АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ В СТОМАТОЛОГИИ
AUTOMATED DEVICE FOR STOMATOLOGY DIAGNOSTICS

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в люминесцентной диагностике ранних стадий патологий в стоматологии.
Известно устройство обнаружения зубного кариеса (Заявка 2463608 Франции, Precede et Appareil pour Detector la Presence de Caries en utilisant Luminescence Visible/R.R.Alfano). В основу принципа действия были положены результаты исследований анализа спектра флюоресценции поверхности зуба, в которых было установлено, что разности интенсивностей свечения здоровой и кариесной зон в различных областях спектра неодинаковы. В красной области спектра (длины волн 600-650 нм) разница интенсивностей свечения здоровой и кариесной зон максимальна, а голубой (длины волн 450-500 нм) минимальна. Оно содержит световод, связанный с источником монохроматического излучения через модулятор. Два световода связаны с фотоприемниками соответственно через два фильтра, пропускающих излучение с разными длинами волн. Выходы фотоприемников связаны с входами дифференциального усилителя, выход которого соединен с индикаторным устройством. Монохроматическое излучение направляется на исследуемую поверхность зуба. С помощью фотоприемников измеряется интенсивность флуоресцентного излучения от поверхности зуба на двух длинах волн. На одной длине волны разница интенсивностей флуоресцентного излучения в пораженных и здоровых зонах зуба минимальна, а на другой - максимальна. Выходные сигналы с фотоприемников, амплитуды которых пропорциональны интенсивности падающего излучения, подаются на дифференциальный усилитель, формирующий разностный сигнал. В здоровых зонах зуба разностный сигнал имеет амплитуду, близкую к нулевому значению. Разностный сигнал, полученный от кариесного участка, имеет амплитуду, существенно отличающуюся от нулевой, что фиксирует индикатор.
Недостатком устройства является невозможность более тонкого анализа изменения состояния поверхности исследуемого зуба (особенно на ранних стадиях), а также подверженность устройства влиянию фоновых помех.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является автоматизированное устройство для диагностики в стоматологии (Пат. РФ №2154398, кл. A61B 1/24, A61C 19/04), содержащее источник излучения, выходы которого оптически связаны с входами оптических волокон первой группы, выходы которых являются оптическими выходами устройства, входы оптических волокон второй группы являются оптическими входами устройства, их выходы соединены через соответствующие фильтры с входами соответствующих групп фотоприемников, выходы фотоприемников подключены соответственно к информационным входам коммутатора каналов, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, выходы которого подключены к информационным входам персональной ЭВМ, информационный выход которой является информационным выходом устройства, ее первый, второй, третий и четвертый управляющие выходы подключены соответственно к входу запуска источника излучения, входу управления коммутатора каналов, входу запуска аналого-цифрового преобразователя и входу запуска видеокамеры, при этом источник излучения выполнен в виде группы импульсных излучателей разных длин волн, а один из них является ультрафиолетовым.
В указанном устройстве, выбранном в качестве прототипа, по оптическим волокнам первой группы на исследуемую поверхность полости рта подается зондирующее оптическое излучение. Под воздействием зондирующего оптического излучения на исследуемой поверхности возникает вторичное люминесцентное излучение, воспринимаемое оптическими волокнами второй группы. Анализ оцифрованных массивов «спектральных образов» (представляющих сочетание уровней сигналов по каждой спектральной составляющей вторичного люминесцентного излучения) и сравнение их с диагностическими критериями с помощью персональной ЭВМ позволяет автоматически ставить диагноз патологии твердых тканей (зубов) полости рта. Использование видеокамеры позволяет отслеживать динамику развития процесса лечения. Данное устройство выгодно отличается от предыдущего отсутствием отмеченных ранее недостатков и высокой степенью автоматизации.
Однако при люминесцентных исследованиях в стоматологии интенсивности зондирующего излучения (и тем более) 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 ограниченный диапазон длин волн и недостаточную разрешающую способность спектрального анализа вторичного люминесцентного свечения, ограничиваемые конечным числом фильтров.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и улучшение технических и эксплуатационных характеристик устройства в части возможности дополнительно диагностики онкопатологии мягких тканей полости рта на ранних стадиях (при посещении дантиста), увеличения разрешающей способности спектрального анализа вторичного люминесцентного излучения, оперативного контроля работоспособности устройства и увеличения помехозащищенности.
