Способ диагностики заболеваний верхнечелюстных пазух пациента и устройство для его осуществления
METHOD FOR DIAGNOSIS OF MAXILLARY SINUS DISEASES OF A PATIENT AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Настоящее изобретение относится к медицине, а именно к оториноларингологии, и может быть использовано для диагностики заболеваний верхнечелюстных пазух и кист.
Известны способ и устройство для диагностики заболеваний верхнечелюстных пазух и кист, в частности фронтитов и синуситов, основанный на диафаноскопическом исследовании околоносовых пазух, то есть на изучении двумерного распределения по выбранному участку лица пациента интенсивности проходящего через ткани света с не менее чем двумя выбранными длинами волн видимой и/или ближней инфракрасной области, который распространяется от светового аппликатора, содержащего источники света и размещенного таким образом, чтобы выбранный участок лица пациента был расположен между источниками света и устройством регистрации интенсивности излучения, в частности, в ротовой полости пациента. Эти способ и устройство для его реализации описаны в заявке на патент США № US 2014/0221843. Недостатками известных способа и устройства является их невысокая чувствительность, обусловленная значительным количеством артефактов, связанных с особенностями кожного покрова и подкожной ткани конкретного пациента в исследуемой области, а также со случайным освещением поверхности лица пациента от внешних источников, неизбежно присутствующих в диагностическом кабинете.
Известен также способ диагностики синуситов, основанный на термографии, или тепловизионном изучении исследуемой анатомической области, где изменение температуры может быть клиническим симптомом заболевания (Дурново Е.А., Марочкина М.С., Хомутинникова Н.Е., Потехина Ю.П., Янова Н.А. Возможности инфракрасной термографии в комплексной диагностике заболеваний челюстно-лицевой области. // Современные проблемы науки и образования. 2012 г., №4). Для тепловизионных исследований при термографии используют тепловизионные камеры, которые регистрируют распределение плотности излучения среднего инфракрасного диапазона в диапазоне длин волн 8-12 мкм с поверхности изучаемой области и определяют по нему распределение температуры по поверхности изучаемой области. Поскольку при воспалительных заболеваниях верхнечелюстных пазух и кист в них и вокруг них возникают зоны с повышенной температурой, над этими зонами за счет диффузии тепла к поверхности лица пациента возникают участки с повышенной температурой на коже, обнаружение которых и служит диагностическим признаком. Однако при исследовании именно челюстно-лицевой области на термограммах могут появляться различные ошибки и артефакты, связанные с наличием поверхностно расположенные сосудов, возрастом пациента, толщиной подкожно-жировой клетчатки, колебаниями температуры окружающей среды, что в свою очередь может привести к диагностическим ошибкам. Именно эти ошибки в основном и ограничивают использование термографии при диагностике заболеваний челюстно-лицевой области.
Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в недостаточной чувствительности и достоверности диагностики заболеваний верхнечелюстных пазух и кист лица пациентов из-за значительного количества артефактов, связанных с особенностями кожного покрова и подкожной ткани конкретного пациента в исследуемой области.
Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение чувствительности и достоверности диагностики заболеваний верхнечелюстных пазух и кист лица пациентов.
