ВИДЕОФЛУОРЕСЦЕНТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА ВНУТРИТКАНЕВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ФОТОСЕНСИБИЛИЗАТОРОВ ДАЛЬНЕГО КРАСНОГО И БЛИЖНЕГО ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНОВ ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ НОВООБРАЗОВАНИЙ ГОЛОВЫ И ШЕИ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ:
Предлагаемая полезная модель относится к медицине и медицинской технике для диагностики злокачественных новообразований головы и шеи. Устройство может быть использовано при малоинвазивных операциях области головы и шеи для флуоресцентной навигации с применением двух фотосенсибилизаторов в дальнем красном видимом и ближнем инфракрасном диапазонах.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно флуоресцентное эндоскопическое устройство для диагностики различных заболеваний (US 2003078477 А1, опубл. 24.04.2003), включающее источник света, излучающий в диапазоне длин волн 380-580 нм, эндоскоп, цветную видеокамеру и высокочувствительную монохромную видеокамеру, устройство обработки данных, выполненное с возможностью совмещения двух изображений и устройство вывода диагностических изображений. Использование полезной модели позволяет одновременно наблюдать изображения отраженного возбуждающего света и флуоресцентного света участка исследуемой области, корректировать яркость и неравномерность флуоресцентного излучения.
Аналогичный флуоресцентный эндоскоп известен из US 20140171764 А1, опубл. 19.07.2014. Устройство включает эндоскоп, источник непрерывного белого света, освещающий исследуемый участок, и, по меньшей мере, один лазер с длиной волны, соответствующей пику поглощения фотосенсибилизатора для возбуждения флуоресценции, например, с длиной волны 365 нм и/или 405 нм. В устройстве используются две видеокамеры с оптическими фильтрами, отсекающими определенный участок спектра, для формирования конечного изображения и устройство обработки полученных изображений.
Также известно устройство флуоресцентной навигации (WO 2008089545 А1, опубл. 31.07.2008), состоящее из источника освещения, эндоскопа, по меньшей мере, одного оптического фильтра, пропускающего излучение, возбуждающее флуоресцентное свечение, например, в диапазоне 390-455 нм, двух цветных видеокамер, устройства обработки и индикации, выполненное с возможностью обработки полученных изображений и вывода суммирующего изображения.
Известна система обработки изображений для флуоресцентного контроля хирургической резекции (US 10231626 B2, опубл. 18.09.2014). Система содержит блок источника света для подачи одного или нескольких осветительных модулей на исследуемый участок, блок регистрации отраженного света и флуоресценции от исследуемого участка, оптическая система для направления одного или нескольких источников освещения и возбуждения флуоресценции от блока источника света к цели и для направления отраженного света и флуоресценции от исследуемого участка до блока регистрации. Также представлен метод для флуоресцентного контроля хирургической резекции.
Известно устройство для визуализации изображений в видимом и во флуоресцентном свете (US 20100262017 A1, опубл. 14.10.2010). Устройство содержит источник видимого света, два источника лазерного излучения с разными длинами волн возбуждения флуоресцентных веществ, введенное в систему кровообращения пациента, электронное устройство формирования изображения, которое захватывает изображение поля зрения, дисплей, который отображает первое изображение, второе изображение и третье изображение.
Известно устройство (US 9326666B2, опубл. 13.03.2014), способное получать и отображать два или более диагностических изображения на двух разных длинах волн вместе с цветным изображением анатомического участка в видимом диапазоне длин волн. Система содержит источник света, обеспечивающий видимый свет, два лазерных источника излучения с разными диапазонами возбуждения флуоресцентных препаратов, дихроичное зеркало, пропускающее инфракрасный диапазон длины волн в направлении второго дихроичного зеркала, второе дихроичное зеркало, отражающее диагностическое изображение, имеющее первую длину волны в направлении отклика камеры на первую длину волны, и второе дихроичное зеркало, передающее второе диагностическое изображение, имеющее вторую длину волны, в сторону камеры, реагирующей на вторую длину волны, дисплей, который визуализирует два или более изображения видимого света, диагностическое изображение и второе диагностическое изображение, наложенные друг на друга.
Описанные устройства не позволяют проводить флуоресцентную диагностики при появлении в области исследования крови из-за малой проникающей способности возбуждающего излучения.
Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства (прототипом) является устройство для флуоресцентной навигации в нейрохирургии (RU 2661029 С1, опубл. 11.07.2018).
