СИСТЕМА ДЛЯ РЕЗЕКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ САПФИРОВЫМ ЛЕЗВИЕМ С ОДНОВРЕМЕННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКОЙ ИХ ЗЛОКАЧЕСТВЕННОСТИ
SAPPHIRE-BLADE SYSTEM FOR BIOLOGICAL TISSUE RESECTION AND OPTICAL DIAGNOSTICS OF MALIGNANCY

Изобретение относится к области медицины, а именно к хирургическим медицинским инструментам, и может быть использовано для проведения хирургических операций удаления злокачественной опухоли, а именно резекции тканей с оценкой распространенности опухоли и правильности выбора объема резицируемой ткани.
Известна волоконно-оптическая система обратной связи для извлечения информации о прилегающей или подвергающейся воздействию ткани, работающая с лазерными волоконными коагулирующими скальпелями. Волоконный жгут идет к спектрометру и ЭВМ, где происходят обработка информации и формирование сигнала управления лазером [международная заявка WO 200703122 А1, публ. 2007-03-22]. Недостатком применения таких систем является потеря для хирурга информации по плотности, степени измененности ткани и т.д. при проведении разреза при бесконтактном выпаривании.
Известен компактный хирургический инструмент, обеспечивающий одновременную диагностику, включающий скальпель, состоящий из металлического лезвия с размещенными в нем датчиками давления, температуры, плотности, а также акселерометром и гироскопами, снимающими информацию о состоянии лезвия, окружающей среды или биоткани с целью идентификации разрезаемой ткани - жировой, мускульной, нервов или сосудов, и держателя для крепления лезвия и удерживания рукой инструмента с электрическими контактами для лезвия, причем скальпель электрически или беспроводным способом связан с компьютером [патент US 6,494,882 В1, US 2002/0116022 А1, публ. 2002-08-22]. Применение данной системы предполагает снижение риска повреждения нервов во время проведения разреза, при этом записанная информация может быть в дальнейшем полезна для медицинских систем слежения.
В качестве ближайшего аналога по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату может быть принят фотокоагуллирующий аппарат (прототип), который включает в себя лазер, скальпель с сапфировым лезвием, соединенный с лазером посредством оптического волокна [патент GB 1504496А, публ. 1978-03-22]. В данном аппарате реализовано использование сапфирового лезвия в качестве волновода и показана возможность получения высокой концентрации энергии в районе режущей кромки лезвия, достаточной для произведения коагуляции прилегающих сосудов. Для плавного управления мощностью лазера на ручке есть кнопка-датчик, при этом большему усилию нажатия соответствует максимальная мощность излучения лазера.
Аппарат не обеспечивает возможность проведения диагностики методами спектроскопии непосредственно в процессе проведения хирургической операции, что снижает его функциональные возможности.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании системы для резекции биологических тканей сапфировым лезвием с одновременной оптической диагностикой их злокачественности, обеспечивающих возможность проведения флуоресцентной диагностики во время проведения хирургической операции, например по удалению злокачественных опухолей.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей хирургического инструмента во время проведения хирургической операции, когда одновременно с резекцией ткани обеспечивается спектроскопическая диагностика ткани с применением фотосенсибилизаторов, что позволяет объективно оценивать степень кровенаполненности органов для планирования коагуляции и определять наличие раковой ткани для оценки распространенности опухоли и правильности выбора объема резецируемой ткани, в снижении потерь лазерного излучения, в возможности получения достаточного для целей спектральной диагностики захвата регистрирующим волокном энергии флуоресцентного излучения от прилегающих тканей и одновременно эффективной концентрации энергии излучения в области режущей кромки лезвия от излучающего волокна для фотодинамического воздействия или коагуляции, в повышении механической и химической надежности облучающего узла.
