УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И ЛОКАЛИЗАЦИИ ПОРАЖЕННЫХ ТКАНЕЙ-"МЕТАЛИМФОСКАН"

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к устройствам для обнаружения и локализации пораженных органов и тканей, в частности лимфатических узлов, при проведении обследований и хирургических операций путем регистрации скорости счета внешнего гамма-излучения радионуклидных фармацевтических препаратов (далее радионуклиды) после их введения пациенту.
В современной медицине значительное место занимает проблема точной диагностики поражений тканей и органов пациента при проведении хирургических вмешательств и дооперационных обследований, в особенности у онкологических больных. Как правило, с целью диагностики используются методы компьютерной томографии, УЗИ, ядерно-магнитного резонанса, позитронно-эмиссионной томографии, и устройства, позволяющие осуществить данные методы. Однако, по данным ряда авторов (Р.Т.Scardino et al 2006) даже использование всех самых современных методов диагностики на дооперационном этапе не позволяет достоверно оценить состояние больного (наличие или отсутствие лимфогенных и гематогенных метастазов, степень поражения тканей и органов, распространенность поражения). Так, чувствительность компьютерной томографии (КТ) и ядерной магнито-резонансной томографии (МРТ) при диагностике лимфогенного метастазирования не превышает 60%. Использование позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) очень дорого и, все же, несмотря на лучшую разрешающую способность, данный метод обладает достаточно низкой чувствительностью при оценке состояния больного, так как не способен отслеживать наличие микроизменений (например, микрометастазов размеров до 5 мм). Кроме того, точность данных методов зависит не только от технических возможностей устройств,
используемых для диагностики, но также от компетентности интерпретирующего полученные результаты специалиста, что также в ряде случаев значительно затрудняет получение объективных данных о состоянии пациента. Что касается методов и устройств, используемых для диагностики состояния органов и тканей пациента на хирургическом этапе, следует отметить, что известные методы не пользуются успехом у специалистов, так как имеют невысокую точность, а, кроме того, служат отвлекающим фактором при проведении вмешательства.
По техническому уровню близким аналогом предлагаемого устройства является гамма-сканер «Радикал», предназначенный для транскутанного и интраоперационного обнаружения локализованных источников фотонного излучения в тканях и органах пациентов при радиоизотопной диагностике (1), включающее в себя: сцинтилляционный блок детектирования (ручной зонд) со встроенным коллиматором и кабелем, пульт с экраном для вывода информации, блок питания.
4
К сожалению, это устройство обладает рядом недостатков: так, отсутствует возможность изменения диапазона регистрируемых энергий фотонного излучения, что ухудшает геометрическое разрешение за счет увеличения в значении скорости счета доли «фонового» излучения; вывод информации о скорости счета осуществляется только в виде цифровой индикации и звукового сигнала, что усложняет процесс локализации (сканирования), так как при динамическом диапазоне скорости счета более 10 имп./с весьма трудно определить изменение скорости счета по изменению тона звукового сигнала в силу ограничений слухового восприятия у человека. Детектирующая система в ручном зонде выполнена на фотоэлектронном умножителе (ФЭУ), что увеличивает диаметр ручного зонда (до 25 мм и более) и требует напряжение питания ФЭУ до 1000 В, что приводит к повышению потенциального риска применения изделия. Ручной зонд выполнен в виде цилиндра и его расположение в руке хирурга при сканировании в ортогональной по отношению к объекту ориентации
повышает утомляемость хирурга (особенно с учетом веса и диаметра ручного зонда).
Цель полезной модели - создание устройства, имеющего более высокую точность обнаружения и локализации пораженных органов и тканей, возможность использовать различные радионуклиды, возможность изменения режимов работы (времени экспозиции, установок по скорости счета, режима интегрального счета), что в совокупности значительно повышает возможности диагностики. При этом устройство должно быть удобным в использовании, безопасным для пациента и медицинского персонала.