Устройство позволяет проводить интраоперационную флуоресцентную диагностику исследуемого участка ткани в привычном режиме цветного изображения и в реальном масштабе времени. Устройство для флуоресцентной навигации при хирургическом удалении злокачественных опухолей головного и спинного мозга включает источник белого света и монохроматический источник излучения, возбуждающий флуоресценцию фотосенсибилизатора, с длиной волны 638 нм, оптоволоконное устройство доставки излучения к исследуемому участку, средство регистрации обратно рассеянного излучения и флуоресцентного излучения исследуемого участка, содержащее оптический нейрохирургический операционный микроскоп, оптический видеоадаптер, монохромную видеокамеру, цветную видеокамеру, а также блок обработки и индикации, связанный со средством регистрации обратно рассеянного излучения и флуоресцентного излучения исследуемого участка. При этом источник белого света сопряжен с первым входом оптоволоконного устройства доставки излучения через светофильтр, отрезающий длинноволновую часть спектра красного участка видимого диапазона, монохроматический источник излучения (лазер) сопряжен со вторым входом оптоволоконного устройства доставки излучения через устройства фильтрации и повышения числовой апертуры выходящего пучка излучения, оптический выход микроскопа соединен со входом оптического видеоадаптера. Оптический видеоадаптер включает фокусирующую линзу, светоделитель, два оптических вывода на разъемы видеокамер, снабженных устройствами крепления светофильтров. Светоделитель выполнен в виде дихроичного зеркала, частично прозрачного зеркала или призмы. Кроме того, монохромная и цветная видеокамеры выполнены с возможностью синхронизированной или асинхронной работы. Блок обработки и индикации выполнен с возможностью совмещения полученных изображений от монохромной видеокамеры и цветной видеокамеры.
В качестве фотосенсибилизирующих веществ используются препараты, базирующиеся на хлорине е6. Ключевой концепцией разрабатываемого устройства является возможность осуществления видеофлуоресцентной диагностики злокачественных новообразований, содержащих фотосенсибилизатор в режиме реального времени, и оценка состояния кровотока вблизи опухолевой ткани. Регистрация флуоресценции происходит в «окне прозрачности» биологической ткани, соответствующей красной части диапазона видимого спектра. Устройство позволяет предоставить клиницисту возможность интраоперационно видеть на экране изображение в привычной цветовой гамме или, по крайней мере, максимально приближенной к таковой.
Недостатками данного устройства являются:
отсутствие возможности определять локализацию опухолей головы и шеи не позволяет определять границы глубокозалегающих опухолей (более 1 см), не позволяет детектировать пути метастазирования опухоли
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Технической задачей, решаемой данной полезной моделью, является создание видеофлуоресцентного устройства для анализа внутритканевого распределения фотосенсибилизаторов дальнего красного и ближнего инфракрасного диапазонов злокачественных новообразований головы и шеи.
Данная задача решается за счет того, что видеофлуоресцентное устройство для анализа внутритканевого распределения фотосенсибилизаторов дальнего красного и ближнего инфракрасного диапазонов злокачественных новообразований головы и шеи включает светодиодный источник белого света, блок излучателя с системой узкополосных светофильтров, содержащих два полупроводниковых лазера с длинами волн в диапазонах 625-665 нм и 780-810 нм, работающие в непрерывном режиме, систему доставки света с вводом излучения в один жгут, доставляющую свет одновременно от источника белого света и от блока излучателя, блок регистрации с системой фильтров, блок обработки видеоданных с возможностью аффинного преобразования изображения, поступающего с одной из монохромных видеокамер, для последующего наложения на изображение с цветной видеокамеры, в режиме реального времени, и с возможностью цифровой обработки изображения с цветной видеокамеры путем усиления красной составляющей спектра RGB канала, и блок вывода получаемых видеоданных и численного значения интенсивности флуоресцентного сигнала исследуемого участка ткани, и отличающееся тем, что блок регистрации включает два светоделителя, выполненные в виде дихроичного зеркала, фокусирующую линзу, три оптических вывода, соединенных с помощью разъемов с цветной и двумя черно-белыми видеокамерами со светофильтрами, при этом один светофильтр пропускает излучение в диапазоне спектра 670-750 нм, а другой - в диапазоне 830-850 нм, черно-белые камеры регистрируют флуоресцентные изображения в дальнем красном и в ближнем инфракрасном диапазонах одновременно, вывод результирующих трех изображений происходит на монитор компьютера в режиме наложения изображений с регулируемой интенсивностью каждого из них
Кроме того, источник белого света является RGB лазером.