Цель достигается тем, что автоматизированное устройство для диагностики в стоматологии, содержащее минивидеокамеру, две группы оптических волокон, источник излучения, выполненный в виде группы импульсных излучателей разных длин волн, один из которых является ультрафиолетовым, выходы источника излучения оптически связаны с входами оптических волокон первой группы, выходы которых являются оптическими выходами устройства, входы оптических волокон второй группы являются оптическими входами устройства, дополнительно содержит имитатор патологии, имитатор нормы и миниспектрометр, оптические волокна второй группы подключены к оптическому входу миниспектрометра, выходы которого через USB-порт подключены к информационным входам персональной ЭВМ, информационный выход которой является информационным выходом устройства, а ее первый, второй и третий управляющие выходы подключены соответственно к входу запуска источника излучения, к входу запуска миниспектрометра и к входу запуска минивидеокамеры, причем на внешней боковой поверхности волокон второй группы нанесены металлизированные нанопокрытия.
На чертеже дана схема предлагаемого устройства.
Автоматизированное устройство для диагностики в стоматологии содержит минивидеокамеру 1, две группы оптических волокон 2 и 3, источник излучения 4, имитатор патологии 5, имитатор нормы 6, персональную ЭВМ 7, миниспектрометр 8. Выходы источника излучения 4 оптически связаны с входами первой группы оптических волокон 2, выходы которой являются оптическими выходами устройства 9. Входы 10 оптических волокон второй группы 3 являются оптическими входами устройства. Выходы оптических волокон второй группы 3 связаны с входами миниспектрометра 8, выходы которого подключены к информационным входам персональной ЭВМ 7. Первый управляющий выход персональной ЭВМ 7 соединен с входом запуска источника излучения 4. Второй управляющий выход персональной ЭВМ 7 соединен с входом запуска миниспектрометра 8. Третий управляющий выход персональной ЭВМ 7 соединен с входом запуска минивидеокамеры 1. Оптический вход минивидеокамеры 1 располагается вблизи обследуемой поверхности, а ее информационный выход - через стандартный интерфейс - к персональной ЭВМ 7. На чертеже под позицией 11 обозначена обследуемая поверхность.
Имитаторы патологии 5 и нормы 6 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).
Управляемый источник излучения 4 предназначен для формирования излучения в ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном диапазоне длин волн. Параметры излучения (например, интенсивность излучения, спектр, доза облучения, продолжительность сеанса) задаются от персональной ЭВМ 7.
Миниспектрометр 8 конструктивно включает фотодиодную линейку, дифракционную решетку, коммутатор и аналого-цифровой преобразователь, при этом выходы фотодиодной линейки через коммутатор соединены с информационным входом аналого-цифровой преобразователя.
Работает устройство следующим образом. По команде от персональной ЭВМ 7 при помощи первой группы оптических волокон 2 зондирующее излучение от определенного излучателя источника 4 направляется на исследуемую поверхность зуба или участка мягкой ткани. Через входы второй группы оптических волокон 3 вторичное люминесцентное (флуоресцентное) излучение от поверхности зуба или мягкой ткани подводится к входу миниспектрометра 8. Распределения интенсивностей спектральных составляющих флуоресцентных сигналов от здоровой и патологической твердых и мягких тканей различаются. Сигналы с выхода миниспектрометра 8 в виде массивов цифровых кодов («спектральных образов») интенсивностей Р(λi) и длин волн λi спектральных составляющих через USB-порт поступают на информационные входы персональной ЭВМ 7, где формируются массивы «спектральных образов». При этом моменты отсчетов синхронизируется по отношению к зондирующему сигналу источника излучения 4 с заданной задержкой.
1
i
n
Спектральный образ представляет собой сочетания уровней сигналов по каждой спектральной составляющей вторичного люминесцентного (флуоресцентного) излучения, т.е. характеризует распределение уровней флуоресцентного излучения по всему измеряемому спектру (λ≤λ≤λ).
Принцип формирования диагностических сигналов и алгоритм работы персональной ЭВМ 7 в этом режиме состоит в следующем.
Весь диапазон длин волн флуоресцентного свечения разбивается на дискретные участки, определяемые разрешающей способностью миниспектрометра 8.
Для повышения достоверности и исключения погрешности из-за изменений расстояния между исследуемой поверхностью (зубом, мягкой тканью) и дистальным торцом волоконно-оптического жгута, (в котором уложены волокна первой и второй групп), спектральные образы Ротн (λi) формируются из нормализированных амплитуд как отношение частных значений уровней спектральных составляющих к максимальному значению в данном цикле измерения.
Ранее на основе многих исследований проведена выработка диагностических критериев путем получения характерных спектральных образов - здорового зуба, патологически измененного зуба, нормальной мягкой ткани, злокачественной опухоли мягкой ткани Ротн j (λi), где j - вид состояния, которому соответствует диагностический критерий (1 - нормальное состояние зуба, 2 - кариес, 3 - нормальная мягкая ткань, 4 - злокачественная опухоль мягкой ткани полости рта).
