МЕДИЦИНСКИЙ КОМПЛЕКС НА БАЗЕ ОПТИЧЕСКОГО СПЕКТРОМЕТРА ДЛЯ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НЕИНВАЗИВНОЙ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ТКАНЕЙ ОРГАНОВ РЕПРОДУКТИВНОЙ СИСТЕМЫ ЖЕНЩИН

Полезная модель относится к области медицины и медицинской технике.
Предлагаемое устройство предназначено для мгновенного прижизненного определения морфологической структуры и функционального состояния тканей органов репродуктивной системы женщин - слизистой оболочки тела матки (эндометрия), шейки матки, яичников, влагалища и вульвы. Устройство может использоваться для определения структурно-функционального состояния других органов и структур малого таза -лимфатических узлов, брюшины, мочевого пузыря и прямой кишки в условиях нормального и патологического состояний. Устройство регистрирует и анализирует спектры фотолюминесценции и спектры отражения тканей органов репродуктивной системы женщин при диагностике и мониторинге лечения воспалительных, дистрофических, функциональных расстройств, а также предраковых и онкологических заболеваний органов женской половой системы.
Устройство предназначено для использования в лечебно-диагностических, лечебно-профилактических и научно-исследовательских медицинских целях, может использоваться в любых учреждениях данного профиля.
Совершенствование методов диагностики является стратегическим направлением развития медицинской науки и практики. Диагностика заболеваний и патологических процессов эндометрия у женщин с маточной формой бесплодия особенно актуальна. Это подтверждается данными Росстата, из которых следует, что при сохранении текущих негативных тенденций к 2035 году население России сократится на 10 млн. чел. до 136 млн. чел. [http://www.gks.ru/wps/wcm/connect/rosstat_main/rosstat/ru/statistics/population/demography/]. Указ Президента РФ №204 от 7 мая 2018 года, в первом пункте которого постановляется «обеспечение устойчивого естественного роста численности населения Российской Федерации», демонстрирует первоочередную важность данной проблемы [http://kremlin.ru/acts/bank/43027].
Быстрая и точная диагностика морфологического и функционального состояния эндометрия и других органов репродуктивной системы женщин определит возможность наступления и прогнозирования течения беременности. Не менее значимо раннее доклиническое выявление гиперпластических процессов эндометрия и онкологических заболеваний матки. Экспресс-диагностика пограничных опухолей и рака яичника является основополагающим в ранней диагностике рака и снижении онкологической заболеваемости. Ранняя диагностика этих заболеваний представляет чрезвычайно важную и сложную клиническую проблему.
Воспалительные процессы эндометрия (эндометриты), поствоспалительные (рубцово-спаечные) и дистрофические изменения приводят к структурно-функциональным изменениям в эндометрии, результатами которых являются бесплодие, невынашивание, патология течения беременности, родов и послеродового периода. Патологическое состояние эндометрия определяет не только возможность наступления беременности, прогнозирование ее течения, но и состояние потомства - его болезненность и здоровье.
Выявление опухолевых и опухолевидных образований в органах малого таза при диагностике или в процессе операции требует немедленной дифференцировки для определения тактики лечения и объема операции. Опухолевидные образования различного происхождения часто проявляются по-разному, что может вести в заблуждение даже очень опытного врача. Вследствие этого возникает необходимость в проведении обширной дифференциальной диагностики, объем которой можно сократить только путем выбора точных, информативных и целенаправленных исследований.
Важным разделом профилактической медицины, на восстановление которой направлены последние регламентирующие документы Минздрава, является профилактика онкологических заболеваний, в том числе и органов репродуктивной системы. Поскольку рак шейки матки занимает второе место среди онкологических заболеваний женских половых органов, экспресс-диагностика этого заболевания и предраковых процессов является чрезвычайно актуальной.
