САПФИРОВЫЙ НЕЙРОХИРУРГИЧЕСКИЙ ЗОНД ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ОПУХОЛЕЙ ГОЛОВНОГО И СПИННОГО МОЗГА ПОД КОНТРОЛЕМ КОМБИНИРОВАННОЙ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Полезная модель относится к медицине, а именно к диагностической хирургии, и может быть использована в хирургии глиальных опухолей головного и спинного мозга.
Глиальные опухли - первичные опухоли головного мозга, которые характеризуется инфильтрационным ростом с сильно разветвленной границей.
Широко применяющимся способом выявления границ (участков, фрагментов) глиальных опухолей является возбуждение и наблюдение флуоресценции естественных пигментов ткани (аутофлуоресценция) или вводимых препаратов (фотосенсибилизаторов), концентрация которых различна для нормальных тканей и ткани опухоли.
Кроме того, сложное морфологическое строение различных участков глиальной опухоли характеризуется существенным различием их оптических свойств, так, что измерение оптических параметров рассеяния излучения разными участками опухоли и окружающих здоровых тканей дает дополнительную информацию при определении границ глиомы. Для глиобластом GRADE IV можно различать до трех зон, параметры которых отличны от оптических характеристик здоровой ткани белого вещества головного мозга: область активного роста опухоли, перифокальная зона (граница опухоли) и область некроза.
Известным устройством, позволяющим проводить одновременно регистрацию спектроскопических и фотометрических данных, и далее, на основе известных оптических параметров вышеперечисленных зон определять кровенаполнение, оксигенацию, концентрацию протопорфирина IX и оценку клеточного изменения строения тканей, является волоконно-оптический зонд для проведения операций по удалению глиом с сопровождением комбинированной спектроскопии [Потапов А.А., Горяйнов С.А., Лощенов В.Б., Савельева Т.А. и др. «Интраоперационная комбинированная спектроскопия (оптическая биопсия) глиом головного мозга», Вопросы нейрохирургии 2013; 2: 3-10.]. Зонд представляет собой жгут из кварцевых волокон, помещенных в общую полимерную оболочку, два из этих волокон для передачи белого излучения и регистрации рассеянного излучения (фотометрических измерений, волокно для передачи излучения для возбуждения флуоресценции, остальные для захвата излучения флуоресценции).
Для своего предназначения зонд имеет ряд недостатков, а именно ограничение на повторное и тем более многократное использование из-за невозможности жесткого обеззараживания рабочей части зонда после контактного использования в ходе операции. Кроме того, существенным недостатком является небольшая фиксированная глубина диагностики с данным зондом, которая определяется расстоянием между передающим и диагностическим волокнами. При работе данного зонда в контакте с тканью эффективная область диагностики заключена в вытянутом объеме («банане»), опирающемся на торцы волокон и ограничена следующими размерами: 0,3 мм вглубь ткани с диаметром на поверхности около 1,5 мм. Кроме того, при работе различными инструментами для обнаружения участка опухоли в столь малом объеме в процессе диагностики и удаления этого участка высока вероятность ошибки, что приводит к необходимости удаления с запасом здоровой ткани.
Известно устройство для удаления опухолей мозга с выделением границ опухоли флуоресцентной диагностикой с одновременной коагуляцией и аспирацией [патент РФ 2510248 С2 «Способ удаления опухолей мозга с выделением границ опухоли флуоресцентной диагностикой с одновременной коагуляцией и аспирацией и устройство для его осуществления» Курлов В.Н., Шикунова И.А., Киселев A.M., Есин И.В. опубл. 2014-03-27], позволяющее в контактном режиме осуществлять флуоресцентную спектроскопию тканей мозга для уточнения границ опухоли, выявления неопределяемых визуально опухолевых участков и одновременно выполнять удаление этих участков единым хирургическим инструментом. Система содержит источник излучения, возбуждающего флуоресценцию маркеров опухолевых клеток (эндогенных и экзогенных), спектрометрическую систему с волоконным выводом, Y-образный волоконно-оптический световод, аспиратор, а также хирургический инструмент - сапфировый контактный нейрозонд. Кроме того, в систему могут входить дополнительные источники лазерного излучения для осуществления своевременной коагуляции сосудов или локального лазерного воздействия на ткани мозга.
