УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОКРАШИВАНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ БИОПСИЙНОЙ ТКАНИ
DEVICE FOR THREE-DIMENSIONAL STAINING OF BIOPSY TISSUE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение в целом относится к системе для окрашивания полученной при биопсии ткани в ее трехмерной форме. В частности, изобретение относится к устройству для окрашивания образца биопсии, размещенного в трубке для биопсии, поддерживающей целостность извлеченного объема ткани.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для правильного анализа опухолей и определения соответствующего лечения может потребоваться подробная информация об опухоли. Во-первых, наличие и положение потенциальной опухоли можно идентифицировать с помощью медицинской визуализации.
Впоследствии может быть проведена биопсия для оценки того, является ли поражение доброкачественным или злокачественным вследствие патологии. Примерная рабочая последовательность для получения биопсии показана в верхней части Фиг. 1. Для позиционирования устройства для биопсии (обычно иглы со стержнем 100, имеющим боковую выемку 200 и внешний трубчатый элемент 500) точно в подозрительной ткани, правильное местоположение обычно определяется с помощью визуализационного контроля, такого как ультразвуковое или рентгеновское излучение. В то время как изображение может обеспечить грубое наведение иглы на исследуемую область, часто сложно определить именно границы небольших очагов или опухолей с помощью иглы для биопсии, используя стандартные методы визуализации. Как следствие, биопсии часто берутся в неправильном месте, что увеличивает риск ложных диагнозов. После извлечения биопсийной ткани из тела ткань подвергают, например, окрашиванию жидкостью 400 в открытой емкости 300.
Наконец, чтобы прийти к надлежащему лечению, может быть сделан молекулярно-диагностический (MDx) анализ ткани для определения того, какие молекулярные мутации и молекулярный путь приводят к опухоли. Чтобы обеспечить правильный молекулярный анализ, можно также оценить гетерогенность опухоли, чтобы определить, отвечает ли один раковый клон за опухолевый рост или присутствуют многочисленные клоны, так что, возможно, много биологических путей способствуют росту опухоли и может быть дана комбинация лекарств.
В случае неоадъювантной терапии, особенно в случае большой опухоли, и в случае лечения препаратами направленного действия, которые нацелены на пути передачи сигнала, первая диагностическая биопсия может быть обработана стандартным образом, однако необходимы дополнительные биопсии для оценки гетерогенности опухоли по отношению к лежащей в основе биологии.
При таких биопсиях часто невозможно получить большие образцы тканей с достаточным материалом для проведения всех необходимых анализов. Одна из причин заключается в том, что меньшая игла используется для удобства и безопасности пациентов, более того, в текущей практике патологических исследований значительная часть ткани теряется из-за гистопатологической процедуры подготовки образца, такой как фиксация, заливание и создание тонких срезов (так называемых 2D образцов тканей или патологических срезов, когда такие образцы устанавливаются на предметное стекло), которые обычно имеют толщину менее 20 мкм, обычно около 4 мкм.
Кроме того, проблема состоит в том, что типичное окрашивание трехмерного образца ткани, то есть нарезанного образца, занимает сравнительно много времени, поскольку окрашивание происходит путем диффузии, например, в установке, показанной внизу Фиг. 1, с образцом 200 ткани, взятым из стержня 100 иглы для биопсии и расположенным в открытом контейнере 300, заполненном окрашивающей жидкостью 400. Образец ткани может быть расположен в ванночке с окрашивающей текучей средой, при этом окрашивающая текучая среда полностью окружает образец ткани, так что цветной окрашивающий материал будет медленно диффундировать в ткань со всех сторон. Через 1 час диффузии образец ткани может выглядеть как на примере в левой части Фиг. 2. Эффект окрашивания не может быть обнаружен. После 24 часов диффузии образец ткани может выглядеть как на примере в правой части Фиг. 2. Внешняя область 240 становится темной (то есть окрашивается), а внутренняя область 220 остается без окраски (то есть еще не окрашивается). Другими словами, трехмерный образец ткани по-прежнему не полностью окрашивается (насквозь или, другими словами, в глубину) через 24 часа в ванночке.
В ЕР 2 614 778 А2 описывается устройство для забора ткани, которое может препятствовать тому, чтобы работник укололся кончиком иглы трубки иглы во время удаления. Ткань можно всасывать в трубку для забора ткани из тела, и ткань может быть вымыта из трубки для дальнейшей обработки посредством закачивания жидкости в трубку.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ввиду вышеупомянутых проблем, основной целью изобретения является получение так называемой интактного/неповрежденного трехмерного образца ткани и обработка образца так, чтобы обеспечить возможность проведения соответствующего анализа.
Эти и другие задачи решаются объектом независимых пунктов формулы изобретения. Другие варианты осуществления описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Одним из решений вышеупомянутых проблем может быть минимизация потери образца ткани за счет исключения заливки после биопсии и процесса срезания ткани. Это подразумевает анализ всей интактной биопсийной ткани. Преимущество такого анализа интактного образца ткани заключается в том, что структура интактной опухолевой ткани в таком образце, как ожидается, предоставит важную дополнительную информацию о тканевой структуре рака. Такая информация может быть клинически применимой, например, при выборе правильной терапии или в сопутствующем определении прогноза.
