УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ В ПРИПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ

Полезная модель относится к области лазерной медицины, а именно к устройствам для оценки состояния биологической ткани на поверхности или на глубине кожи или мягких тканей.
В современной клинической практике активно используются и постоянно внедряются новые диагностические устройства, использующие лазерное излучение для активации фотоактивных веществ и регистрирующее люминесцентное излучение от них.
3+
3+
3+
4
В последнее десятилетие большое внимание уделяется неорганическим наночастицам, содержащим редкоземельные ионы, как перспективному классу наноматериалов для биофотоники. Преимущества редкоземельных ионов в качестве люминесцирующих меток, состоят в узкополосном излучении, большом спектральном расстоянии между длинами волн возбуждения и эмиссии, что характерно для ап- и даун-конверсионного преобразования, длительное время высвечивания люминесценции, высокая фотостабильность материалов и низкая токсичность, минимальная аутофлуоресценция биотканей и наибольшая глубина зондирования при возбуждении наночастиц в ближней инфракрасной области [Escudero А,  С, Zyuzin MV, Parak WJ. Luminescent Rare-earth-based Nanoparticles: A Summarized Overview of their Synthesis, Functionalization, and Applications. // Top Curr Chem (Cham). 2016 374(4):48. doi:10.1007/s41061-016-0049-8]. Кристаллы, допированные ионами Nd (термо-агенты), имеют спектры люминесценции и поглощения, попадающие как в первое 800-900 нм, так и во второе окно биологической прозрачности 1200-1300 нм [X. Li, R. Wang, F. Zhang, L. Zhou, D. Shen, C. Yao& D. Zhao. Nd Sensitized up/down converting dual-mode nanomaterials for efficient in-vitro and in-vivo bioimaging excited at 800 nm, Sci. Rep.3 (2013) 3536. doi:10.1038/srep03536; Z. Wang, P. Zhang, Q. Yuan, X. Xu, P. Lei, X. Liu, Y. Su, L. Dong, J. Feng, and H. Zhang. Nd-sensitized NaLuF luminescent nanoparticles for multimodal imaging and temperature sensing under 808 nm excitation, Nanoscale. 7-42 (2015) 17861-17870. doi:10.1039/C5NR04889C]. Поэтому диагностические устройства, использующие такие термо-агенты, позволяют производить лазерное возбуждение и регистрацию люминесценции в разных спектральных диапазонах, а также оценивать температуру частиц по интенсивности люминесценции в соответствии с больцмановской заселенностью энергетических уровней.
2
Известны устройства, использующие высокоинтенсивные лазерные импульсы, способствующие более глубокому проникновению лазерному излучению. Спектральные изменения, вызванные лазером, могут характеризоваться переходными изменениями распространения света; через ткань, при условии, что возбужденные состояния этих молекул изменили спектры поглощения. Затем характеристику этих переходных изменений можно использовать для новых механизмов фотосенсибилизации и/или оптимизации фотобиологических эффектов. Работе Pogue и др. коэффициент пропускания и коэффициент отражения измерялись как функция энергии лазерного импульса, из тканей, имитирующих ткань, а также в срезах мышц и печени крысы, как с фотосенсибилизатором, так и без него. Наблюдалось временное снижение поглощения фотосенсибилизатора при пиковой пульсовой освещенности в диапазоне 100-1000 Вт/см.
[Pogue BW, Momma T, Wu HC, Hasan T. Transient absorption changes in vivo during photodynamic therapy with pulsed-laser light. // Br J Cancer. 1999 May; 80(3-4):344-51.]
Известны устройства, позволяющие измерять спектры люминесценции на расстоянии от места возбуждения. Глубина, с которой происходит измерение, может варьироваться от 0,5 мм до 2 мм в зависимости от расстояния между местом облучения и местом измерения [Kholodtsova M.N., Grachev P.V., Savelieva Т.А., Kalyagina N.A., Blondel W., Loschenov V.B. Scattered and fluorescent photon track reconstruction in a biological tissue. // International Journal of Photoenergy. (2014) doi:10.1155/2014/517510]. Недостаток этого устройства заключается в том, что используется длина волны лазерного излучения, которая не способна активировать термо-агенты, а также отсутствует возможность изменять угол между вводом лазерного излучения и приемом люминесцентного сигнала.
Известно устройство, обеспечивающее количественное измерение концентрации опухолевых маркеров в точке [Патент РФ на изобретение 2169590 A61N 5/06 2001 - прототип]. Данное устройство включает полихроматор в спектрометре с волоконно-оптическим вводом излучения, в котором установлен специальный узкополосный фильтр, блок регистрации, ЭВМ, лазер с длиной волны превышающей 600нм с устройством ввода лазерного излучения в световод, содержащий фильтр. Кроме того, источник света с непрерывным спектром, содержащий пропускающий фильтр. Волоконно-оптический катетер, включающий световод доставки лазерного излучения, световод доставки излучения источника света с непрерывным спектром и приемные оптические волокна.