Поставленная цель (технический результат) достигается за счет:
2
- использования малогабаритного сцинтилляционного блока детектирования (ручного зонда) (размер не более ⌀ 22·180 мм, входное окно ⌀ 5 мм), имеющего коллиматор из тяжелых сплавов толщиной не менее 12 г/см, входное окно толщиной не более 0,3 г/см, что позволяет повысить геометрическое разрешение за счет коллимации фонового излучения;
- возможности изменения диапазона регистрируемых энергий (регистрация скорости счета только в области энергий фотопика используемого радионуклида), что позволяет повысить геометрическое разрешение за счет уменьшения в значении скорости счета доли «фонового» излучения;
- возможности представления результатов контроля скорости счета гамма-квантов одновременно на цифровом табло, в аналоговой форме на линейной светодиодной шкале и в виде тонового звукового сигнала, при этом диапазон регистрации скорости счета в аналоговом и звуковом каналах разбит на под диапазоны (не менее 5-и под диапазонов с автоматическим переключением), что позволяет повысить геометрическое разрешение за счет повышения «чувствительности» аналоговой шкалы и тонального звукового сигнала;
- возможности оперативного изменения режимов работы устройства (времени экспозиции, установки режима интегрального счета и бинарнотонового режима) что значительно повышает возможности диагностики, делает устройство более универсальным и удобным при применении.;
- использования в качестве детектора сцинтиллятора с фотодиодной регистрацией световых вспышек, что позволяет уменьшить габариты ручного зонда (диаметр не более 22 мм) и не требует наличия высоковольтного питания, что в свою очередь снижает потенциальный риск применения и делает ручной зонд более удобным;
- исполнения ручного зонда специальной формы, когда короткая детектирующая часть повернута относительно оси ручного зонда на некоторый угол (например, 20°), что делает ручной зонд более удобным при применении и снижает утомляемость хирурга.
Предлагаемое устройство представлено на рис.1-3 и состоит из блока детектирования (ручной зонд, фиг.1) с кабелем и пульта управления и контроля (фиг.2-3).
2
2
Блок детектирования (ручной зонд) представляет собой изогнутый под определенным углом (например, 20°) цилиндрический металлический корпус, в «короткой» части которого размещен детектор окруженный коллиматором, а в «длинной» части размещен зарядочувствительный усилитель (ЗЧУ) для усиления и формирования сигнала детектора и обеспечения передачи сигнала по кабелю не менее 3 м длины. В качестве детектора используется сцинтиллятор с фотодиодной регистрацией световых вспышек. Зонд имеет размеры ⌀22·180 мм, входное окно ⌀ 5 мм. Коллиматор зонда выполнен из сплава тяжелых металлов и имеет толщину не менее 12 г/см; входное окно толщиной не более 0,3 г/см.
Пульт управления и контроля имеет размеры 257×156×256 мм; представляет собой металлический приборный корпус, на задней панели корпуса (фиг.3) размещен сетевой фильтр с выключателем и
предохранителем (13, 14), на передней панели корпуса (фиг.2) расположены: ручка выбора используемых радионуклидов (1), разъем для подключения ручного зонда (2), кнопка выбора режима измерения или блокировки монитора (3), светодиодный индикатор режима измерения (4), светодиодный индикатор режима блокировки (5), кнопка сброса показаний цифрового счета гамма-квантов (6), тумблер отключения/включения звука (7), тумблер выбора динамического тонового режима или бинарного (модулированного) тонового режима (8), ручка регулировки громкости звука (9), светодиодный индикатор включения сетевого питания (10), линейная светодиодная шкала для указания диапазона скорости счета и аналогового значения скорости счета (11), программируемый счетчик для определения цифрового значения скорости счета и установки режимов работы устройства (12).
Гамма-кванты радионуклида, введенного пациенту, регистрируются ручным зондом (блоком детектирования). В качестве детектора используется сцинтиллятор с фотодиодной регистрацией световых вспышек. Электрические импульсы фотодиода поступают на вход зарядочувствительного усилителя (далее ЗЧУ) и преобразуются в амплитуды, пропорциональные энергии зарегистрированных гамма-квантов.
Следующий за ЗЧУ усилитель - формирователь усиливает и формирует по длительности сигнал ЗЧУ с оптимальными постоянными временем нарастания и спада для получения максимального отношения сигнал/шум. Режекция импульсов фона и помех, задание порога регистрируемых гамма-квантов осуществляется дискриминатором, необходимым для регистрации только в области энергий фотопика выбираемого радионуклида. Порог дискриминации для выбранного радионуклида (нижний уровень регистрируемых энергий для регистрации только в области энергий фотопика) при обследовании пациентов задается с помощью переключателя «Радионуклид».
Импульсы на выходе усилителя-формирователя, с амплитудой выше напряжения дискриминации, вызывают срабатывание одновибратора,
который нормализует их по амплитуде и длительности. С выхода одновибратора нормализованные импульсы положительной полярности через линию связи передаются на вход контрольно-измерительного узла, укорачиваются формирователем и преобразуются в напряжение преобразователем скорости счета. Скорость счета изменяется в широких пределах, что затрудняет ее прямое представление с помощью аналоговой шкалы и тона звука, диапазон восприятия которых ограничен. Поэтому диапазон напряжений преобразователя скорости счета подвергается кусочно-линейному сжатию формирователем поддиапазонов со светодиодной индикацией текущего поддиапазона измерений с ограниченными пределами его изменения. При этом в пределах текущего поддиапазона напряжений скорость счета может быть определена визуально с помощью линейной световой шкалы и по тону с помощью преобразователя напряжений поддиапазона в тон звуковой частоты. Громкость звука регулируется резистором, а сам звук может быть включен или отключен тумблером "ВКЛ./ВЫКЛ.".