Такой интактный образец ткани для биопсии может потребовать 3D-окрашивания и визуализации результатов окрашивания. Недавние изменения в клинических лабораторных исследованиях (так называемые протоколы осветления) позволяют сделать такие образцы тканей в принципе прозрачными, позволяя получать 3D-изображения по всему образцу (см. «Whole-mount three-dimensional imaging of internally localized immunostained cells within mouse embryos» Tomomasa Yokomizo и др. Nature Protocols Том.7, №.3 2012, стр. 421-431, или см. «Structural and molecular interrogation of intact biological systems» Kwanghun Chung и др. Nature Том. 497, 16 Май 2013, стр. 332 -339, или см. также «Clarifying Tissue Clearing» Douglas S. Richardson и Jeff W. Lichtman. Cell 162, Leading Edge Review, стр. 246-257, июль 2015 г.). Подходящими процессами окрашивания могут быть, например, окрашивание гематоксилином и эозином, ядерное окрашивание, такое как DAPI, антитела, используемые для окрашивания, и окрашивание для осветления ткани.
Отмечается, что особенно полезно, если окрашивание проводится по всему образцу, что означает, что антитела проникают в ткань на 500 микрон или более.
Таким образом, цель может рассматриваться как предоставление способа и системы, позволяющих осуществлять обработку (проводку) ткани трехмерного образца ткани независимо от структуры ткани, имея в виду, что много внеклеточного матрикса, например, будет препятствовать легкой диффузии в образец, и что избыточное антитело, в том числе не специфически связанное антитело, может быть вымыто.
В общем, способ в соответствии с изобретением позволяет проводить, в частности, окрашивать образцы тканей в целом. Это также позволяет получать тонкие тканевые биопсии (например, интактный тонкий цилиндрический трехмерный образец), потому что во время процесса подготовки образца не теряется ткань. Кроме того, ожидается, что трехмерный анализ ткани обеспечит дополнительную клинически значимую информацию об опухолях. Если можно брать такие тонкие биопсии, это позволяет брать много биопсий из одной опухоли, чтобы создать карту гетерогенности опухоли.
Решение указанной проблемы можно увидеть при использовании трубки, помещенной в устройство для окрашивания, так что окрашивание больше не происходит путем диффузии, но происходит активно под давлением, что приводит к значительно более быстрому проникновению антител в ткань и, таким образом, к более быстрому окрашиванию, а также более быстрым процедурам промывки.
Образец для биопсии остается интакным/неповрежденным, а трехмерные структуры в структуре ткани могут быть обнаружены при биопсии, и можно выбрать наилучшую позицию, из которой может быть сделан дальнейший молекулярный Dx анализ.
Связывание местоположения этих дополнительных биопсий с местоположением по методам визуализации важно для корреляции любой патологии и результатов MDx с местоположением опухоли на данных медицинской визуализации/изображениях. Связывание всей этой информации является ключевой частью общей стратегии онкологии.
Способ согласно изобретению идет намного быстрее (до 100-кратного изменения времени для ядерного окрашивания DPAI).
Кроме того, может быть создана карта гетерогенности опухоли для определения подходящей смеси лекарственных средств, а также последующей ответной реакции опухоли посредством визуализации.
В общем, способ обработки трехмерного образца ткани в соответствии с одним из вариантов осуществления включает в себя этапы приема/обеспечения трубки, имеющей внутреннее пространство и два отверстия, причем трубка выполнена с возможностью удерживать трехмерный образец ткани во внутреннем пространстве, расположения трубки таким образом, чтобы один из двух открытых концов трубки находился у канала для текучей среды, и нагнетания агента для обработки ткани через канал для текучей среды и в трубку так, чтобы агент для обработки ткани проходил через ткань. На Фиг.3А показаны примеры окрашивания образцов ткани в соответствии с изобретением. Здесь ткань 260 почти полностью окрашивается через 15 минут.
Фиг.3В и 3С приведены здесь для предоставления прямого сравнения способа окрашивания по изобретению по отношению к известным способам, основанным на механизме диффузии красителя. В обоих случаях образец ткани почки получают посредством штанцевой биопсии, 5 миллиметров в диаметре, и разделяют на два толстых кусочка размером приблизительно 2-3 мм каждый. Две части промывают PBS (забуференным фосфатом физиологическим раствором) в течение 10 минут, фиксируют 4% параформальдегидом и промывают PBS. Две части окрашивают краской SIR-DNA (1: 1500). Первый кусочек ткани вымачивают в окрашивающей жидкости, содержащейся, например, в стеклянном флаконе. Как известно, кусочек ткани подвергается медленному процессу диффузии красителя по его толщине. Процесс проводят в течение 16 часов. Второй кусочек ткани помещают и блокируют на месте в трубке. Тот же объем жидкости красителя, который используется для процесса вымачивания первого кусочка ткани, подается под заданным давлением, примерно 1,1 бар, внутрь трубки через первое отверстие. Краситель течет через трубку и достигает ткани под давлением. Поскольку ткань не перемещается и не блокирует поток (или большую его часть), окрашивающая жидкость активно вдавливается в материал ткани. Давление красителя на ткани достаточно велико, чтобы заставить краситель проникнуть внутрь и даже распространиться по толщине ткани. Процесс проводят в течение 16 часов.
Затем два кусочка ткани, окрашенные таким образом, проводят в обычно применяемом режиме, чтобы получить два соответствующих блока ткани. Первый срез вырезается из первого блока (метод предшествующего уровня техники) и проходит через центр его объема. Таким образом, срез содержит ткань, которая простирается от периферии до глубины внутрь объема блока. Второй срез получают таким же образом из второго блока (способ согласно изобретению). Оба среза составляют приблизительно 4 микрометра, чтобы иметь возможность наблюдать, что произошло в глубине двух кусочков ткани с помощью обычной микроскопии.