Известное устройство позволяет точечно измерять концентрации опухолевого маркера протопорфирина IX путем подведения световода к зоне интереса. Световод подлежит многократной стерилизации стандартными методами и используется в ходе хирургических вмешательств.
Основной недостаток известного устройства заключается в том, что глубина, с которой собирается спектроскопическая информация, фиксирована и зависит только от типа биологической ткани, в которой происходит измерение. А в клинической практике часто требуется измерять как поверхностные, так и более глубокие слои биологической ткани.
Задачей данной полезной модели является создание устройства, позволяющего проводить спектроскопические измерения с различных глубин биологической ткани.
Поставленная задача решается тем, что устройство для оценки состояния биологической ткани в приповерхностном слое, включающее источник лазерного излучения с длиной волны 700-1000 нм, соединенное с ним оптическое волокно для доставки лазерного излучения, спектрометр с волоконно-оптическим вводом излучения, содержащим фильтр, при этом спектрометр включает полихроматор, фотодиодную линейку, блок регистрации, и выполнен с возможностью соединения с ЭВМ с программным обеспечением, отличающееся тем, что дополнительно используются импульсный источник лазерного излучения с длиной волны 700-1000 нм, соединенное с ним оптическое волокно, и зонд для доставки лазерного излучения и приема люминесцентного сигнала, позволяющий варьировать углы и расстояния между вводом лазерного излучения и приемом люминесцентного сигнала, при этом зонд посредством оптических волокон соединен со спектрометром, источником лазерного излучения с длиной волны 700-1000 нм и дополнительным импульсным источником лазерного излучения с длиной волны 700-1000 нм.
Устройство для оценки состояния биологической ткани в приповерхностном слое, включающее источник (1) лазерного излучения с длиной волны 700-1000 нм, соединенное с ним оптическое волокно (2) для доставки лазерного излучения, спектрометр (3) с волоконно-оптическим вводом излучения, содержащим фильтр (4), при этом спектрометр (3) включает полихроматор (5), фотодиодную линейку (6), блок регистрации (7), и выполнен с возможностью соединения с ЭВМ (8) с программным обеспечением, отличающееся тем, что дополнительно используются импульсный источник (9) лазерного излучения с длиной волны 700-1000 нм, соединенное с ним оптическое волокно (10), и зонд (11) для доставки лазерного излучения и приема люминесцентного сигнала, позволяющий варьировать углы и расстояния между вводом лазерного излучения и приемом люминесцентного сигнала, при этом зонд посредством оптических волокон (12, 2, 10) соединен со спектрометром (3), источником (1) лазерного излучения с длиной волны 700-1000 нм и дополнительным импульсным источником (9) лазерного излучения с длиной волны 700-1000 нм.
Устройство для оценки состояния биологической ткани в приповерхностном слое работает следующим образом.
Пациенту предварительно системно вводят препарат, состоящий из мультифункциональных термо-агентов, которые избирательно накапливаются в раковых клетках. Излучение от лазерного источника 1 вводят в зонд для доставки лазерного излучения и приема люминесценции 11 с помощью оптического волокна 2. Зонд для доставки лазерного излучения и приема люминесцентного сигнала 11 устанавливают над исследуемой областью так, чтобы она находилась посередине между местом ввода излучения и приемом люминесцентного сигнала. Проверяют целостность оптического волокна для приема люминесцентного сигнала 12, соединенного с зондом для доставки лазерного излучения и приема люминесцентного сигнала 11 с одной стороны, и со с спектрометром 3 с волоконно-оптическим вводом излучения с другой стороны Включают источник лазерного излучения 1. Убеждаются, что спектрометр принимает люминесцентный сигнал от термо-агентов. При необходимости диагностики более глубоких слоев биологической ткани либо увеличивают расстояние между вводом лазерного излучения и приемом люминесцентного сигнала, либо уменьшают угол между ними. При значительном падении люминесцентного сигнала, вследствие слишком большого расстояния между вводом лазерного излучения и приемом люминесцентного сигнала, включают дополнительный импульсный источник лазерного сигнала 9, соединенный с помощью оптического волокна 10 с зондом для доставки лазерного излучения и приема люминесцентного сигнала 11. За счет интенсивных коротких импульсов термо-агенты, расположенные ближе к поверхности, насыщаются и перестают поглощать излучение от источника лазерного излучения 1, в результате чего излучение от него возбуждает термо-агенты, расположенные более глубоко.
Таким образом, предложено устройство, которое позволяет проводить оценку биологической ткани с различных глубин, тем самым повышая диагностическую точность и полноту процедуры диагностики.