Цифровая регистрация скорости счета в широком динамическом диапазоне осуществляется с помощью программируемого счетчика. Для этого в режиме измерения на его счетный вход подаются импульсы со схемы с открытым коллектором. Кнопка "РЕЖИМ" - "ИЗМЕР/БЛОКИР" при этом находится в положении "ИЗМЕР", светодиод "ИЗМЕР" включен. При переключении кнопки режима в положение "БЛОКИР" показания счетчика фиксируются, включается светодиод "БЛОКИР". Сброс показаний счетчика при необходимости осуществляется кнопкой "СБРОС".
Счетчик имеет выходные устройства, которые могут быть запрограммированы на срабатывание при превышении установленного значения скорости счета. Если тумблер модуляции звука "ТОН/БИН." включен, звук начинает периодически включаться и выключаться при срабатывании линейного пропускателя, указывая на превышение установленного порога значений скорости счета. В этом режиме врач может определять границу поражения обследуемой области или органа пациента.
Питание устройства осуществляется от однофазной цепи переменного тока (220+22, минус 33) В / (50±3) Гц через сетевой фильтр с сетевым выключателем и предохранителями.
Для питания фотодиода блока детектирования используется напряжение 24 В, получаемое с AC/DC преобразователя с выходным напряжениям ±12 В. Другие цепи монитора питаются от AC/DC преобразователя с выходными напряжениями ±12 В и ±5 В. При включении питания начинает светиться светодиод "Сеть".
Функциональная схема устройства приведена на фиг.4.
Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества:
2
2
1. Использование малогабаритного ручного зонда (размер не более ⌀ 22·180 мм, входное окно ⌀ 5 мм), имеющего коллиматор из тяжелых сплавов толщиной не менее 12 г/см, входное окно толщиной не более 0,3 г/смпозволяет повысить геометрическое разрешение за счет коллимации фонового излучения.
2. Возможность изменения диапазона регистрируемых энергий (регистрация скорости счета только в области энергий фотопика используемого радионуклида) позволяет повысить геометрическое разрешение за счет уменьшения в значении скорости счета доли «фонового» излучения.
3. Возможность представления результатов контроля скорости счета гамма-квантов одновременно на цифровом табло, в аналоговой форме на линейной светодиодной шкале и в виде тонового звукового сигнала (при этом диапазон регистрации скорости счета в аналоговом и звуковом каналах разбит на поддиапазоны с автоматическим переключением) позволяет повысить геометрическое разрешение за счет повышения «чувствительности» аналоговой шкалы и тонального звукового сигнала.
4. Оперативное изменение режимов работы устройства (времени экспозиции, установки режима интегрального счета и бинарно-тонового режима) значительно повышает возможности диагностики, делает устройство более универсальным и удобным при применении.
5. Использование в качестве детектора сцинтиллятора с фотодиодной регистрацией световых вспышек позволяет уменьшить габариты ручного зонда (диаметр не более 22 мм) и не требует наличия высоковольтного питания, что снижает потенциальный риск применения и делает ручной зонд более удобным.
6. Исполнение ручного зонда специальной формы (короткая детектирующая часть повернута относительно оси ручного зонда на некоторый угол, например, 20° делает ручной зонд более удобным при применении и снижает утомляемость хирурга.
Устройство для обнаружения и локализации пораженных тканей работает следующим образом:
Устройство используется для регистрации гамма-квантов, излучаемых тканями и органами пациентов после введения радионуклидов при обследовании пациентов и проведении хирургических операций. Несмотря на наличие рассеянного и фонового излучений, снижающих контрастность отображения опухоли, ее локализация может быть улучшена по сравнению с гамма-камерами благодаря близости детектора ручного зонда к зоне контроля.
Ручной зонд с пультом управления и контроля локализует также такие области концентрации радионуклидов, как каналы лимфатических сосудов, лимфатические узлы, щитовидная железа и другие подобные ткани. Устройство обнаруживает наличие фотонного излучения радионуклидов и выявляет разницу в количестве фотонов, испускаемых различными областями тела пациента или отдельным органом. С помощью ручного зонда хирург может проследить за потоком радионуклида непосредственно от
места его введения до других областей его концентрации. При этом устройство может издавать звуковой сигнал, изменяемый по высоте тона, либо повышая его, либо понижая в зависимости от соответствующего повышения или понижения уровня радиоактивности. Изменения скорости счета также отображаются на цифровом и аналоговом дисплеях монитора.
Наиболее целесообразны следующие режимы функционирования монитора.
1. Режим сканирования - быстрое сканирование исследуемой области пациента для предварительной локализации мест скопления радионуклида.