На Фиг.3В показано изображение первого среза. График интенсивности красителя по сравнению с положением слева направо на срезе анализируется в белом прямоугольнике и показан справа от этой фигуры. Как видно, средний уровень интенсивности колеблется между 20 и 25. Два пика на двух концах графика показывают, что интенсивность окрашивания выше у внешней поверхности. Другими словами, интенсивность окрашивания увеличивается в области периферии, потому что именно отсюда стартует диффузионный механизм. Это также иллюстрирует то, что диффузионный процесс все еще не проведен достаточно долго для достижения однородного уровня окрашивания по всей толщине первого кусочка ткани.
На Фиг.3С показано изображение второго среза и соответствующий график интенсивности в пределах той же области, представленной белым прямоугольником. Во-первых, только посредством визуального контроля можно заметить, что это изображение показывает гораздо большую контрастность, резкость и детали тканевой структуры, чем на Фиг. 3B. Кроме того, график показывает, что средний уровень интенсивности красителя превышает 65 или 70, что почти в три раза превышает то, что было получено с использованием известного уровня техники. Для информации падение кривой между 400 и 600 соответствует наличию трещины в ткани в этой области. Эта трещина возникает от финального процесса подготовки от окрашенного кусочка ткани к блоку. Ее можно увидеть в средней области изображения. Наконец, максимальные изменения интенсивности на этом графике гораздо менее важны, чем на графике на Фиг. 3B. Поэтому окрашивание более однородно по способу согласно изобретению. В заключение, способ окрашивания согласно изобретению намного более эффективен. В течение того же периода времени ткань однородно прокрашивается по глубине до высокоинтенсивной контрастности, тогда как при традиционном подходе процесс, очевидно, необходимо продолжать в течение нескольких часов или даже нескольких дней, чтобы попытаться достичь тех же результатов. Отметим, что термин «нагнетание/проталкивание» означает, что текучая среда не просто течет в ткань, например, из-за силы тяжести, но все время находится под давлением через канал текучей среды в направлении к ткани и на нее. Давление, при котором подается текучая среда для обработки ткани, должно быть выше атмосферного. В соответствии с одним из вариантов осуществления агент для обработки ткани нагнетается/проталкивается через канал для текучей среды и в трубку с давлением между 2 и 6 бар, предпочтительно между 4 и 5 бар. Для блока ткани почки предпочтительный диапазон может составлять от 1,1 бар до 3 бар и более предпочтительно от 1,1 до 2 бар.
В любом случае специалист в данной области легко поймет, что правильное давление будет зависеть от ткани, которая проводится. Таким образом, выбор для правильного давления, подаваемого насосом, может, в частности, учитывать гидравлическое сопротивление ткани. В этой связи специалист в данной области может, например, использовать математические модели для определения правильного давления или проведения пробных экспериментов с типом рассматриваемой ткани. Кроме того, определение правильного давления может также учитывать механическое сопротивление ткани. Действительно, давление окрашивающей жидкости на образец ткани должно быть настолько высоким, чтобы вызвать деформацию или повреждение ткани.
Кроме того, подчеркивается, что текучая среда для обработки ткани принудительно подается в один из открытых концов трубки, чтобы позволить любому воздуху или жидкостям выходить из трубки на другом конце. Это позволяет, например, даже окрашивать ткань. Понятно, что ткань предпочтительно расположена внутри трубки, так что не образуется непрерывного пути текучей среды рядом с тканью, то есть так, что утечки не происходит. Например, ткань может полностью занимать полное поперечное сечение трубки или, по меньшей мере, большую часть поперечного сечения трубки.
Используемый здесь термин «трубка» включает в себя любой контейнер, по меньшей мере, с двумя отверстиями и внутренним пространством. В частности, используемый термин не предписывает никакой формы поперечного сечения или никаких размеров. Например, отверстия могут быть расположены на концах, противоположных друг другу. Направление от одного открытого конца до другого открытого конца можно обозначить как продольное направление. Согласно другому примеру, по меньшей мере, одно отверстие может быть расположено на боковой поверхности трубки.
В соответствии с одним из вариантов осуществления агент для обработки ткани может нагнетаться/проталкиваться через канал для текучей среды и в трубку в течение заданного времени, предпочтительно, по меньшей мере, в течение 10 минут. Это учитывает то, что нельзя ожидать немедленного проникновения текучей среды для обработки ткани в ткань.
Агент для обработки ткани может быть просветляющим агентом, таким как BABB, который представляет собой смесь в отношении 1: 1 или 1: 2 бензилэтанола и бензилбензоата, и/или окрашивающим агентом в зависимости от предполагаемой обработки ткани и, следовательно, в предполагаемом виде анализа образца обработанной ткани. Другие возможные просветляющие агенты можно найти в обзоре Richardson, процитированном выше. Таким образом, способ в соответствии с одним из вариантов осуществления может дополнительно содержать этап анализа ткани, удерживаемой в трубке после того, как агент для обработки ткани прошел через ткань. Способ может альтернативно и/или дополнительно содержать этап 3D-визуализации ткани, удерживаемой в трубке.
В одном из вариантов осуществления, в котором можно избежать использования слишком дорогого реагента, окрашивающая жидкость может рециркулироваться через ткань с использованием перистальтического насоса.