Технический результат достигается тем, что в способе диагностики заболеваний верхнечелюстных пазух и кист лица пациента, включающем регистрацию сигналов, соответствующих двумерному распределению по выбранному участку лица пациента интенсивности проходящего через ткани света с, по меньшей мере, двумя выбранными длинами волн видимой и/или ближней инфракрасной области, который распространяется от светового аппликатора, содержащего источники света и размещенного таким образом, чтобы выбранный участок лица пациента был расположен между источниками света и устройством регистрации интенсивности излучения, в частности, в ротовой полости пациента, и регистрацию сигнала термовизионного изображения, пропорционального двумерному распределению по выбранному участку лица пациента плотности мощности инфракрасного излучения в среднем инфракрасном диапазоне длин волн 8-12 мкм или других параметров, характеризующих локальную температуру, последующую цифровую обработку распределения зарегистрированных сигналов и формирование двумерного отображения выходного сигнала, пропорционального результату цифровой обработки, дополнительно проводят регистрацию изображения выбранного участка на тех же длинах волн при выключенных диагностических источниках света, цифровая обработка включает поточечное деление сигнала интенсивности в термовизионном изображении на среднеквадратическую сумму сигналов, соответствующих двумерному распределению по выбранному участку лица пациента значений интенсивности света каждой длины волны, из которых вычтены значения интенсивности света на той же длине волны при выключенных диагностических источниках света, а полученный выходной результат цифровой обработки отображают в виде двумерного распределения, в качестве зоны предполагаемого заболевания анализируют зоны с высоким уровнем выходного сигнала цифровой обработки.
Технический результат достигается также тем, что облучение тканей источниками света с разными длинами волн в процессе регистрации осуществляют попеременно в непрерывном режиме.
Технический результат достигается также тем, что облучение тканей источниками света с разными длинами волн в процессе регистрации осуществляют попеременно в импульсном режиме, синхронизированном с процессом регистрации сигналов.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для диагностики заболеваний верхнечелюстных пазух и кист, включающем световой аппликатор с источниками света нескольких длин волн в видимой и ближней инфракрасной областях, оптические выходы которых расположены и направлены в ротовой полости таким образом, что их излучение проходит через верхнечелюстные пазухи и/или кисты, а также прилегающие к ним ткани, устройство регистрации интенсивности диагностического излучения, включающее видеокамеру видимой и ближней инфракрасной областей с объективом, блоком его динамической фокусировки и выходом сигналов синхронизации, тепловизионную камеру средней инфракрасной области, чувствительную в диапазоне длин волн 8-12 мкм, с объективом, блоком его динамической фокусировки и выходом сигналов синхронизации, блок прецизионного позиционирования устройства регистрации интенсивности излучения по отношению к выбранному участку лица пациента, систему обработки сигналов видеокамер и анализа диагностической информации и систему отображения диагностической информации, устройство дополнительно содержит блок выбора режима и коммутации источников света с различными длинами волн с входом сигналов синхронизации, система обработки сигналов видеокамер и анализа диагностической информации дополнительно содержит блок запоминания и вычитания изображений, полученных при включенных и выключенных источниках света, блок определения среднеквадратической суммы сигналов после вычитания, полученных на разных длинах волн, двухвходовый блок поточечного деления сигнала интенсивности в термовизионном изображении на среднеквадратичную сумму сигналов, входы которого соединены с выходом сигналов тепловизионной камеры среднего инфракрасного диапазона и блока определения среднеквадратической суммы сигналов, выходы сигналов синхронизации камер соединены с входами сигналов синхронизации блока выбора режима и коммутации источников света с различными длинами волн.
Технический результат достигается также тем, что источники света со всеми длинами волн расположены в виде двух матриц в зонах открытых пазух в небе рта.
Технический результат достигается также тем, что в качестве источников света используются лазерные диоды.
Технический результат достигается также тем, что в качестве источников света используются светодиоды.
Технический результат достигается также тем, что в качестве источников света используются миниатюрные лампы со светофильтрами.
Технический результат достигается также тем, что в качестве источников света используются дистальные торцы световодов, противоположные концы которых соединены с выходами лазеров.
Сущность изобретения поясняется Фиг. 1 и 2.