Кроме того, блок излучателя содержит два полупроводниковых лазера с длинами волн в диапазонах 625-665 нм и 780-810 нм, работающие в импульсном режиме.
Кроме того, светоделители в блоке регистрации выполнены в виде частично прозрачного зеркала.
Кроме того, светоделители в блоке регистрации выполнены в виде призмы.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в увеличении глубины, с которой происходит определение границ опухолей, в возможности контроля фотодинамического воздействия по фотобличингу фотосенсибилизатора в дальнем красном видимом диапазоне и в возможности оценки кровоснабжения в области злокачественных новообразований головы и шеи при помощи фотосенсибилизатора в ближнем инфракрасном диапазоне.
Заявленное устройство решает следующие технические проблемы:
определение глубокозалегающих опухолей головы и шеи в ближнем инфракрасном диапазоне;
определение путей метастазирования за счет исследования сосудистого русла с использованием внутривенного введения индоцианина зеленого;
невозможности одновременного проведения клиницистом флуоресцентной диагностики и визуального обзора исследуемого участка ткани в привычном режиме цветного изображения;
увеличение глубины зондирования ткани: невозможность проведения флуоресцентной навигации в присутствии крови;
повышение чувствительности диагностики опухолевой ткани.
Кроме того, устройство не нарушает стандартную процедуру хирургической резекции в режиме включенной флуоресцентной навигации. Устройство может работать с разрешенными к применению на территории Российской Федерации фотосенсибилизаторами, такими как фотолон, радахлорин, фотодитазин, а также флуоресцирующим маркером в ближнем инфракрасном диапазоне спектра с индоцианином зеленым.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность полезной модели поясняется чертежами, которые включены в состав настоящего описания. Чертежи иллюстрируют вариант осуществления полезной модели и совместно с вышеприведенным общим описанием полезной модели и нижеприведенным подробным описанием осуществления служат для пояснения принципов настоящей полезной модели.
На фиг. 1 представлена общая схема видеофлуоресцентного устройства для анализа внутритканевого распределения фотосенсибилизаторов дальнего красного и ближнего инфракрасного диапазонов злокачественных новообразований головы и шеи.
На фиг. 2а представлена общая схема блока излучателя и источника белого света, представленного в качестве RGB источника света.
На фиг. 2б представлена общая схема блока излучателя и источника белого света, представленного в качестве широкополосного источника света.
На фиг. 2в представлена общая схема источника белого света и блока излучателя с механическим переключателем между лазерными излучениями.
На фиг. 3 представлена схема блока регистрации с тремя камерами.
На фиг. 4а представлено флуоресцентное изображение опухоли левой околоушной слюнной железы IV стадии в дальнем красном диапазоне при внутривенном введении хлорина е6.
На фиг. 4б представлено цветное изображение опухоли левой околоушной слюнной железы IV стадии.
На фиг. 4в представлено изображение опухоли левой околоушной слюнной железы IV стадии в режиме наложения при внутривенном введении хлорина е6.
На фиг. 5а представлено флуоресцентное изображение кровеносных сосудов кожного трансплантата брюшины в ближнем инфракрасном диапазоне при внутривенном введении индоцианина зеленого.
На фиг. 5б представлено флуоресцентное изображение подмышечных сторожевых лимфатических узлов в ближнем инфракрасном диапазоне при подкожном введении.
На фиг. 5в представлено флуоресцентное изображение лимфатических сосудов в ближнем инфракрасном диапазоне при подкожном введении индоцианина зеленого.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ТЕРМИНЫ
Под термином «исследуемый участок ткани» в данном документе понимают участок тела, в пределах которого производится оперативное вмешательство, а также любой другой объект, например экспериментальный образец с неизвестной концентрацией фотосенсибилизатора, подлежащий флуоресцентному исследованию с целью оценки накопления фотосенсибилизатора или другого люминофора.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Видеофлуоресцентное устройство для анализа внутритканевого распределения фотосенсибилизаторов дальнего красного и ближнего инфракрасного диапазонов злокачественных новообразований головы и шеи включает светодиодный источник белого света (1), блок излучателя (2), содержащий два полупроводниковых лазера с длинами волн в диапазонах 625-665 нм (3) и 780-810 нм (4), систему доставки излучения (5), блок регистрации (6) с системой фильтров, блок обработки видеоданных (7) с возможностью аффинного преобразования изображения, поступающего с одной из монохромных видеокамер (8, 9), для последующего наложения на изображение с цветной видеокамеры (10), в режиме реального времени, и с возможностью цифровой обработки изображения с цветной видеокамеры путем усиления красной составляющей спектра RGB канала, и блока вывода (11) получаемых видеоданных и численного значения интенсивности флуоресцентного сигнала исследуемого участка ткани.