По другому аспекту, система для обработки трехмерного образца ткани содержит трубку с двумя открытыми концами и внутренним пространством, держатель трубки и насосное устройство для подачи в трубку под давлением текучей среды для обработки ткани. Между трубкой и насосным устройством может быть предусмотрен канал для текучей среды. Кроме того, могут быть предусмотрены уплотнения между каналом для текучей среды и трубкой, а также между каналом для текучей среды и насосным устройством.
Понятно, что внутреннее пространство трубки должно принимать и удерживать трехмерный образец ткани для его обработки. Например, трубка может использоваться для извлечения образца ткани из тела пациента, так что ткань уже находится в трубке, когда трубка помещается в держатель трубки для обработки ткани внутри трубки. Однако ткань также можно вставить в трубку вне тела пациента. Предпочтительно, чтобы ткань помещали в трубку так, чтобы не могло возникнуть никакой утечки или, по меньшей мере, возникла ограниченная утечка агента для обработки ткани (поскольку не существует непрерывного пути текучей среды рядом с тканью от одного конца образца к другому).
Когда трубка удерживается держателем трубки, один, первый или второй, открытый конец трубки может быть расположен, например, вокруг канала (у канала) для текучей среды, так что текучая среда для обработки ткани может быть подана/может подаваться в трубку через канал для текучей среды или нет.
В соответствии с одним из вариантов осуществления давление, при котором текучая среда для обработки ткани подается в трубку выше атмосферного. Давление, например, может подаваться при давлении от 2 до 6 бар, предпочтительно от 4 до 5 бар. Для блока ткани почки предпочтительный диапазон может составлять от 1,1 бар до 3 бар и более предпочтительно от 1,1 до 2 бар.
Согласно другому варианту осуществления предоставляется насосное устройство для подачи текучей среды для обработки ткани, выполненное с возможностью подачи текучей среды для обработки ткани с постоянным давлением в течение заданного времени, предпочтительно, по меньшей мере, 10 минут. В автоматизированном процессе, в котором может быть обработано множество трубок с образцами ткани, продолжительность подачи текучей среды для обработки ткани может быть задана. Альтернативно, ход обработки ткани, например окрашивание, можно контролировать, чтобы определить, достигнут ли предполагаемый результат.
В одном из вариантов осуществления, в котором трубка изготовлена из прозрачного материала, можно оптически анализировать образец ткани непосредственно в трубке, то есть без изъятия образца ткани из трубки. Таким образом, можно вставить ткань в прозрачную трубку для биопсии, чтобы трубку можно было перемещать на устройство для обработки тканей, такое как устройство для окрашивания, в котором можно было бы выполнить необходимую фиксацию, пермеабилизацию и реакции окрашивания стандартным образом. Такая трубка позволяет упростить обработку образца. Образец может быть отобран целиком и перенесен, например, в блок окрашивания. Биопсия остается целой, что выгодно для корреляции любой патологии и результатов MDx с данными медицинской визуализации/изображениями. Такой подход позволяет стандартизировать важный процесс фиксации биопсии и позволяет сравнивать и соотносить метабометрические маркеры для опухолевой активности, молекулярные диагностические маркеры, такие как полученные от окрашивания и молекулярных испытаний, таких как ПЦР и/или секвенирование, от биопсии опухоли и медицинских данных визуализации (полученных с помощью таких методов, как МРТ, ультразвук).
Трубка может быть выполнена из прозрачного материала, например, из стекла или твердого пластика. В соответствии с одним из вариантов осуществления, трубка для биопсии может быть покрыта силиконовым покрытием, которое может уменьшить трение в трубке для биопсии. Кроме того, трубка для биопсии может быть изготовлена из материала, обладающего механическими свойствами, сравнимыми с парафином, так что извлеченная биопсийная ткань может оставаться в трубке для биопсии во время окрашивания и, возможно, для вырезания срезов из биопсии, чтобы исследовать ткань с помощью микроскопа.
В соответствии с одним из вариантов осуществления, трубка для биопсии может иметь длину от 5 мм до 20 мм и может иметь наружный диаметр до 2 мм с внутренним диаметром до 1,6 мм. Предпочтительно, чтобы трубка могла иметь наружный диаметр до 1 мм. В соответствии с одним из вариантов осуществления, внешний диаметр трубки может составлять 0,5 мм. Предполагая, что ткань заполняет большую часть внутреннего пространства внутри трубки, образец ткани может иметь форму столбика длиной от 5 мм до 20 мм и диаметром от 0,25 мм до 1,6 мм, при этом поперечное сечение столбика - круглое, овальное или угловое.
Трубка (для проведения биопсии) может содержать острый край на конце трубки для биопсии, причем этот конец будет выполнен с возможностью вырезания ткани при выдвижении вперед (дистально) с помощью устройства для биопсии.
Как правило, устройство для биопсии для использования с трубкой может содержать наружную втулку, полый главный стержень и стержень трубки. Полый главный стержень может иметь дистальный концевой участок с выемкой, обращенной к широкой стороне, и основной стержень может быть выполнен с возможностью размещения внутри наружной втулки. Наружная втулка может быть подвижной относительно основного стержня между первым положением, в котором выемка не закрыта внешней втулкой, и вторым положением, в котором выемка закрыта наружной втулкой. Наружная втулка может иметь острую дистальную кромку, причем острая дальняя кромка может использоваться для срезания ткани, которая присутствует в выемке, так что ткань может быть отделена от окружающей ткани.
