заболевания, которая оценивается по числу и тяжести воспаленных суставов.
Поскольку ревматоидный артрит является прогрессирующим заболеванием, и ранняя диагностика и начало лечения могут помочь отсрочить проявление побочных эффектов и высокую стоимость лечения, то существует необходимость в способах и устройствах для обеспечения достаточной информацией о состоянии суставов, которые помогают медику делать выводы с учетом фактического состояния суставов.
В измерениях, зависящих от времени, с использованием безадресных флуоресцентных красителей, принимаемых пациентом, было обнаружено, что динамика кровоснабжения в пораженных болезнью суставах отличается по сравнению с нормальными здоровыми суставами. Однако, в клинической практике ревматологов, прием контрастных веществ практически невозможен в большинстве случаев.
В качестве альтернативы, предлагалось использовать диффузную оптическую томографию (DOT) для визуализации суставов для получения информации об их состоянии. В исследовательском проекте венозный кровоток в части тела временно затруднялся посредством манжеты для измерения давления, и при использовании DOT создавалось изображение одного сустава. В таких исследованиях было обнаружено, что существуют оптические параметры, связанные с наличием ревматоидного артрита (RA).
Например, известно, что воспаление можно распознать по изменению кровоснабжения. компоненты крови, а именно, и гемоглобин, насыщенный кислородом, и дезоксигемоглобин, имеют индивидуальные оптические характеристики в сравнении с другими компонентами тела человека или животного и, таким образом, в принципе могут быть оптически выявлены.
US 6424859 В2 раскрывает способ спектроскопии ближнего ИК-диапазона для оценки состояния сустава. Результаты спектроскопических измерений сравниваются с данными из базы данных, в которой хранятся результаты измерений для множества артритических и здоровых суставов. Однако данный способ не дает возможности удовлетворительно разделять сигналы, вызываемые кровью, и сигналы от других источников в теле. Далее, данный способ не позволяет отделять характерные особенности сустава от ткани, такой как кожа, жир и т.д.
На данный момент не существует удовлетворительного средства, которое помогало бы специалистам-медикам в раннем обнаружении заболеваний суставов или, более конкретно, в количественном и объективном выявлении воспаленных суставов. То же самое справедливо и для мониторинга активности заболевания, нет инструмента для быстрого, объективного и количественного выявления активности заболевания (степени воспаления суставов).
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение способа оптического обнаружения и устройство для оптического обнаружения состояния суставов, которые предоставляют информацию о состоянии суставов, дающую возможность раннего обнаружения заболеваний суставов и позволяющую наблюдать активность заболевания. способ оптического обнаружения и устройство для оптического обнаружения состояния суставов обеспечит достаточную информацию с тем, чтобы способствовать специалисту-медику в принятии решения в отношении состояния сустава и активности заболевания, соответственно.
Поставленная задача решается посредством способа оптического обнаружения по пункту 1 Формулы изобретения. Согласно способу оптического обнаружения, часть тела, содержащая, по меньшей мере, один сустав, облучается светом, и определяется местное ослабление света частью тела как измерения ослабления в положении, по меньшей мере, одного сустава и положении, по меньшей мере, еще одного участка части тела. Кровоток в часть тела и/или из части тела временно, по меньшей мере, частично, блокируется и в дальнейшем открывается снова. Индивидуальные измерения местного ослабления для, по меньшей мере, одного сустава и для, по меньшей мере, еще одного участка части тела выполняются для, по меньшей мере, двух случаев: до, во время и после блокирования кровотока. Измерения до и после блокирования кровотока могут дать существенную информацию, только потому, что телу может требоваться значительное время (более 5 минут) для того, чтобы полностью восстановиться и вернуться к тем же самым характеристикам пропускания, как до измерения. Поскольку ослабление света, используемого для облучения, определяется местно для двух различных позиций, по меньшей мере, одна из которых является суставом, можно выявить различия в оптических характеристиках, по меньшей мере, одного сустава по сравнению с, по меньшей мере, еще одним участком части тела. Так как индивидуальные измерения местного ослабления выполняются до и во время блокирования кровотока, до и после блокирования кровотока, и/или во время и после блокирования кровотока, можно определить реакцию, по меньшей мере, одного сустава на изменения в кровотоке в сравнении с, по меньшей мере, еще одним участком части тела. Во время воспаления сустава изменяются количество и свойства кровеносных сосудов (капилляров) в суставе. Этот эффект, вместе с характерным поглощением света кровью, используется для измерения состояния сустава. Благодаря измерениям при различных условиях кровотока, сигнал, вызываемый кровью, может быть отделен от сигналов от других источников ослабления света в теле. Поскольку измеряют, по меньшей мере, один сустав и, по меньшей мере, еще один участок части тела (например, соседний с суставом), то получают результаты, характерные для сустава, а влияние тканей, присутствующих как в суставе, так и в еще одном участке части тела (таких как жир, кожа и т.д.), может быть отделено. В результате может быть получен сигнал, который является характерным для изменений в составе крови сустава. Отдельное измерение для определения структуры (например, кость, жир, кожа и т.д.) части тела можно исключить. Как следствие, специалисту-медику предоставляется ценная информация о состоянии сустава и/или активности заболевания. Необходимо отметить, что не требуется полного блокирования кровотока, достаточным является выраженное частичное сокращение кровотока.