На Фиг. 1 изображено схематически предлагаемое устройство. Использованы следующие обозначения:
1 - световой аппликатор;
2 - источники света;
3 - устройство регистрации интенсивности диагностического излучения;
4 - блок прецизионного позиционирования устройства 3 регистрации интенсивности излучения;
5 - видеокамера видимого и ближнего инфракрасного диапазона с объективом и блоком его динамической фокусировки;
6 - тепловизионная камера среднего инфракрасного диапазона, чувствительная в диапазоне длин волн 8-12 мкм, с объективом и блоком его динамической фокусировки;
7 - система обработки сигналов видеокамер и анализа диагностической информации;
8 - система отображения диагностической информации;
9 - блок выбора режима и коммутации источников света с различными длинами волн;
10 - блок запоминания и вычитания изображений, полученных при включенных и выключенных источниках света;
11 - блок определения среднеквадратической суммы сигналов, полученных на разных длинах волн после вычитания;
12 - двухвходовый блок поточечного деления сигнала интенсивности в термовизионном изображении на среднеквадратическую сумму сигналов.
На Фиг. 2 показаны результаты диагностического исследования лица здорового пациента и больного синуситом пациента при использовании предлагаемого способа, где:
A) цифровое изображение лица здорового пациента при диафаноскопическом исследовании на длине волны подсветки 650 нм;
Б) цифровое изображение лица здорового пациента при диафаноскопическом исследовании на длине волны подсветки 850 нм;
B) цифровое термографическое изображение лица здорового пациента;
Г) цифровое изображение лица здорового пациента при диагностике по предлагаемому способу;
Д) цифровое диафаноскопическое изображение лица больного синуситом пациента при диафаноскопическом исследовании на длине волны подсветки 650 нм;
Е) цифровое диафаноскопическое изображение лица больного синуситом пациента при диафаноскопическом исследовании на длине волны подсветки 850 нм;
Ж) цифровое термографическое изображение лица больного пациента;
З) цифровое изображение лица больного пациента с синуситом после компьютерной обработки.
Устройство для диагностики заболеваний верхнечелюстных пазух и кист (фиг. 1) содержит световой аппликатор 1, помещаемый в ротовую полость пациента, с источниками света 2 с по меньшей мере двумя длинами волн в видимом или ближнем инфракрасном диапазонах спектра, оптические выходы которых расположены и направлены таким образом, что их излучение проходит через верхнечелюстные пазухи и/или кисты, а также прилегающие к ним ткани, устройство 3 регистрации интенсивности диагностического излучения, устанавливаемое с помощью блока 4 прецизионного позиционирования перед диагностируемым участком и включающее видеокамеру 5 видимого и ближнего инфракрасного диапазона с объективом, блоком его динамической фокусировки и выходом сигналов синхронизации и тепловизионную камеру 6 среднего инфракрасного диапазона, чувствительную в диапазоне длин волн 8-12 мкм, с объективом, блоком его динамической фокусировки и выходом сигналов синхронизации, систему 7 обработки сигналов камер и анализа диагностической информации, в которую входят блок 10 запоминания и вычитания изображений, получаемых при включенных и выключенных источниках света, и блок 11 определения среднеквадратической суммы сигналов, полученных на разных длинах волн после вычитания, систему 8 отображения диагностической информации, блок 9 выбора режима и коммутации источников света с различными длинами волн с входом сигналов синхронизации, двухвходовый блок 12 поточечного разделения сигнала интенсивности в термовизионном изображении на среднеквадратичную сумму сигналов. Входы двухвходового блока 12 поточечного разделения сигнала интенсивности в термовизионном изображении на среднеквадратическую сумму сигналов соединены с выходами сигналов тепловизионной камеры 6 среднего инфракрасного диапазона и блока определения среднеквадратической суммы сигналов 11, выходы сигналов синхронизации камер 5 и 6 соединены с входами сигналов синхронизации блока 9 выбора режима и коммутации источников света с различными длинами волн.