Диагностика нарушений структурного и особенно функционального состояния эндометрия часто вызывает затруднения, связанные с полиморфизмом проявлений и отсутствием объективных неинвазивных «экспресс» - методик.
Известные неинвазивные методы диагностики состояния эндометрия - гистероскопия, УЗИ (ультразвуковое исследование), допплерометрия не отражают прецизионные патоморфологические и патофизиологические механизмы, определяющие состояние слизистой оболочки матки (эндометрия) - оксигенацию, структурированность, микроциркуляцию и метаболизм. А морфологические исследования биоптата эндометрия производятся на «мертвой» ткани, извлеченной из организма, и не могут в полной мере отразить прижизненные структурные особенности эндометрия.
Заявленное устройство направлено на прижизненную неинвазивную мгновенную оптическую спектральную экспресс-диагностику (включающую фотолюминесцентную спектроскопию и оптическую спектроскопию отражения белого света), использующую автоматизированное программное обеспечение. За счет программного анализа и сравнения оптических спектральных характеристик патологической и нормальной ткани ставится объективный диагноз и прогнозируется дальнейшее лечение. Прижизненная оптическая спектроскопия эндометрия способна отразить мельчайшие характеристики структуры и функции эндометрия (равно как и других органов репродуктивной системы), что открывает возможность персонифицированного лечения. Спектральный анализ тканей позволяет объективно отличить здоровые ткани от патологических (в том числе от опухолевых) тканей.
Аналогом заявляемого устройства является «Raman and photoluminescence spectroscopy», патент: US 7362426 B1. В этом патенте описано устройство и способ для одновременного использования рамановской и фотолюминесцентной спектроскопии. В сигнале оптического отклика от объекта исследования отдельно вычленяются компоненты рамановского сигнала и сигнала фотолюминесценции. Первый детектор позволяет получать компоненту рамановского рассеяния света, а второй детектор - сигнал фотолюминесценции. Недостатками устройства, заявленного в этом патенте, являются большие габариты, отсутствие многоканального световодного оптического инструмента для подведения лазерного излучения и излучения от источника белого света к объекту исследования и сбора оптического отклика от него, а также невозможность его использования в диагностических целях непосредственно на пациентах.
Другим аналогом заявляемого устройства является «Devices and methods for optical diagnosis of tissue», патент: US 5280788 А. В этом патенте описано устройство и способ для использования оптической спектроскопии в целях диагностики тканей. В частности, в патенте заявлено одно или несколько оптических волокон, используемых для доставки лазерного излучения до диагностируемой ткани, сбора рассеянного оптического излучения от ткани и доставки этого излучения в систему спектрального анализа. Недостатками устройства, заявленного в этом патенте, являются отсутствие сменных защитных одноразовых стерильных колпачков для проведения диагностических процедур на пациентах, отсутствие программного обеспечения, вычисляющего степень насыщенности исследуемых тканей кислородом, пролиферативную активность клеток тканей, уровень микроциркуляции в сосудах, структурированность различных отделов эндометрия в полости матки, степень отклонения спектральных характеристик исследуемых тканей от нормального состояния, а так же для проведения анализа и сравнения спектральных характеристик патологической и нормальной ткани и для постановки объективного диагноза и прогнозирования дальнейшего лечения.
Прототипом заявляемого устройства является «Устройство раман-флуоресцентной диагностики состояния тканей человека в норме и при патологии», патент RU 144665 U1. В этом патенте описано устройство раман-флуоресцентной диагностики, предназначенное для измерения, регистрации и интерпретации спектров рамановского рассеяния и/или спектров фотолюминесценции микробов, опухолей, биологических жидкостей, кожных покровов, слизистых оболочек и тканей организма (in vivo и in vitro), для диагностики и лечения широкого круга заболеваний и функциональных расстройств организма человека и животных, а так же для анализа содержимого таблеток, капсул, порошков и жидкостей. Устройство содержит волоконно-оптический кабель для воздействия лазерным излучением и сбора сигнала рамановского рассеяния света и фотолюминесценции тканей. Недостатком этого устройства является отсутствие возможности регистрации сигнала отражения от исследуемых тканей, в котором содержится информация о концентрациях важнейших веществ (гемоглобин, окисленный гемоглобин, гликированный гемоглобин, основные флуорофоры тканей) для диагностики заболеваний женской половой сферы. Так же недостатком этого устройства является отсутствие защитных колпачков для волоконно-оптического кабеля, что не позволяет достоверно и воспроизводимо осуществлять запись оптического отклика от исследуемых тканей и измерять их амплитудо-спектральные характеристики.