В этом режиме врач удерживает ручной зонд примерно 1 с (время обновления показаний перепрограммируется в счетчике) над исследуемым местом и при смене показаний перемещает его в другую точку, отстоящую от предыдущей на 1÷2 см.
Результаты измерений скорости счета отображаются на цифровом, аналоговом дисплеях и в виде тонового звукового сигнала с повышением тона при увеличении скорости счета. Скорость счета может изменяться в широких пределах, не перекрываемых аналоговым дисплеем и тоном звукового сигнала.
Поэтому в устройстве осуществляется автоматическое переключение диапазонов скоростей счета на линейной светодиодной шкале. Тон звукового сигнала также автоматически изменяется с высокого на низкий при переходе на следующий диапазон скоростей счета и далее повышается с увеличением скорости счета.
фmах
mах
2. Режим целевой проверки - детальное исследование области повышенного скопления радионуклида таким же образом как в режиме сканирования, но с увеличенным программируемым интервалом счета (примерно 3 с). Для снижения статистической погрешности ручной зонд перемещается небольшими шагами в зоне скопления радионуклида для выявления мест максимальной скорости счета. Максимальная скорость счета птах в импульсах в секунду фиксируется врачом. Затем определяется максимальная скорость счета фона n в импульсах в секунду рядом расположенной здоровой ткани. При необходимости по значению n и
max
фmах
отношению r=n/n уточняется минимально необходимое время измерений Δt, с, для точной локализации места поражения в режиме целевого счета со статической погрешностью σ, в процентах, по формуле
3. Режим целевого счета - производится точная локализация места поврежденной ткани или органа за интервал счета, определенный при целевой проверке или заданного врачом исходя из ограничений на время проведения обследования или операции. Место повреждения определяется по максимальной скорости счета и высокому тону звука в областях повышенного скопления радионуклида, обнаруженных при сканировании и целевой проверке, при перемещении ручного зонда небольшими шагами.
4. Бинарный тоновый режим - производится определение границы пораженной области. В бинарном тоновом режиме пульт управления и контроля может издавать звуковой сигнал, модулированный по тону, при превышении программно установленного врачом порога по скорости счета за интервал счета, выбираемый врачом (например, 1 с). При этом, при перемещении ручного зонда от здоровой ткани к поврежденной, устройство работает сначала в тоновом режиме при скорости счета ниже пороговой, а при превышении пороговой скорости счета, устройство переходит в режим модуляции тона на время, программируемое врачом (например 1÷2 с). Врач перемещает ручной зонд в соседнюю область здоровой ткани и снова приближает его к области повышенной скорости счета, замечая повышение тона звукового сигнала. При превышении порога скорости счета вновь издается модулированный тоновый сигнал. Повторяя указанные процедуры для других соседних областей исследуемой зоны пациента, врач определяет границу поражения тканей и органов.
5. Режим суммарного счета - для исследования областей с малоконтрастным распределением небольших скоплений радионуклида. В этом режиме на счетчике импульсов программируется время измерения
(определяется врачом исходя из необходимой статистической погрешности для выявления небольших разностей в отсчетах с учетом ограничений на время проведения обследования и операции), а суммарный отсчет фиксируется на табло счетчика. Зоны скопления радионуклида определяются не по скорости счета, а по максимальным суммарным отсчетам за время измерений. В режиме суммарного счета счетчик может и не перепрограммироваться. При этом длительность счета и сброс показаний задается врачом вручную с помощью кнопок монитора.
Таблица 1
Перечень используемых радионуклидов
Радионуклид
Энергия фотопика, кэВ (%)*
Периодполураспада *
Обозначение на передней панели
Со-57
122 (88)
270 сут
Со57
Тс-99m
140(89)
6,02 ч
Тc99m
I-123
159(83)
13,2 ч
1123
In-111
179 (89); 247(94)
2,8 сут
In111
I-131
364 (78)
8 сут
I131
F-18
511 (194)
111 мин
F18
Любой
-
-
≥100 кэВ
Литература
1. http://www.amplituda.ru/index.php?module=issue&top, 27.04.2007 - НТЦ «Амплитуда», детектирующее устройство «Радикал».
2. Т.Ю.Скворцова, З.Л.Бродская, М.С.Рудас, Г.В.Катаева, А.Ф.Гурчин, С.В.Медведев, Сравнительная оценка радиофармпрепаратов в ПЭТ-диагностике опухолей головного мозга, Медицинская визуализация 1/2001 с.67-74.
3. М.А.Чекалова, Г.С.Аллахвердян, Л.В.Демидов, Н.В.Кокосадзе, Т.К.Харатишвили, С.А.Хатырев, Возможности ультразвуковой томографии при оценке местного распространения первичной меланомы кожи. Современная онкология, том 8, N 4.