Один конец трубки для биопсии может быть прикреплен с возможностью отсоединения к дистальному концу стержня трубки, так что трубка может перемещаться вместе с стержнем трубки внутри полого основного стержня между проксимальным положением, в котором трубка не расположена в выемке, и дистальным положением, в котором трубка находится в выемке.
В соответствии с одним из вариантов осуществления устройство для биопсии может содержать оптические волокна, встроенные или иным образом включенные в состав стержня устройства. Использование устройства для биопсии с оптическими волокнами, для взятия биопсии, может иметь следующие преимущества:
- Измеряя оптический спектр окружающей ткани, можно определить, достигнута ли опухоль/поражение, так что будет больше шансов успешно провести биопсию опухоли.
- Метаболическую активность через отношение NADH/FAD можно определить по оптическому спектру.
- При обнаружении ткани на кончике можно обеспечить правильное расположение устройства в интересующем месте. Биопсию можно получить точно в том же месте, где обнаруживается ткань, продвигая только основной стержень до тех пор, пока выемка не окажется в интересующем месте. Следующее обнаружение ткани для ткани в выемке может быть выполнено для проверки того, захвачен ли правильный образец ткани в выемке устройства для биопсии.
Система может дополнительно содержать устройство, приспособленное для осмотра тканей ex-vivo и/или контейнер для хранения для приема экстрагированной ткани в трубке для биопсии и для хранения информации о патологии, полученной в результате изучения ткани in vivo и/или осмотра тканей ex-vivo.
Аспекты, которые определены выше, а также нижеследующие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения также можно получить из примеров вариантов осуществления, которые описаны далее в настоящем документе, и имеют объяснения в отношении примеров вариантов осуществления. Изобретение будет описано более подробно ниже со ссылкой на примеры вариантов осуществления, но настоящее изобретение ими не ограничивается.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 показаны этапы биопсии и окрашивания ткани биопсии в соответствии с предшествующим уровнем техники.
На Фиг. 2 показаны примеры образцов ткани, окрашенных путем диффузии в соответствии с известным уровнем техники.
На Фиг. 3А показаны примеры образцов тканей, окрашенных в соответствии с изобретением.
На Фиг. 3B показан экспериментальный результат образца почки, окрашенного посредством диффузионного механизма, а именно в соответствии с известным уровнем техники.
На Фиг. 3C показан экспериментальный результат того же образца почки, что и на Фиг. 3В, но окрашенного в соответствии с изобретением.
На Фиг. 4 показана трубка для биопсии и стержень трубки.
На Фиг. 5 показаны этапы вставки трубки для биопсии в выемку главного стержня устройства для биопсии согласно первому варианту осуществления.
На Фиг. 6 показаны этапы взятия биопсии с помощью устройства для биопсии, показанного на Фиг. 5.
На Фиг.7 показано устройство для обработки тканей для обработки биопсийной ткани.
На Фиг.8 показано контрольно-измерительное устройство для оптического контроля биопсийной ткани.
На Фиг. 9 показано устройство для биопсии, содержащее волоконное тело.
На Фиг.10 показана система, включающая в себя устройство для биопсии и консоль.
Иллюстрация на чертежах является только схематической и не в масштабе. Следует отметить, что подобные элементы имеют одинаковые ссылочные позиции на разных фигурах, если это необходимо.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На Фиг. 4 показаны варианты осуществления трубки 20 для биопсии и стержня 30 трубки. Трубка 20 для биопсии, по существу, выполнена как полый цилиндр с первым и вторым концами, каждый из которых имеет прямой край. В этом варианте осуществления первый конец 22 сформирован под углом 90° относительно продольной оси 26, то есть по существу перпендикулярно продольной оси. Второй конец 24 выполнен с наклонным углом относительно продольной оси 26, причем этот угол может находиться в диапазоне от 45 до 65°, например 55°. Понятно, что углы на концах трубки для биопсии могут быть выполнены с возможностью прилегания к наклонным поверхностям выемки, сформированной на главном стержне устройства для биопсии, как подробно описано ниже. Например, длина такой трубки для биопсии может составлять 14 мм +/- 5 мм, а наружный диаметр может составлять 2 мм, тогда как внутренний диаметр канала 28, который проходит через цилиндр, может составлять от 1,4 до 1,6 мм. Трубка для биопсии может быть изготовлена из стекла или из твердого и прозрачного пластика, такого как ПММА. Кроме того, трубка 20 для биопсии может быть снабжена острой кромкой на одном конце, в частности на переднем конце, то есть на дистальном конце, когда трубка для биопсии проталкивается вперед стержнем 30 трубки.
Стержень 30 трубки, как показано на Фиг. 4, включает в себя первый конец 32 и второй конец 34. Первый конец 32, а также короткая часть 33 могут иметь уменьшенный диаметр, который выполнен с возможностью зацепления в одном из концов трубки для биопсии. Стержень 30 трубки также может быть сформирован как полый цилиндр. Стержень трубки может иметь сквозное отверстие 38, которое может обеспечивать несколько функций. Сквозное отверстие 38 может иметь меньший диаметр, достаточный для инъекции или втягивания текучей среды через стержень или может иметь больший диаметр, достаточный для обеспечения втягивания ткани. В случае, когда диаметр сквозного отверстия 38 в стержне трубки равен или, по меньшей мере, подобен внутреннему диаметру трубки 20 для биопсии, отдельный элемент, такой как волоконное тело, может быть вставлено и подвижно помещаться внутри комбинации трубки для биопсии и стержня трубки.