Техническим результатом, устраняющим указанные недостатки и достигаемым при использовании описываемого устройства, является создание медицинского диагностического комплекса для прижизненного определения морфометрического и функционального состояния тканей органов репродуктивной системы женщин в реальном масштабе времени. С помощью заявленного устройства проводится объективная и точная экспресс-диагностика, которая является основой для выбора лечения и для принятия решения о готовности женщины к беременности.
Данный технический результат достигается тем, что заявленное устройство (Фиг. 1) включает: корпус (1), блокирующий проникновение паразитного электромагнитного излучения видимого диапазона от сторонних излучателей; источник лазерного излучения с длиной волны 637 нм с лазерным интерференционным фильтром (2); источник белого света (3); световодный оптический инструмент (4) со сменными защитными одноразовыми стерильными колпачками (5); систему фокусировки и фильтрации излучения (6); спектрометр с многоканальным ПЗС-детектором (7); встроенный микроконтроллер обработки полученных сигналов фотолюминесценции и отражения (8); компьютер с программным обеспечением (9), отличающееся тем, что спектрометр имеет широкий спектральный диапазон 400-1100 нм; световодный оптический инструмент имеет три световодные жилы, обеспечивающие одновременное измерение спектров отражения и фотолюминесценции от исследуемых тканей органов репродуктивной системы женщин; сменные защитные одноразовые стерильные колпачки препятствуют загрязнению световодного оптического инструмента при измерениях; лазерное излучение с длиной волны 637 нм за счет относительно глубокого проникновения в ткани позволяет зафиксировать их спектральные характеристики и установить их патофизиологическое состояние; программное обеспечение рассчитывает степень насыщенности исследуемых тканей кислородом, пролиферативную активность клеток тканей, уровень микроциркуляции в сосудах тканей, структурированность различных отделов эндометрия в полости матки, степень отклонения спектральных характеристик исследуемых тканей от нормального состояния.
Сущность работы медицинского комплекса заключается в следующем: с помощью заявленного устройства ткани органов репродуктивной системы женщин подвергаются последовательному воздействию непрерывного излучения от источника белого света (миниатюрной лампы накаливания) и низкоинтенсивного лазерного излучения с длиной волны 637 нм. При этом производится сбор оптического отклика от тканей и спектральный анализ этого излучения. Доставка лазерного излучения с длиной волны 637 нм и белого света от лампы накаливания до тканей осуществляется через световодный трехжильный инструмент с надетым одноразовым защитным стерильным колпачком. Световодные жилы имеют внутренние диаметры 200 мкм (через этот канал подается лазерное излучение с длиной волны 637 нм), 400 мкм (через этот канал подается белый свет от миниатюрной лампочки накаливания) и 200 мкм (через этот канал сигналы оптических откликов от исследуемых тканей поступают в спектрометр). В целях диагностики функционального и структурного состояния эндометрия световодный оптический инструмент с надетым на него защитным одноразовым стерильным колпачком вводится трансцервикально (через цервикальный канал) в полость матки и фиксируется в ее дне. В процессе тракции (низведения) световода в сторону внутреннего зева производится запись спектров в трех точках - дне полости матки, средней части полости матки и в области внутреннего зева. Так же производится запись спектров фотолюминесценции и отражения в интактной точке (точке сравнения) - на коже внутренней поверхности бедра пациентки. Записанные данные в графической и цифровой форме анализируются программой аппаратного комплекса и в результате вычисляются индексы оксигенации, пролиферативной активности, микроциркуляции, структурированности и патологический индекс.