Предпочтительно, индивидуальные измерения местного ослабления для, по меньшей мере, одного сустава и для, по меньшей мере, еще одного участка части тела выполняются во всех трех интервалах до, во время и после блокирования кровотока. В данном случае, обеспечивается еще более полная информация о состоянии, по меньшей мере, одного сустава.
Если, по меньшей мере, еще один участок части тела является другим суставом, можно сравнить реакцию разных суставов на изменения в кровотоке и обеспечить информацию о различиях в состоянии нескольких суставов.
Предпочтительно, для, по меньшей мере, одного сустава и для, по меньшей мере, еще одного участка части тела выполняются непрерывные индивидуальные измерения местного ослабления до блокирования кровотока, во время блокирования кровотока и после блокирования кровотока. В данном случае, благодаря непрерывным измерениям, обеспечивается точная информация о моменте времени реакции на изменения в кровотоке для, по меньшей мере, одного сустава и для, по меньшей мере, еще одного участка.
Если результаты индивидуальных измерений местного ослабления для, по меньшей мере, одного сустава и для, по меньшей мере, еще одного участка части тела, полученные, по существу, одновременно, сравниваются друг с другом, то эффективным образом обеспечиваются различия в реакции между, по меньшей мере, одним суставом и, по меньшей мере, еще одним участком.
Предпочтительно, кровоток блокируется посредством применения давления. Таким образом, предусматривается простой и удобный способ затруднения кровотока.
В соответствии с одним аспектом, во время проведения индивидуальных измерений местного ослабления, часть тела погружается в оптически соответствующую среду. В данном случае, снижаются влияние оптических границ и динамический диапазон интенсивности света, действию которых подвержен детектор.
Далее, задача изобретения решается посредством устройства для оптического обнаружения состояния суставов по пункту 8 формулы изобретения. Устройство содержит: измерительный модуль для облучения светом части тела, содержащей, по меньшей мере, один сустав, и местного выявления ослабления света в, по меньшей мере, одном суставе и, по меньшей мере, еще одном участке части тела; модуль блокирования кровотока для блокирования тока крови в часть тела и/или из части тела; и блок управления. Блок управления управляет устройством таким образом: кровоток в часть тела и/или из части тела временно, по меньшей мере, частично, блокируется и в дальнейшем открывается снова; и индивидуальные измерения местного ослабления для, по меньшей мере, одного сустава и для, по меньшей мере, еще одного участка части тела выполняются для, по меньшей мере, двух случаев: до, во время и после блокирования кровотока. Устройство обеспечивает преимущества, описанные выше в отношении способа.
Если модуль блокирования кровотока приспособлен блокировать ток крови путем применения давления, данные преимущества можно реализовать простым и удобным способом.
Если измерительный модуль содержит модуль источника света, испускающий свет, по меньшей мере, двух различных длин волн, одна длина волны может быть выбрана так, чтобы кровь имела высокое поглощение, а другая длина волны может быть выбрана так, чтобы поглощение кровью было низким или соизмеримым с окружающей тканью. Таким образом, обеспечивается более подробная информация о кровоснабжении, по меньшей мере, одного сустава и, по меньшей мере, еще одного участка части тела, которая может быть проанализирована, чтобы оценить состояние, по меньшей мере, одного сустава.
Предпочтительно, модуль источника света содержит, по меньшей мере, два лазера. В данном случае, обеспечиваются строго определенные длины волн, и различия в кровоснабжении могут быть обнаружены с высокой точностью.
Предпочтительно, устройство является медицинским устройством для оптического обнаружения.