Нейрозонд представляет собой сапфировый монокристаллический стержень, содержащий продольные каналы. Часть каналов закрыта со стороны рабочего торца инструмента - они предназначены для размещения кварц-полимерных оптоволоконных световодов для передачи излучения для возбуждения и захвата флуоресценции. Также в стержне имеется сквозной продольный аспирационный канал, через который выявленные фрагменты опухоли и кровь удаляются из операционной зоны. Предложены схемы с различной формой и размещением каналов в нейрозонде как с симметричным, так и несимметричным расположением каналов для флуоресцентной диагностики. В устройстве не предусмотрена возможность фотометрических измерений, что снижает его диагностическую эффективность, надежность определения опухолевых тканей.
Техническим результатом, на который направлена полезная модель, является увеличение эффективности (показателя тотальности) удаления глиальных опухолей головного и спинного мозга, увеличение пространственной чувствительности диагностики обратного рассеяния, улучшение свето-энергетических параметров данной диагностики, увеличенный срок службы сапфирового нейрохирургического зонда для удаления глиальных опухолей головного и спинного мозга.
Технический результат достигается за счет того, что в сапфировом нейрохирургическом зонде, представляющем собой сапфировый стержень с продольными каналами, часть из которых открыта, остальные закрыты, в них расположены оптические волокна для передачи излучения для возбуждения флуоресценции и волокна для передачи излучения флуоресценции, часть волокон используется для передачи широкополосного излучения в оба направления, толщина слоя сапфира перед рабочими торцами волокон для передачи широкополосного излучения по оси не превышает 1 мм.
Технический результат также достигается за счет того, что в сапфировом нейрохирургическом зонде все оптические волокна собраны в жгут и размещены в одном закрытом канале сапфирового стержня. Изоляция всех волокон от контакта со средой допускает мягкие способы стерилизации кварц полимерного зонда, что позволяет использовать его многократно.
Технический результат также достигается за счет того, что в сапфировом нейрохирургическом зонде по крайней мере у части каналов дно канала имеет форму полусферы.
Компонента диффузно рассеянного тканью излучения в направлении приемника появляется в результате существенного (близкого к полному) отклонения направления движения пакетов фотонов от первоначального направления в результате многократного рассеяния на неоднородностях показателя преломления в объеме биологической ткани. Системой регистрируются фотоны, попадающие в результате такого движения на площадку приемного торца диагностического волокна (или волокон) и вписывающихся в рабочую апертуру этого волокна. Наличие окна (плоскопараллельной пластины перед рабочими торцами волокон спектрометрической системы в сапфировом зонде), позволяет увеличить площадь перекрытия угловых полей освещающего и приемных волокон, что приводит к повышению свето-энергетической эффективности диагностической обратного рассеяния.
Наличие полусферической поверхности на торце каналов, содержащих волокна позволяет с одной стороны увеличить область облучения (так как имеющее кривизну дно зонда в совокупности с плоской поверхностью контакта действует как отрицательная рассеивающая линза), а также, с другой стороны, позволяет проводить селекцию захватываемых приосевых лучей, так как крайние лучи при попадании такую поверхность испытают внутренне отражение и не захватываются приемным волокном. Это обеспечивает увеличение пространственной точности диагностики. Глубина диагностики при этом увеличена до нескольких миллиметров (зависит от глубины проникновения излучения), что существенно выше, чем у аналога (0,3 мм - определяется геометрией зонда).
Полезная модель поясняется чертежами, представленными на Фиг. 1-4, где на Фиг. 1 показана схема сапфирового нейрохирургического зонда для удаления опухолей головного и спинного мозга под контролем комбинированной спектроскопический диагностики. На Фиг. 2 показана схема фотометрических измерений по полезной модели, на Фиг. 3 и 4 показаны схемы фотометрических измерений по частным случаям полезной модели.