При диагностике по предлагаемому способу с использованием предлагаемого устройства световой аппликатор 1 помещают в ротовую полость пациента таким образом, чтобы излучение источников света 2 по крайней мере с двумя длинами волн в видимом или ближнем инфракрасном диапазонах спектра проходило через верхнечелюстные пазухи и/или кисты, а также прилегающие к ним ткани, и попадало на вход устройства 3 регистрации интенсивности диагностического излучения, установленное с помощью блока 4 прецизионного позиционирования перед диагностируемым участком. Устройство 3 с видеокамерой 5 видимого и ближнего инфракрасного диапазона с объективом и блоком его динамической фокусировки и тепловизионная камера 6 среднего инфракрасного диапазона, чувствительная в диапазоне длин волн 8-12 мкм, с объективом и блоком его динамической фокусировки настраиваются на максимальную четкость изображения поверхности выбранного участка. Информация о распределении зарегистрированных видеокамерой 5 и тепловизионной камерой 6 сигналов поступает в систему 7 обработки сигналов камер и анализа диагностической информации, а из нее после обработки на систему 8 - отображения диагностической информации. При включении устройства блок 9 выбора режима и коммутации источников света с различными длинами волн, синхронизированный с видеокамерой 5 и тепловизионной камерой 6, осуществляет выбор режима и последовательности включений источников света. По команде блока 9 включаются источники 2 света одной длины волны (например, со спектральным максимумом в видимом диапазоне при 650 нм), видеокамера 5 производит регистрацию изображения выбранного участка лица пациента при включенных источниках этого излучения, затем источники по команде блока 9 отключаются, и записывается изображение этого участка только при наружном освещении диагностического кабинета. После этого по команде блока 9 включаются источники 2 света с другой длиной волны (например, со спектральным максимумом в ближнем инфракрасном диапазоне при 850 нм), видеокамера 5 производит регистрацию изображения выбранного участка тела пациента при включенных источниках этого излучения, затем источники по команде блока 9 отключаются, и записывается изображение этого участка только при наружном освещении диагностического кабинета, и т.д. Сигналы видеокамеры, описывающие эти изображения, поступают в систему 7 обработки сигналов камер и анализа диагностической информации на блок 10 запоминания и вычитания изображений, полученных при включенных и выключенных источниках света, а с блока 10 - на блок 11 определения среднеквадратической суммы сигналов, полученных на разных длинах волн после вычитания. Информация с тепловизионной камеры 6 и блока 11 поступает на входы двухвходового блока 12 поточечного деления сигнала интенсивности в термовизионном изображении на среднеквадратическую сумму сигналов. Информация с выхода блока 12 поступает на вход системы 8 отображения диагностической информации.
Источники 2 могут работать попеременно как в непрерывном (квазинепрерывном) режиме, так и в импульсном режиме с большой мощностью, синхронизируемом с видеокамерой 5 и тепловизионной камерой 6. В обоих режимах средняя мощность источников света выбирается таким образом, чтобы разогрев тканей, обусловленный поглощением света источников на присутствующих в тканях эндогенных флуорохромах, не превышал 0,2°С.
В качестве источников света могут использоваться светодиоды, либо лазерные диоды, либо миниатюрные лампы с фильтрами. В качестве источников света могут служить также дистальные торцы световодов, противоположные концы которых соединены с выходами лазеров или иных источников света, установленных вне ротовой полости. Электропровода питания светодиодов (либо лазерных диодов, либо миниатюрных ламп с фильтрами) или световоды проводятся при этом через световой аппликатор. При использовании в качестве источников света световодов они могут быть выполнены в виде гибкого многоволоконного жгута.
Авторами экспериментально установлено, что деление термографического изображения на среднеквадратическую сумму сигналов изображений, полученных на различных длинах волн, позволяет выявить даже небольшие воспалительные процессы верхнечелюстных пазух и кист лица пациента. При этом, чем сильнее воспаление в околоносных пазухах пациентов, тем выше температура и больше интенсивность теплового инфракрасного излучения от внешней поверхности кожи над пазухами, и тем меньше из-за повышенного рассеяния света в воспаленных местах среднеквадратическая сумма сигналов, полученных в предлагаемом устройстве на разных длинах волн после вычитания. Поэтому в системе отображения 8 наблюдается существенно более четкое и контрастное изображение, позволяющее обнаружить даже небольшие воспалительнве процессы и избежать артефактов, что повышает чувствительность и достоверность диагностики.