Краткое описание чертежей
Дальнейшие особенности и преимущества настоящего изобретения обусловлены подробным описанием вариантов осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 схематически изображает систему для оптического обнаружения состояния суставов, согласно варианту осуществления;
Фиг.2 схематически изображает детали измерительного модуля, согласно варианту осуществления;
Фиг.3 схематически изображает кисть руки человека в качестве примера части тела с указанными позициями суставов;
Фиг.4 изображает пример измерения ослабления как функцию времени;
Фиг.5 схематически изображает результаты одновременных индивидуальных измерений местного ослабления для двух суставов и еще одного участка части тела, не являющегося суставом.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Далее будет описываться вариант осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи. На Фиг.1 схематически представлена система для оптического обнаружения состояния суставов. На чертеже, тело 4 человека схематически показано как туловище, а кисть руки представляет собой исследуемую часть 5 тела. Однако, следует отметить, что данное изобретение не ограничено человеческим телом и, например, тело животного также может быть подвергнуто исследованию. Кроме того, часть 5 тела не ограничена кистью руки, но также может представлять собой другую часть тела, содержащую, по меньшей мере, один сустав 6, например, руки, ноги, ступни и т.д.
В представленном варианте осуществления, устройство для оптического обнаружения состояния суставов содержит измерительный модуль 2, модуль 3 блокирования кровотока и блок 1 управления. Блок 1 управления предусмотрен для управления работой устройства и сбора данных, измерительный модуль 2 предусмотрен для облучения светом участков исследуемой части 5 тела и измерения местного ослабления света в различных позициях части 5 тела. Например, в представленном варианте осуществления, измерительный модуль 2 образован измерительной головкой, которая будет описана более подробно ниже. модуль 3 блокирования кровотока предусмотрен для временного блокирования тока крови в исследуемую часть 5 тела и/или из исследуемой части 5 тела. В данном варианте осуществления, модуль 3 блокирования кровотока выполнен в виде манжеты для измерения давления, охватывающей ту руку, кисть которой исследуется, и затрудняющей кровоток путем приложения давления к верхней части руки. Следует отметить, что модуль 3 блокирования кровотока может действовать иначе, с целью дать возможность временно, по меньшей мере, частично, блокировать ток крови в части 5 тела и/или из частей 5 тела, отличных от кисти.
Конструкция измерительного модуля 2, согласно варианту осуществления, будет описана более подробно со ссылкой на Фиг.2.
Измерительный модуль 2, схематически представленный на Фиг.2, предназначен для измерений ослабления в геометрии пропускания. Измерительный модуль 2 содержит модуль 21 источника света, испускающий луч света для облучения части 5 тела. Модуль 21 источника света содержит, по меньшей мере, один источник света и соответствующие оптические волноводы для направления луча света на часть 5 тела. Источник света может быть образован посредством лампы либо посредством одного или более лазеров, а оптические волноводы могут, например, быть сформированы из оптического стекловолокна. Модуль 21 источника света предназначен для испускания света, по меньшей мере, двух различных длин волн, предпочтительно, в диапазоне от красного до ближнего инфракрасного света, в котором одна длина волны выбирается таким образом, чтобы кровь имела высокое поглощение, а другая длина волны выбирается так, чтобы поглощение кровью было низким или соизмеримым с окружающей тканью. Подходящие длины волн составляют, например, 600 нм и 805 нм, но и другие длины волн, удовлетворяющие данным критериям, также возможны. Длины волн в диапазоне от 550 до 980 нм являются, в частности, подходящими. Далее, предусмотрен оптический компонент 22, который, например, может быть образован линзой, для направления света на часть 5 тела. оптический компонент 22 способен концентрировать свет (свет 25 облучения) на определенной области, которая представляет интерес (или на нескольких определенных областях, представляющих интерес, то есть на конкретных позициях), части 5 тела, как будет описываться ниже. Второй оптический элемент 23 предусмотрен для того, чтобы собирать свет, выходящий из упомянутой определенной области (или областей), представляющей интерес, и направлять собранный свет 26 на детектирующий элемент 24. Детектирующий элемент 24 может представлять собой, например, фотодиод, CCD, оптический волновод, такой как оптоволокно, соединенное с фотодиодом, или другую систему регистрации света, известную из уровня техники.
Может применяться измерительный модуль 2, предназначенный для проведения индивидуальных измерений местного ослабления для, по меньшей мере, двух различных участков части 5 тела.
Блок 1 управления предназначен для управления, по меньшей мере, частичным блокированием кровотока в часть 5 тела и/или из части 5 тела посредством модуля 3 блокирования кровотока. Далее, он управляет измерительным модулем 2 так, что измерения местного ослабления осуществляются до блокирования кровотока (интервал I на Фиг.4), измерения местного ослабления (в тех же позициях) осуществляются во время блокирования кровотока (интервал II на Фиг.4), и измерения местного ослабления (в тех же позициях) осуществляются после восстановления кровотока (интервал III на Фиг.4).