В результате сравнения полученных спектральных образов Ротн j (λi) с спектральными образами диагностических критериев Ротн j (Ai) по методу наименьших квадратов формируется оценка наиболее вероятностного состояния исследуемой поверхности по соотношению
где n - число дискретных участков длин волн (определяемое разрешающей способностью миниспектрометра);
которая выдается на экран.
По минимальному значению Rj принимается решение о состоянии исследуемой поверхности.
Для получения критериальных спектральных образов мягких тканей в качестве обследуемой поверхности используют большое количество образцов патологических и нормальных мягких тканей, полученных в результате хирургических операций (или взятия биопсии) пациентов. Онкопатология множества образцов мягких тканей предварительно подтверждается гистологическими и цитологическими исследованиями. Соотношения (1) и (2) являются алгоритмом работы персональной ЭВМ 7. При помощи персональной ЭВМ 7 также осуществляется управление запуском определенного излучателя источника 4, запуском миниспектрометра 8 на измерение и запуском минивидеокамеры 1.
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 минивидеокамеры 1. После этого на первом управляющем выходе персональной ЭВМ 7 с заданной задержкой появляется подобная импульсная последовательность на запуск выбранного источника 4. С заданной задержкой (определяемой задержкой появления вторичной люминесценции) по отношению моменту запуска источника 4 эта же последовательность поступает на миниспектрометр 8 (с второго управляющего выхода персональной ЭВМ 7). Благодаря съемке патологически измененных участка зуба или участка мягких тканей, на который воздействует зондирующее излучение от источника 4, осуществляемой минивидеокамерой 1, производится фиксация места обследования в данном кадре видеосъемки. При обнаружении онкопатологии или по команде врача кадр с изображением зуба, участка мягких тканей 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 и корректировать тактику лечения с минимальным использованием медикаментозных средств. Только в случае постановки диагноза наличия онкопатологии в участке мягкой 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 2 всех точек наблюдаемого ранее участка обследуемой поверхности. По результатам диагностики состояния каждого локального участка поверхности (на основе заданных в персональной ЭВМ параметров светового терапевтического воздействия) от персональной ЭВМ на управляемые источники 4 подаются соответствующие управляющие сигналы. Под действием этих сигналов заданное излучение от источника 4 через соответствующие дополнительные оптические волокна первой группы воздействует на локальный участок поверхности, являющийся объектом светового терапевтического лечения.
В качестве миниспектрометра 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. Миниспектрометр FSD-03-08 имеет спектральную разрешающую способность 10 нм (при самой высокой чувствительности) в диапазоне длин волн от 300 до 800 нм.
В качестве персональной ЭВМ 7 может быть использована любая IBM совместимая персональная ЭВМ (или ноутбук) отечественного или зарубежного производства.
Использование изобретения позволит впервые в мировой практике в кабинете дантиста попутно определять онкопатологии мягких тканей на ранней стадии (и далее направлять пациента к соответствующим специалистам), вести документирование историй болезни, видов патологии. Одним из важнейших методических достоинств применения данного устройства является возможность одномоментного проведения массовой профилактики кариеса зубов и мягких тканей. Воздействие импульсным ИК, красным, синим излучением дает ощутимый терапевтический эффект. Импульсный источник УФ-излучения обладает к тому же бактерицидным действием, что позволяет проводить также санацию полости рта.
Уровни сигналов зондирующего излучения на выходе оптических волокон толщиной, например, 50 мкм чрезвычайно малы и не могут быть измерены сертифицированными средствами измерений. Поэтому зачастую трудно понять, либо мал отклик (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 имитатор нормы позволит (при исправной работе устройства) зафиксировать поочередно диагноз «патология» и «норма», т.е. оперативно проверить работоспособность устройства в широком динамическом диапазоне.
В устройстве-прототипе, как указывалось ранее, было ограниченное число спектрометрических датчиков. К тому же, узкополосные оптические фильтры в последние годы отечественной промышленностью серийно не выпускаются. Исключение указанных фильтров и введение миниспектрометра позволили устранить указанные недостатки и повысить разрешающую способность анализа сигналов вторичного люминесцентного свечения в широком диапазоне длин волн.
Введение металлизированных нанопокрытий на внешней боковой поверхности волокон второй группы позволило повысить помехозащищенность устройства (устранить реагирование на изменения освещенности в медицинском кабинете).
Применение предлагаемого устройства наряду с профилактической эффективностью повышает производительность труда, уменьшает время лечения и экономит лекарственные средства.
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.