Пример реализации заявляемого устройства
Световой аппликатор 1 выполнен из мягкой оптически прозрачной силиконовой резины, в которую вмонтированы источники света, выполненные в виде двух микроматриц светодиодов 2. Микроматрицы разнесены на расстояние, соответствующее среднему расстоянию для большинства анатомически известных областей в небе рта, в котором отсутствует костная ткань (каналы сообщения ротовой полости и носоглотки). В каждой матрице в один ряд расположены 8 светодиодов с длиной волны 650±20 нм и 8 светодиодов с длиной 850±30 нм. Расстояния между светодиодами выбраны менее 1.2 мм; поэтому при включении относительно малые отверстия в носоглотке гарантированно окажутся в зоне прямого излучения хотя бы одной пары светодиодов. Блок режима коммутации 9 выполнен на основе микроконтроллера, в котором задан алгоритм коммутации светодиодов с последовательным переключением по длинам волн и по позиции в матрицах, причем для обеих матриц это происходит синхронно и одинаково. В результате это обеспечивает возможность вместо одной картины на длине волны 650 нм или 850 нм иметь до 8 картин, одна пара из которых и обеспечит наибольшее проникновение света через отверстия в носоглотке в пазухи и кисты.
Блок прецизионного позиционирования 4 выполнен в виде платформы с укрепленными камерами 5 и 6, которая снабжена двух- или трехкоординатным шаговым приводом, позволяющим в ручном или автоматическом режимах проводить быстрые перемещения и настраивать камеры на максимальную четкость изображения.
Сигнал от видеокамеры 5 поступает на блок запоминания и вычитания изображений 10 и на блок 9 выбора режима коммутации источников света 2 с длинами волн 650 нм и 850 нм. Сигнал термоизображения от тепловизионной камеры подается на первый вход блока 12 и также на второй вход синхронизации блока 9. В результате записываемое термовизионное изображение оказывается синхронизированным с камерой 5.
В блоке 10 формируются видеоизображения, в которых в значительной мере снижены оптические помехи, связанные с общим уровнем освещения в помещении и фоновой засветкой на длинах волн 650 нм и 850 нм. Это обеспечивается режимом вычитания из полученной картинки сигнала, зарегистрированного при выключенных источниках света 2. Полученные в блоке 10 изображения поступают по параллельно-последовательному каналу в блок 11, где происходит вычисление среднеквадратичной суммы сигналов, полученных на разных длинах волн после вычитания изображения фоновой засветки. Блоки 10 и 11 объединены в системе 7 обработки сигналов видеокамер и анализа диагностической информации, поскольку этот тип операций, связанный с поточечной обработкой больших массивов информации, параметрически надежнее изготавливать на базе одного мощного и быстродействующего микропроцессора.
Сигналы камер 5 и 6 в виде последовательно переданных массивов изображений поступают на первый и второй входы блока 12, который выполнен на основе современного быстродействующего многофункционального микропроцессора, в котором выполняются операции поточечного разделения сигнала интенсивности в термовизионном изображении на среднеквадратичную сумму сигналов камеры 5. Таким образом, из изображений на Фиг. 2 (А, Б, В) поточечно формируется изображение Г. Аналогично из изображений на Фиг. 2 (Д, Е, Ж) формируется изображение З, на котором отчетливо выявляется аномальная зона (выделена контуром). Далее по уровням может быть создана контурная карта уровней с шагом от 1% до 10% от максимально уровня сигнала.
Вся полученная информация передается на систему отображения диагностической информации 8. Система выполнена на основе ноутбука или планшета с сенсорным экраном. На экране, кроме исходных и расчетных изображений, с помощью специальной программы формируется информационный протокол исследования пациента, в котором дана оценка по заданным критериям.