Устройство для биопсии, показанное на Фиг.5, содержит полый стержень 10 с дистальным концом или кончиком 14, образующий наклонную поверхность, причем наклонная поверхность может иметь овальную форму, если полый стержень имеет круглое поперечное сечение. Кроме того, в стержне сформирован боковой вырез или выемка 16, причем выемка 16, по существу, образована боковым отверстием и сечением отверстия, проходящим через стержень в продольном направлении. На Фиг.5 дополнительно показано, как трубка 20 для биопсии может быть вставлена в выемку 16 главного стержня 10 устройства для биопсии, чтобы быть прикрепленной на дальнем конце 32 стержня 30 трубки.
Например, трубка 20 для биопсии может быть вставлена с наклонной ориентацией и с проксимальным концом 22 сначала. Это может иметь то преимущество, что прикреплением трубки для биопсии к дистальному концу стержня трубки лучше управлять вручную. Вид движения на этом примере обозначается полужирной стрелкой на Фиг. 5.
Альтернативно, трубка 20 для биопсии может быть вставлена в выемку 16 главного стержня 10 с параллельной ориентацией продольной оси трубки для биопсии и продольной оси главного стержня. В этом случае стержень 30 трубки может быть вытащен на несколько миллиметров назад, то есть проксимально, чтобы дать трубке для биопсии достаточное пространство для вставки в выемку. Затем стержень 30 трубки может быть выдвинут вперед, то есть дистально, так что часть 33 уменьшенного диаметра может зацепляться с трубкой для биопсии, чтобы прикрепить трубку для биопсии к стержню трубки.
На Фиг.6 показана последовательность этапов взятия биопсии с помощью устройства для биопсии, включающего в себя, кроме прочего, трубку 20 для биопсии для приема ткани. Во-первых, с выемкой 16 главного стержня 10, закрытым внешней втулкой 50, устройство для биопсии вставляется в ткань. Во-вторых, главный стержень выдвигается вперед, пока выемка в главном стержне больше не будет закрыта, так что ткань может зацепиться за выемку 16. В-третьих, внешняя втулка 50, которая снабжена острой дистальной кромкой в соответствии с этим примером, толкается вперед, чтобы разрезать ткань, а стержень 30 трубки с помощью трубки 20 для биопсии 20 толкается вперед, чтобы принять отрезанную ткань. Следует отметить, что внешняя втулка 50 также может иметь тупую дальнюю кромку, то есть не острый дистальный край, и что трубка 20 для биопсии может быть снабжена острой дистальной кромкой, так что ткань, которая присутствует в выемке 16 главного стержня 10 можно разрезать с помощью трубки 20 для биопсии.
На Фиг.7 показано устройство 80 для обработки тканей для обработки ткани, извлеченной из тела посредством трубки 20. Устройство 80 для обработки тканей содержит держатель 82 трубки, насосное устройство 84, а также емкость 85 для жидкости или текучей среды. Один конец трубки 20 может зацепляться с держателем 82 трубки.
Жидкость или текучая среда в емкости 85 может быть пригодна для обработки ткани в трубке. Например, жидкость или текучая среда может быть пригодна для осветления клеточных структур ткани. Или же жидкость или текучая среда может предназначаться для окрашивания ткани. Будучи активировано, насосное устройство 84 будет всасывать на своей стороне входа жидкость или текучую среду из емкости 85 через канал 87 текучей среды и будет подавать жидкость или текучую среду под давлением через канал 63 текучей среды на ее стороне выпуска.
Уплотнение 86 может быть расположено в фиксаторе 82 трубки, чтобы изолировать линию тока от канала 83 для текучей среды в конце трубки 20.
Хотя на Фиг.7 показано, что трубка 20 удерживается на ее концевой части в фиксаторе 82 трубки, следует понимать, что держатель 82 трубки также может зацепляться с трубкой 20 в любой другой части трубки. Однако, второй конец трубки 20 должен иметь отверстие, чтобы воздух или текучая среда могли выйти из трубки, как только жидкость или текучая среда, которая подается под давлением через канал 83 для текучей среды, поступает на первый конец трубки 20.
На Фиг. 8 показан вариант осуществления для исследования или анализа ткани в трубке 20. Здесь устройство 90 снабжено держателем 92 трубки, который, подобно фиксатору 82 трубки согласно варианту осуществления, показанному на Фиг.7, удерживает концевую часть трубки 20. Предпочтительно, чтобы трубка 20 была выполнена из прозрачного материала, обеспечивающего оптическую визуализацию или сканирование ткани, заключенной в трубку 20.
Источник 94 излучения расположен относительно трубки 20 и выполнен с возможностью прилагать излучение, например, свет с заданной частотой к трубке 20. Излучение, проходящее через трубку и ткань в ней, может быть обнаружено детектором 98 излучения, чтобы предоставить изображения или, по меньшей мере, данные, позволяющие провести дальнейшее исследование или анализ ткани. Улучшение обнаружения излучения может быть достигнуто путем предоставления линзы 96 в световом пути между трубкой 20 и детектором 98 излучения.
На Фиг. 9 показан другой вариант осуществления устройства для биопсии, в котором этот вариант осуществления в основном отличается от вышеописанных вариантов осуществления тем, что через стержень трубки и трубку для биопсии дополнительно вставлено волоконное тело. Волоконное тело может быть образовано удлиненным и твердым элементом, в котором предусмотрены каналы для размещения оптических волокон 42. Волоконное тело может включать в себя торцевую поверхность 42, образующую скос на дистальном конце волоконного тела.