Указанные заявителем технические результаты достигаются за счет того, что система для резекции биологических тканей сапфировым лезвием с одновременной оптической диагностикой их злокачественности включает лазер, скальпель с сапфировым лезвием, соединенный с лазером посредством оптического волокна, причем в объеме сапфирового лезвия имеются два канала, торцы которых примыкают к режущей кромке и каналы используются для размещения оптических волокон, причем одно из волокон предназначено для подачи излучения, возбуждающего флуоресценцию, или коагулирующего излучения в зону резекции ткани, другое волокно предназначено для передачи излучения флуоресценции на средство, регистрирующее это излучение, при этом оптические волокна расположены в каналах таким образом, что их дистальные концы находятся к режущей кромке лезвия на расстоянии, обеспечивающим возможность регистрации флуоресцентного излучения.
Отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что в теле лезвия выполнены, по меньшей мере, два канала, расположенные вдоль лезвия, в которых размещены оптические волокна, причем одно из волокон предназначено для подачи излучения, возбуждающего флуоресценцию или коагулирующего излучения, а другое волокно предназначено для передачи излучения флуоресценции.
Выполнение лезвия, по меньшей мере, с двумя каналами для подачи лазерного излучения в зону резекции ткани и регистрации флуоресцентного излучения обеспечивает расширение фукнциональных возможностей хирургического инструмента, позволяющего во время проведения хирургической операции по удалению злокачественных опухолей одновременно с резекцией ткани проводить спектроскопическую диагностику прилегающей ткани с применением фотосенсибилизаторов для определения наличия злокачественности ткани, для оценки ее распространенности и правильности выбора объема резецируемой ткани, а расположение дистальных концов оптических волокон вблизи режущей кромки лезвия позволяет получать достаточный для целей спектральной диагностики с применением фотосенсибилизаторов захват регистрирующим волокном энергии флуоресцентного излучения от прилегающих тканей и, одновременно, эффективную концентрацию энергии излучения в области режущей кромки лезвия от излучающего волокна для фотодинамического воздействия или коагуляции. Полученные «закрытые» каналы в сапфировом лезвии сделали возможным создание излучающего узла скальпеля без неразъемного соединения (склеивания) волокон с лезвием, что повышает его механическую и химическую надежность, а также предусматривает возможность замены элементов.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения скальпель дополнительно снабжен средством для регистрации флуоресцентного излучения, расположенном на держателе лезвия.
Кроме того, в предпочтительном варианте реализации изобретения расстояние между каналами не превышает 0,5 мм
Кроме того, в частном случае реализации изобретения целесообразнее оптические волокна располагать в каналах таким образом, что бы их дистальные концы находились по отношению к режущей кромке лезвия на минимальном расстоянии, обеспечивающем наиболее эффективную регистрацию флуоресцентного излучения.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения целесообразнее оптические волокна располагать в каналах таким образом, чтобы дистальный конец волокна для регистрации флуоресцентного излучения был бы смещен относительно дистального конца волокна для подачи лазерного излучения в направлении вперед на расстояние, обеспечивающее наиболее эффективную регистрацию флуоресцентного излучения.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения в объеме сапфирового скальпеля имеются три или более трех каналов.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения несколько каналов используются для размещения волокон для подачи излучения, и излучение отличается по длине волны.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения несколько каналов используются для размещения волокон для передачи излучения флуоресценции.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, по меньшей мере, один канал выполнен открытым со стороны режущей кромки лезвия.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, диаметр каналов не превышает 0,5 мм.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения диаметр оптических волокон в каналах составляет 0,2-0,4 мм.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения скальпель дополнительно снабжен средствами, обеспечивающими соединение одного из волокон с источником излучения, а другого волокна со средством регистрации флуоресцентного излучения.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения режущая кромка лезвия имеет произвольную форму.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения оптические волокна выполнены на основе кварца.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения средство, регистрирующее флуоресцентное излучение, соединено с компьютером или является частью компьютера и сигнал от излучения флуоресценции обрабатывается компьютером.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения компьютер соединен и осуществляет управление лазером, излучение которого используется для возбуждения флуоресценции, и соединен и управляет лазером, излучение которого используется для коагуляции сосудов.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения для возбуждения флуоресценции и коагуляции сосудов используется излучение одного лазера.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения на держателе выполнено устройство ручного регулирования мощности высокоэнергетического излучения для коагуляции сосудов.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения момент подачи высокоэнергетического излучения для коагуляции сосудов и его мощность определяются компьютером.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения средство, регистрирующее флуоресцентное излучение, выполнено с возможностью подачи звукового сигнала при превышении параметром флуоресценции установленного уровня.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения источником излучения является источник лазерного или светодиодного излучения.