На Фиг.4 представлен пример измерений ослабления (измерений оптической интенсивности) в динамике по времени на суставе пальца как конкретной области, представляющей интерес, перед блокированием кровотока (I), во время блокирования кровотока (II; "пережатие") и после блокирования кровотока (III). Можно видеть, что измерения ослабления в трех временных интервалах (до (I), во время (II) и после (III) пережатия) выполняются непрерывно для достижения результатов измерения с временным разрешением. Можно видеть, что измеряемая интенсивность падает после блокирования кровотока и снова возрастает после восстановления тока крови. Однако, величина падения и временное соотношение между блокированием/восстановлением кровотока и изменением измеряемой интенсивности предоставляет важную информацию о состоянии исследуемого сустава 6.
В соответствии с данным изобретением, измерения ослабления осуществляются не только для одного сустава 6, но, по меньшей мере, один сустав и, по меньшей мере, еще один участок исследуемой части тела измеряются одновременно, то есть в рамках одного цикла нормального тока крови (I), затруднения кровотока (II) и восстановления кровотока (III). Это достигается посредством одновременного проведения индивидуальных измерений местного ослабления в месте расположения, по меньшей мере, одного сустава 6 и в месте расположения, по меньшей мере, еще одного участка части 5 тела, по меньшей мере, еще одним участком части 5 тела может быть другой сустав или участок, не являющийся суставом и служащий в качестве исходного участка. Для каждой из позиций, измерения ослабления выполняются для, по меньшей мере, двух различных длин волн света облучения, для одной из которых кровь имеет высокое поглощение, а для другой поглощение кровью является низким или соизмеримым с окружающей тканью. Предпочтительно, измерения ослабления для множества суставов пациента выполняются одновременно. В предпочтительном варианте осуществления, все суставы обеих кистей рук измеряются одновременно.
В результате, согласно варианту осуществления, выполняют следующие этапы: проводят индивидуальные измерения местного ослабления для, по меньшей мере, одного сустава и для, по меньшей мере, еще одного участка части 5 тела; кровоток в исследуемую часть 5 тела временно блокируют посредством модуля 3 блокирования кровотока, и выполняют индивидуальные измерения местного ослабления для, по меньшей мере, одного сустава и для, по меньшей мере, еще одного участка; и ток крови восстанавливают, и выполняют индивидуальные измерения местного ослабления для, по меньшей мере, одного сустава и для, по меньшей мере, еще одного участка части 5 тела. В каждом из интервалов проводят несколько измерений ослабления для достижения результатов измерения с временным разрешением. Далее, зависящее от времени поведение, по меньшей мере, одного сустава и, по меньшей мере, еще одного участка части 5 тела анализируют как независимо, так и относительно друг друга. Применение измерений для, по меньшей мере, двух различных длин волн дает возможность анализа динамики кровоснабжения и насыщения крови кислородом.
Предпочтительно, множество суставов измеряют одновременно, и зависящий от времени характер изменения кривых данного множества суставов анализируют относительно друг друга. Более предпочтительно, все суставы части 5 тела измеряют одновременно. На Фиг.3 представлена кисть руки в качестве примера части 5 тела, подлежащей исследованию, и позиции суставов 6 обозначены перекрестиями (следует отметить, что ссылочными позициями представлены не все суставы). Обозначенные позиции могут использоваться как позиции для измерений местного ослабления, и, дополнительно, для исходных (эталонных) измерений ослабления могут использоваться позиции между данными обозначенными позициями.
В варианте осуществления, представленном на Фиг.1, посредством измерительного модуля 2, блок 1 управления определяет спектральные характеристики части 5 тела, содержащей суставы 6. После выполнения базовых измерений, ток крови (по меньшей мере, частично) блокируют посредством модуля 3 блокирования кровотока, измерительный модуль 2 затем выявляет спектральные изменения, связанные со сниженным кровотоком. Через некоторое время, например, через 30 секунд, ток крови восстанавливают посредством соответственных действий модуля 3 блокирования кровотока (например, отпускания манжеты для измерения давления). измерительный модуль 2 определяет, насколько быстро и в каком порядке восстанавливается кровоснабжение в суставах. Предпочтительно, возврат кровоснабжения также сравнивают между суставами и другими областями части 5 тела. Воспаленные суставы будут иметь отличающиеся кровоснабжение и насыщение кислородом по сравнению со здоровыми суставами. В результате, зависящее от времени спектральное изменение кривых, которое измеряется с помощью измерительного модуля 2, будет другим.