Оптическое волокно 42 может быть предусмотрено для освещения и сбора света с дистальным концом оптического волокна на кончике, то есть на торцевой поверхности 44 волоконного тела. Проксимальный конец волокна может быть соединен с оптической консолью, способной испускать и принимать свет. Для оптимального обнаружения ткани может быть целесообразно направлять, по меньшей мере, два оптических волокна 44 (источник и детектор) к кончику, причем концы кончиков волокна находятся на максимальном расстоянии друг от друга.
В качестве дополнительного признака отверстие для применения вакуума может быть реализовано внутри главного стержня, стержня трубки и/или в волоконном теле и может использоваться для всасывания ткани в выемку 16 после того, как главный стержень 10 был извлечен для того, чтобы убедиться в том, что биопсия имеет достаточный размер. Таким образом, вакуум может также гарантировать, что ткань оказывается в тесном контакте с оптическими волокнами 44, обращенными к проксимальной стороне обнаженной выемки 16, для случая, когда ткань в выемке характеризуется до получения биопсии.
Включение в состав небольшого отверстия для применения вакуума может также сделать возможным одновременный биологический/физиологический анализ рассматриваемой крови/ткани, таким образом получая лучшее качество биопсии. Вакуум можно использовать для всасывания небольших количеств (микролитров) биологической жидкости (например, крови/сыворотки, желчи или другого) для мгновенного биохимического анализа, который может быть использован для дополнения оптической характеристики ткани.
Для этого вакуум предпочтительно реализуется через небольшое отверстие для вакуума внутри или на волоконном теле, так что отбор проб крови может выполняться в рамках описанной конструкции на кончике, а также в выемке. Абсорбированную кровь/клетки можно анализировать с помощью соответствующих детекторов (таких как микроструйные устройства размером с кристалл микросхемы и/или микроэлектромеханические системы MEMS), соединенных с дистальным концом вакуумного канала, что позволяет проводить мгновенный анализ.
Например, датчики pH на основе MEMS могут сделать возможной комплементарную классификацию опухолевой (кислотной) и нормальной (основной) ткани на основе рН. Помимо датчиков pH, могут использоваться и другие специальные датчики, которые могли бы охарактеризовать изучаемый образец ткани. Это может служить дополнительным средством поддержки оптического обнаружения ткани в трудных случаях и, тем самым, еще больше улучшить результаты процедур оптической биопсии.
Оптические волокна и вакуумный канал могут быть встроены в стержень и/или волоконное тело образом, чтобы обеспечить (1) достаточно большое расстояние волокон для характеристики ткани, и что (2) отверстие имеет подходящий размер для всасывания образцов ткани в трубку для биопсии, не препятствуя стабильности стержня и/или волоконного тела.
На фигурах 5, 6, 7 и 8 изображены этапы способа, обозначенные заглавными буквами от А до G. Способ начинается с вставки трубки 20 в устройство для биопсии и заканчивается оптическим анализом биопсийной ткани. Понятно, что этапы показанного способа являются основными этапами, которые можно разделить на подэтапы. Кроме того, между более значительными этапами могут быть подэтапы.
Как показано на Фиг.10, волокна интервенционного устройства могут быть соединены с оптической консолью 60. Оптические волокна можно рассматривать как световоды или оптические волноводы. В одном из вариантов осуществления консоль 60 содержит источник света 64 в виде галогенового широкополосного источника излучения со встроенным затвором и оптический детектор 66. Оптический детектор 66 может анализировать свет с длиной волны, по существу, в видимой и инфракрасной областях спектра длин волн, например от 400 нм до 1700 нм. Комбинация источника света 64 и детектора 66 позволяет проводить измерения коэффициента диффузионного отражения. Подробное обсуждение измерений коэффициента диффузного отражения смотри R. Nachabe, B.H.W. Hendriks, A.E. Desjardins, M. van der Voort, M.B. van der Mark, и H.J.C.M. Sterenborg, «Estimation of lipid and water concentrations in scattering media with diffuse optical spectroscopy from 900 to 1600nm», J. Biomed. Opt. 15, 037015 (2010).
Необязательно также возможно, что консоль соединена с устройством получения изображения, способным отображать внутреннюю часть тела, например, когда биопсия берется под визуализационным контролем. В этом случае также можно сохранить изображение внутренней области, когда биопсию переносят в контейнер для биопсии. В этом случае информация in vivo оптической иглы для биопсии, информация о клинических исследованиях биопсии, а также место, где была взята биопсия, могут быть собраны вместе для расширенных клинических исследований.
С другой стороны, также могут быть предусмотрены другие оптические способы, такие как диффузная оптическая томография, с использованием множества оптических волокон, дифференциальная спектроскопия длины пути, флуоресцентная и рамановская спектроскопия для определения свойств ткани.
На Фиг.10 также показаны всасывающее устройство 70 и устройство 62 для получения информации о клинических исследованиях ex-vivo. Всасывающее устройство может быть соединено с проксимальным концом устройства для биопсии, так что пониженное давление или вакуум можно приложить через устройство для биопсии к дистальному его концу, в частности к выемке на дистальном конце устройства для биопсии.
Устройство 62 может быть соединено, с одной стороны, с консолью 60, а с другой стороны, с устройством 80 посредством проводов или беспроводной связи для обмена информацией, такой как команды управления или данные, представляющие патологические аспекты исследуемого образца ткани.