Изобретение поясняется чертежами, где фиг.1 - система для резекции биологических тканей с одновременной диагностикой их злокачественности, фиг.2 - общий вид сапфирового диагностического скальпеля, фиг.3 - вид лезвия скальпеля, фиг.4 - система для резекции биологических тканей с одновременной диагностикой их злокачественности в компактном исполнении, фиг.5 - система для резекции биологических тканей с одновременной диагностикой их злокачественности с компьютерной обработкой и управлением, фиг.6 - распространение излучения вблизи кромки лезвия, фиг.7 - спектры флуоресценции, полученные с применением скальпеля при резекции опухолей у мышей.
Система для резекции биологических тканей сапфировым лезвием с одновременной оптической диагностикой их злокачественности (фиг.1) содержит приведенный выше скальпель 1, источник излучения 2, например источник лазерного или светодиодного излучения, соединенный с оптическим волокном 3а, средство 4 регистрации флуоресцентного излучения, соединенное с оптическим волокном 3b.
Предлагаемая система для резекции биологических тканей сапфировым лезвием с одновременной оптической диагностикой их злокачественности работает следующим образом.
Пациенту предварительно аппликационно или системно вводится препарат - фотосенсибилизатор, избирательно накапливающийся в раковых клетках. Фотосенсибилизатор имеет интенсивность излучения флуоресценции, достаточную для регистрации средством 4 скальпеля 1. Поскольку концентрация фотосенсибилизатора в опухолевых клетках и тканях выше, чем в нормальной ткани, средство 4 для регистрации флуоресценции перед резекцией настраивается на здоровую ткань: это означает, что интенсивность флуоресценции в здоровой ткани берется за единицу.
Скальпель, представленный на фиг.2, включает в себя лезвие 5, изготовленное из сапфира, закрепленное в держателе 6. В теле лезвия 5 вдоль кромки 5а выполнены каналы 7, закрытые со стороны режущей кромки 5б с предпочтительным диаметром, не превышающим 0,5 мм, которые предпочтительно расположены на расстоянии не менее 0,5 мм друг от друга. В каналах 7 расположены: оптическое волокно 3а, диаметром 0,2-0,4 мм, предназначенное для передачи излучения, например лазерного или светодиодного, в зону реза и оптическое волокно 3b диаметром 0,2-0,4 мм, предназначенное для регистрации флуоресцентного излучения. Дистальные концы оптических волокон 3а и 3b размещены в каналах 7 по отношению к режущей кромке 5б лезвия 5 на расстоянии, которое позволяет получать достаточный для целей спектральной диагностики захват регистрирующим волокном энергии флуоресцентного излучения от прилегающих тканей и одновременно эффективную концентрацию энергии излучения в области режущей кромки лезвия от облучающего волокна для фотодинамического воздействия или коагуляции, при этом целесообразно оптические волокна располагать в каналах таким образом, чтобы дистальный конец волокна для регистрации флуоресцентного излучения был бы смещен относительно дистального конца волокна для подачи лазерного излучения в направлении вперед.
В некоторых вариантах реализации изобретения средство, регистрирующее излучение 4, размещается на держателе лезвия 6 (фиг.4) и функции системы заключаются в регистрации превышения уровня интегрального сигнала флуоресценции установленного значения, при этом средство регистрации излучения может информировать хирурга о превышении подачей звукового сигнала. В некоторых случаях реализации изобретения используется ручная регулировка мощности излучения для коагуляции сосудов, для чего на держателе 6 имеется устройство ручного регулирования 8.