Сапфировый нейрохирургический зонд для удаления опухолей головного и спинного мозга под контролем комбинированной спектроскопической диагностики содержит сапфировый стержень 1 с продольными каналами, часть из которых закрыты, и в них расположены оптические волокна для передачи излучения для возбуждения флуоресценции и регистрации флуоресценции, волокна для передачи широкополосного излучения 2. Перед волокнами для передачи широкополостного излучения в оба направления имеется слой сапфира, толщиной не более 1 мм. Облучение производят через рабочий торец 3 (Фиг. 1)
Для проведения комбинированных спектральных и фотометрических измерений рабочий торец 3 зонда приводится в контакт с тканью 4. Широкополосное излучение покидает волокно в пределах его выходной апертуры, при этом за счет наличия слоя сапфира диаметр пятна, через которое излучение входит в ткань, превышает диаметр волокна. Рассеяние в ткани приводит к появлению ореола 5 вокруг этого пятна - рассеянного обратно, покидающего ткань излучения. Это излучение далее регистрируется приемным волокном, расположенным в канале зонда, параллельным каналу с облучающим волокном (Фиг. 2) или в том же канале зонда (Фиг. 3). Приемные волокна в обоих случаях находятся на удалении от рабочего торца. Перекрытие рабочих апертур облучающего и приемного волокон позволяет эффективно регистрировать фотоны, рассеянные тканью в обратном направлении из области диагностики 6.
Полусферическое дно 7 канала для облучающего волокна дополнительно увеличивает диаметр пятна, через которое излучение входит в ткань (Фиг. 4). Далее, при регистрации обратно-рассеянного тканью излучения приемным волокном, находящимся в канале с полусферическим дном, крайние лучи 8 (имеющие большие углы к оси приемного волокна) будут отражены внутри сапфира от полусферической поверхности канала, а волокном будут захвачены лучи, идущие под небольшими углами к оптической оси приемного волокна. Это приводит к уменьшению объема диагностики 6 и улучшению пространственной чувствительности диагностики обратного рассеяния с сапфировым нейрозондом по предложенной полезной модели.
С увеличением толщины слоя сапфира от 1 миллиметра и больше происходит снижение свето-энергетической эффективности регистрации обратно рассеянного излучения из-за уменьшения плотности излучения на контактной поверхности и увеличения потерь излучения за счет полного внутреннего отражения в зонде для наклонных лучей (засветка). Кроме того, радиальное увеличение области рассеяния излучения приводит к снижению пространственной чувствительности диагностики, так как диагностическим волокном могут захватываться фотоны, испытывающие рассеяние в существенно удаленных от наиболее вероятного объема диагностики областях.
Работа предлагаемого нейрохирургического зонда может быть осуществляться следующим образом. Волокна для флуоресцентной диагностики подключаются к источнику лазерного излучения и спектрофотометру. Волокна для передачи широкополосного излучения подключаются к источнику широкополосного излучения и спектрофотометру. Пациент готовится для флуоресцентного контрастирования опухоли по стандартному протоколу. На различных этапах операции по удалению опухоли проводится спектрофотометрическая оценка концентрации протопорфирина-IX или аутофлуоресценции в окрестности рабочего окончания сапфирового нейрохирургического зонда с одновременной регистрацией излучения обратного рассеяния. Для различения участков опухоли и нормальной ткани проводят комбинированную спектрофотометрическую диагностику. Для ее проведения на основе статистических данных для данной геометрии оптической системы зонда предварительно сформировано признаковое пространство диагностики на основе спектральной информации (флуоресцентный контраст, контраст аутофлуоресценции) и коэффициента обратного диффузного отражения. Получаемые в течение операции данные непрерывно помещаются в признаковое пространство, что дает возможность определить, является ли область диагностики тканью опухоли или нет.