Фиг.5 изображает пример результатов измерений ослабления (в геометрии пропускания), выполненных одновременно. Кривая, обозначенная Т1, соответствует измерениям местного ослабления в первом суставе, кривая, обозначенная Т2, соответствует измерениям местного ослабления во втором суставе, и кривая, обозначенная R1, соответствует измерениям местного ослабления в исходной позиции, которая не обозначает сустав. Параметры A, B, C спадов кривых могут быть различными. Таким образом, может быть проанализирован один спад и также соотношение между спадами A, B, C различных кривых Т1, Т2 и R1. Воспаленные суставы могут иметь признаки высокого кровоснабжения, такие как увеличенный спад в пропускании по сравнению с другими суставами и по сравнению с исходной позицией. Также различия D, E во времени между изменениями в пропускании между кривыми Т1, Т2 и R1 могут использоваться в качестве сигнала воспаления и предоставить важную информацию.
Анализируется зависящий от времени характер изменения кривых отдельных суставов, характер изменения кривых суставов относительно друг друга и в отношении других частей (которые могут выступать в качестве исходных).
В варианте осуществления, описанном выше, измерительный модуль 2 обеспечивал измерение в геометрии пропускания, то есть часть тела облучали светом с одной стороны, а свет, прошедший сквозь часть тела, измерялся на противоположной стороне. В усовершенствованном варианте осуществления, измерительный модуль 2 может быть использован для измерений ослабления в геометрии отражения. В данном случае, облучение и обнаружение выполняются с одной и той же стороны части 5 тела. В случае геометрии отражения, оптические компоненты 22 и 23 могут быть объединены. Является предпочтительным отделение рассеянного отраженного света от освещающего света. Этого можно достигнуть, например, посредством ортогонально поляризованной спектральной визуализации (OPSI) или неяркой визуализации, либо других подходящих способов, известных из уровня техники.
Следует отметить, что в вариантах осуществления кровоток необходимо блокировать полностью, но может быть достаточным и существенное сокращение тока крови.
Существует множество различных путей выполнения измерительного модуля 2. существенным признаком является то, что измеряется местное улавливание света от множества участков исследуемой части 5 тела. Этого можно достигнуть, например, посредством освещения одной точки за один раз, обнаружения одной соответствующей точки на части 5 тела и сканирования позиции точки освещения и обнаружения по всей части 5 тела.
Следующей, более предпочтительной возможностью является освещение всей части 5 тела и формирование изображения пропущенного (или отраженного) света с помощью CCD-камеры или другой подходящей камеры. Однако, из-за рассеянного пропускания, в данном случае, разрешение изображения ограничено, и свет, проходящий, например, между пальцами, может перегрузить детектор.
Еще одна более предпочтительная возможность заключается в том, чтобы освещать отдельный ряд точек на части 5 тела. Данное выполнение имеет преимущество в том, что детектора достигает меньшее количество рассеянного света, что приводит к более высокому разрешению, и что интенсивность всех точек можно отрегулировать таким образом, что для детектора потребуется только ограниченный динамический диапазон.
Также возможно погрузить исследуемую часть 5 тела в оптически согласующуюся среду, например, жидкость, для того, чтобы снизить влияние оптических границ и динамический диапазон интенсивностей, воздействующих на детектор. В случае такой методики, используется жидкость, имеющая оптические свойства (такие как коэффициент оптического поглощения и уменьшенный коэффициент рассеяния), аналогичные свойствам ткани.
Далее, для обнаружения различных длин волн возможно изменять длину волны освещающего света. Также возможно воздействовать светом всех необходимых длин волн одновременно и разделять разные длины волн на пути обнаружения, например, при помощи фильтров или спектрографа.
В предпочтительном варианте осуществления одновременно измеряется множество частей тела (например, обе кисти рук).
Хотя описывался вариант осуществления, в котором для освещения используются, по меньшей мере, две длины волны, данное изобретение не ограничивается этим. Например, может использоваться большее число отдельных длин волн или даже полный спектр определенного диапазона длин волн (например, от 650 до 1000 нм). Однако, получение полного спектра требует более дорогостоящих компонентов в сравнении с несколькими различными длинами волн. Если будут выделены ткани нескольких типов (такие как жир, вода и т.д.), может быть предпочтительным использование более чем двух различных длин волн. Применение большего числа длин волн помогает улучшать точность устройства, однако, при повышении стоимости и сложности.