Индексы рассчитываются следующим образом.
oxygen
Индекс оксигенации (I) показывает степень насыщенности ткани эндометрия кислородом и рассчитывается как:
oxygen
578
612
I=(1 - I/I) * 100%,
578
612
где I - значение интенсивности в спектре отражения в точке 578 нм, a I - значение интенсивности в спектре отражения в точке 612 нм. Длина волны 578 нм соответствует пику поглощения окисленного гемоглобина, а длина 612 нм находится на периферии его поглощения.
В норме значение этого индекса превышает 15% (Фиг. 3). В случае пониженных значений в окне программы появляется сообщение о наличии гипоксии в ткани эндометрия у пациентки.
Индекс оксигенации определяется для трех точек внутри матки - дно полости матки, середина полости матки, область внутреннего зева.
proliferation
Индекс пролиферативной активности (I) определяется, как интегральная интенсивность спектра ткани, нормированная на интегральную интенсивность спектра интактной кожи на внутренней поверхности бедра, и умноженная на 100%. При нормальном менструальном цикле у пациентки имеется прямо пропорциональная зависимость значения пролиферативной активности от фазы и дня цикла (Фиг. 2, 4). Это значение обычно меньше 100% за исключением случаев с патологией - в этом случае появляются дополнительные фотолюминесцентные линии, уширяющие основной пик. Индекс пролиферативной активности определяется для трех точек внутри матки - дно полости матки, середина полости матки, область внутреннего зева.
microcirculation
Индекс микроциркуляции (I) вычисляется как отношение индекса оксигенации к индексу пролиферативной активности. Если пролиферативная активность клеток ткани эндометрия не соответствует дню менструального цикла (повышена или понижена), то это вероятно свидетельствует о повышенной или пониженной плотности сосудов в ткани эндометрия. Индекс оксигенация пропорционален плотности сосудов и концентрации окисленного гемоглобина в крови. Поэтому отношение индекса оксигенации к индексу пролиферативной активности показывает нарушение микроциркуляции и ее степень. Индекс микроциркуляции определяется для трех точек внутри матки - дно полости матки, середина полости матки, область внутреннего зева.
structure
Индекс структурированности (I) отображает степень отличия трех внутриматочных спектров и вычисляется, как интегральная интенсивность максимального спектра, нормированная на сумму модулей разностей интегральных интенсивностей трех пар внутриматочных спектров. Если все три измеренных спектра практически совпадают, то индекс структурированности имеет большое значение. При возрастании отличий между спектрами индекс структурированности уменьшается. Высокий индекс структурированности (более 2) свидетельствует о хорошей структурированности различных отделов эндометрия, выстилающего полость матки.
pathology
Патологический индекс (I) отображает степень отклонения спектральных характеристик от нормы в точке дна полости матки применительно к патологическому процессу воспалительного или опухолевого характера. При атипических изменениях в ткани или наличии патологического процесса воспалительного характера спектр сильно уширен из-за наличия дополнительных фотолюминесцентных линий. Патологический индекс определяется как отношение интегральной интенсивности двух заданных спектральных диапазонов в одном спектре:
pathology
660
700
I=I/I,
660
700
где I - интегральная интенсивность в спектральном окне 655-675 нм спектра дна полости матки, а I - интегральная интенсивность в спектральном окне 695-705 нм спектра дна полости матки.
В норме значение этого индекса лежит в пределах: 1,8-2,3. В случае отклонения измеренных значений от нормальных в программном окне выдается сообщение о наличии патологических процессов в эндометрии.
Полученные результаты являются оценкой структуры и функции тканей органов репродуктивной системы женщин и основой для выбора дальнейшего лечения.