Следует отметить, что устройство 80 на Фиг.10 обеспечивает комбинацию устройств, как показано на Фиг. 7 и 8. Другими словами, устройство 80 на Фиг.10 содержит насосное устройство 84 в емкости 85 для обработки ткани в трубке 20 через текучую среду или жидкость под давлением и дополнительно содержит источник 94 излучения и детектор 98 для оптического контроля ткани внутри трубки 20.
Устройство 62 может представлять собой цифровую систему для клинических исследований, состоящую из оптического сканера и системы управления изображением для обеспечения оцифровки, хранения, поиска и обработки изображений окрашивания тканей, считывания информации, хранящейся в контейнере блока памяти, и интеграции этой информации с оцифрованным набором данных об окрашивании, который должен быть представлен патоморфологу. В дополнение к этому может быть также представлен набор данных из фотонного устройства для биопсии либо рядом с изображением гистопатологии, либо два набора данных могут быть слиты в изображении, охарактеризованы и могут быть распознаны через определенный рисунок окраски изображения. Например, уровень оксигенации, измеренный in-vivo, можно добавить как красный цвет, где темно-красный цвет означает низкую оксигенацию, а ярко-красный означает высокий уровень оксигенации. Кроме того, молекулярные пространственные распределения из Фурье-спектроскопии или рамановской спектроскопии могут быть добавлены в виде цветокодированной карты в слайд клинических исследований конкретных молекул.
Можно резюмировать, что образец ткани, который может в первую очередь подлежать осмотру ткани in vivo, то есть осмотру внутри живого тела, во-вторых, может подлежать обследованию ткани ex-vivo с помощью устройств 80 и 62.
Процессор преобразует измеренный спектр в физиологические параметры, которые являются показательными для состояния ткани, а монитор 68 может использоваться для визуализации результатов.
Компьютерная программа, исполняемая на процессоре, может быть предоставлена на подходящих носителях, таких как средства оптического хранения или твердотельных носителях, поставляемых вместе или как часть процессора, но также могут распространяться в других формах, как через Интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы.
Для измерений флуоресценции консоль должна быть способна предоставлять возбуждающий свет, по меньшей мере, одному подводящему волокну при обнаружении флуоресценции, генерируемой тканями, через один или несколько волокон обнаружения. Источником света возбуждения может быть лазер (например, полупроводниковый лазер), светоизлучающий диод (СИД) или фильтрованный источник света, такой как ртутная лампа с фильтрами. В общем случае длины волн, испускаемых источником возбуждающего света, короче диапазона длин волн флуоресценции, которая должна быть обнаружена. Предпочтительно отфильтровать свет возбуждения с помощью фильтра обнаружения, чтобы избежать возможной перегрузки детектора светом возбуждения. Селективный по длине волны детектор, например, спектрометр, требуется, когда присутствуют многочисленные флуоресцентные объекты, которые необходимо отличать друг от друга.
В случае, когда измерения флуоресценции должны сочетаться с измерениями коэффициента диффузного отражения, свет возбуждения для измерения флуоресценции может подаваться в одно и то же подводящее волокно, что и свет для диффузного отражения. Это может быть достигнуто, например, с использованием волоконного переключателя или разделителя пучка или дихроичное устройство сведения лучей с фокусирующей оптикой. Альтернативно, отдельные волокна можно использовать для подачи света флуоресцентного возбуждения и света для измерений коэффициента диффузного отражения.
Описанные устройства могут использоваться при минимально инвазивных вмешательствах иглы, таких как вмешательство при болях в пояснице или биопсия при диагностике рака или в случае, когда требуется характеристика ткани вокруг иглы.
Хотя изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и предшествующем описании, такие иллюстрации и описание должны рассматриваться как иллюстративные или приведенные в качестве примера, а не ограничивающие; изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления. Изучив чертежи, раскрытие и приложенную формулу изобретения, специалисты в данной области смогут понять и осуществить при практической реализации заявленного изобретения другие вариации показанных вариантов осуществления.
В формуле изобретения слово «содержит» не исключает других элементов или этапов, и формы единственного числа не исключают множественного числа. Сам факт того, что определенные меры перечислены во взаимно отличных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что сочетание этих мер нельзя использовать с пользой. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны рассматриваться в качестве ограничения объема.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
10 главный стержень
12 канал главного стержня
14 дистальный кончик
16 выемка
18 вырез
20 трубка для биопсии
22 проксимальный конец
24 дистальный конец
26 продольная ось
28 канал трубки для биопсии
30 стержень трубки
32 первый конец
33 концевой участок
34 второй конец
36 продольная ось
38 канал стержня трубки
42 оптическое волокно
44 торцевая поверхность волоконного тела
50 внешняя втулка
52 режущий край
54 боковое отверстие
56 выступающий внутрь край
60 консоль
62 устройство для осмотра тканей ex-vivo
64 источник света
66 детектор света
68 монитор
70 всасывающее устройство
80 устройство для обработки тканей
82 держатель трубки
83, 87 канал для текучей среды
84 насосное устройство
85 емкость
86 уплотнение
90 устройство для осмотра тканей
92 держатель трубки
94 источник излучения
96 линза
98 детектор излучения
100 стержень
200 выемка
220 внутренняя область образца ткани
240 внешняя область образца ткани
260 образец ткани
300 открытая емкость
400 окрашивающая жидкость
500 внешний элемент.