Функции системы могут быть значительно расширены в случае реализации средства регистрации излучения 4, соединенным с компьютером 9 (фиг.5) или интегрированным в компьютер для обработки получаемых спектров методами биологической спектроскопии. Кроме того, в некоторых случаях реализации возможно управление мощностью излучения источника излучения 2 и моментом включения и выключения источника излучения 2 компьютером 9 на основе данных, получаемых из анализа сигнала флуоресценции, при этом источник излучения 2 используется для подачи излучения для возбуждения флуоресценции или для коагуляции сосудов. В некоторых вариантах реализации изобретения для возбуждения флуоресценции и коагуляции сосудов используется излучение одного лазера 2.
В некоторых вариантах реализации изобретения количество каналов 7 при необходимости может быть увеличено. Так, например, может быть увеличено количество волокон, регистрирующих флуоресцентное излучение, при проведении флуоресцентной спектроскопии на нескольких длинах волн и/или может быть увеличено количество излучающих волокон для формирования оптимального фототермического поля облучения.
Пучок света выходит из оптического волокна 3а в виде конуса с расходимостью в пределах 10…30 градусов и падает на поверхность мениска канала 7, за исключением Френелевских потерь, полностью проходя границу раздела. Проходя в сапфире, все лучи падают на косые плоскости острия лезвия 5 вблизи кромки 5б. Далее лезвие 5 действует как оптический клин, т.е. претерпев несколько полных внутренних отражений на границе раздела сапфир-биоткань, для каждого луча наступает момент, когда угол его падения становится меньше критического для данной пары веществ (сапфир-биоткань), и луч, частично выходя из сапфира, с каждым переотражением увеличивает долю энергии, покидающей кристаллическое лезвие 5. Таким образом формируются две зоны высокой плотности энергии излучения по обе стороны режущей кромки 5б (фиг.7). Причем в формировании этих зон участвуют все лучи, подводимые оптическим волокном 3а непосредственно в область режущей кромки 5а, в отличие от устройства прототипа, где имелась проблема потери высших мод световoго пучка на плоскопараллельных поверхностях лезвия (образующих плоскопараллельный световод) до достижения лучами клиновидной части лезвия, так как излучение распространялось к кромке от удаленной плоскости лезвия. При превышении параметром флуоресценции установленного уровня (единицы) средство 4 демонстрирует превышение, например, на экране компьютера или в виде звукового сигнала. Экспериментально показана возможность регистрации излучения флуоресценции фотосенсибилизатора, накопленного в опухолевой ткани в эксперименте на мыши с перевитой опухолью Эрлиха (фиг.6). За сутки до операции каждой мыши вводился фотосенсибилизатор гидроксиалюминия трисульфофталоцианина в дозе 5 мг/кг. Использовался полупроводниковый лазер с длиной волны 633 нм, работающий в постоянном режиме с мощностью 50 мВт. Спектры флуоресценции, полученные в процессе резекции скальпелем, показывают, что максимум интенсивности флуоресценции, захваченной лезвием при положении лезвия внутри опухолевой ткани 10, превышает максимум интенсивности флуоресценции в здоровой мышце мыши 11 и контрольного измерения кожи руки человека 12 более чем в три раза. Эксперимент показал, что оптическая схема с близко расположенными к кромке лезвия возбуждающим и регистрирующим (диагностирующим) волокнами может использовать спектроскопическую диагностику с применением фотосенсибилизатора во время проведения хирургических операций.
Расположение оптических волокон световода непосредственно вблизи режущей кромки в несквозном капиллярном канале лезвия позволяет снизить потери излучения, а также обеспечить полную защиту оптических волокон от механического и химического повреждения при контакте лезвия со средой организма. Кроме того, в предлагаемом скальпеле сапфировое лезвие используется не только для рассечения тканей и фокусировки лазерного излучения в области реза для коагуляции сосудов, но и для передачи излучения флуоресценции раковых клеток с целью их выявления.
Заявляемое изобретение можно реализовать с использованием известных средств и методов, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию патентоспособности "промышленная применимость".