Клинический пример.
С помощью заявленного устройства были проведены диагностические исследования при мониторинге лечения у 1727 женщин с различными заболеваниями органов женской половой сферы и бесплодием. Все женщины были пациентками клиники репродуктивного здоровья и имели от 2 до 16 неудачных попыток ЭКО до лечения.
В результате применения заявленного устройства, использующего спектральные методы диагностики, были подобраны индивидуальные параметры лечения и определен оптимальный срок для переноса эмбриона. В результате проведения мониторинговой диагностики и сопровождения лечения с помощью заявленного устройства беременность наступила у 64,5% женщин и закончилась родами у 39,2% пациенток.
Группы пациенток были следующими:
I - хронический эндометрит у 61% пациенток;
II - внутриматочные синехии - спайки и сращения у 14% пациенток;
III - дистрофия и гипофункция вследствие гормональной недостаточности (возрастная инволюция, оперированные яичники, синдром истощения яичников) у 15% пациенток;
IV - атрофия эндометрия по разным причинам (менопауза, ятрогения и др.) у 10% пациенток.
Наступление беременности по группам:
I - 83,7% (из них 3,2% самостоятельно);
II - 46,7% (из них 0,6% самостоятельно);
III - 35,5% (все путем ЭКО);
IV - 16,2% (все путем ЭКО).
Случаи с вынашиванием и родами распределялись по группам следующим образом (здесь проценты считались по отношению к числу забеременевших женщин в каждой группе):
I - 66%;
II - 39%;
III - 47,8%;
IV - 28,6%.
На Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4 приведены спектральные характеристики и индексы пациентки с хроническим эндометритом до и после лечения. В результате проведения мониторинговой диагностики и сопровождения лечения с помощью заявленного устройства были восстановлены и приведены в норму функциональное и морфометрическое состояния эндометрия.
На Фиг. 2 показаны фотолюминесцентные спектры различных отделов эндометрия пациентки с хроническим эндометритом до лечения. Исследование было выполнено на 21-й день менструального цикла. Пролиферативная активность эндометрия в дне полости матки соответствует 5-му дню менструального цикла, в области внутреннего зева - 7-му дню, а в середине полости матки - 13-му дню. У данной пациентки наблюдалась нарушенная структурированность разных отделов эндометрия (индекс структурированности составлял 0,8), пролиферативная активность клеток эндометрия была значительно понижена и не соответствовала дню менструального цикла, а также была зафиксирована гипоксия эндометрия (индекс оксигенации составлял 4%).
oxygen
На Фиг. 3 показан спектр отражения дна полости матки пациентки с хроническим эндометритом после лечения. I=20%, что свидетельствует о высоком содержании кислорода в эндометрии и о его хорошем функциональном состоянии.
На Фиг. 4 показаны фотолюминесцентные спектры разных отделов эндометрия у пациентки с хроническим эндометритом после лечения, соответствующие его нормальному функциональному и морфометрическому состоянию. После лечения и проведения мониторинговой диагностики были зафиксированы следующие индексы пролиферативной активности клеток эндометрия: в дне полости матки - 70%, в области внутреннего зева - 65%, в середине полости матки - 60%. Пролиферативная активность всех измеренных отделов эндометрия соответствовала 23-му дню менструального цикла пациентки (в этот день цикла производилась диагностика). Индекс структурированности был равен 3, что свидетельствовало о хорошей структурированности различных отделов эндометрия у пациентки после лечения.
Данный клинический пример наглядно демонстрирует, как с помощью заявленного устройства производится мониторинговая структурно-функциональная неинвазивная экспресс-диагностика состояния тканей органов репродуктивной системы женщин при сопровождении назначенного курса лечения. В результате проведения спектральной диагностики восстанавливаются и приводятся в норму функциональное и морфометрическое состояния тканей органов репродуктивной системы женщин.