Кроме того, блок регистрации включает два светоделителя (12, 13), выполненные в виде дихроичного зеркала, фокусирующую линзу (14), три оптических вывода (15, 16, 17), соединенных с одной стороны с помощью разъемов с цветной (10) и двумя черно-белыми видеокамерами (8, 9) со светофильтрами, пропускающими излучение в диапазоне спектра 670-750 нм (18) и 830-850 нм (19), а с другой - соединен с помощью разъема с гибким эндоскопом с жесткой насадкой (20), вывод результирующих трех изображений происходит на монитор компьютера (11) в режиме наложения изображений с регулируемой интенсивностью каждого из них.
Принцип работы видеосистемы заключается в следующем. Свет от источника белого света (1) и лазерное излучение от блока излучателя (2), проходя от лазеров (3, 4) через коллиматоры (21) и чистящие фильтры (22, 23), попадают на систему зеркал (24, 25, 26, 27, 28), далее на фокусирующие линзы (29) к оптическим входам (30, 31) системы доставки излучения (5). При этом в качестве источника белого света (1) может выступать белый светодиод повышенной мощности (32), включающий коллиматор (21) и фильтр, пропускающий коротковолновую часть спектра до 625 нм (33), или набор из трех RGB светодиодов (34, 35, 36), включающий коллиматоры перед каждым светодиодом (21) и фильтры, пропускающие коротковолновую часть спектра до 625 нм (33). При этом излучение от лазеров (3, 4) может переключаться электромеханическим переключателем (37). Система доставки излучения представляет собой светопроводящий гибкий У-образный оптоволоконный жгут (5), состоящий из волокон диаметром 70 мкм. Со стороны подключения к источникам излучения он имеет два ответвления и укомплектован оптическими разъемами. Один оптический разъемам (31) предназначен для ввода излучения от белого источника света (1), укомплектовано разъемом стандарта Storz/wolf. Другой оптический разъемам (30) предназначен для ввода монохроматического излучения от блока излучателя (2) и укомплектовано оптическим разъемом SMA 905. С другой стороны волоконный жгут имеет разъем (38) для присоединения к гибкому эндоскопу с жесткой насадкой (20). Гибкий эндоскоп с жесткой насадкой (20) служит для доставки излучения к исследуемому объекту и регистрации диффузноотраженного света. Состоит из видеорегистрирующего канала для передачи изображения исследуемого объекта, двух экспериментальных каналов, для подачи воздуха или воды. Внешняя часть системы доставки выполнена из медицинского силикона.
Диффузноотраженный свет регистрируется блоком регистрации (6), состоящим из трех каналов (15, 16, 17) детектирования флуоресцентного сигнала, в каждом из которых установлена видеокамера. Свет попадает на светоделитель (12) с границей разделения 652 нм. Отраженный свет поступает на цветную камеру (10) с фильтром, пропускающим свет в диапазоне 400-625 нм (39). Проходящий свет попадает на второй светоделитель (13) с границей разделения 750 нм. Отраженный свет попадает на черно-белую камеру (8) со светофильтром, пропускающим излучение в диапазоне 670-750 нм (18). Камера (8) служит для регистрации флуоресценции фотосенсибилизаторов на основе хлорина е6. Проходящий свет со спектральным диапазоном больше 750 нм попадает на черно-белую камеру (9) с фильтром, пропускающим излучение в диапазоне и 830-850 нм (19). Камера (9) служит для регистрации флуоресценции флуоресцентного красителя индоцианина зеленого. Для вывода на мониторе компьютера (И) полученной с камер информации предназначено специальное ПО. Путем предобработки и сложения, при необходимости, изображений во флуоресцентном свете в дальнем красном диапазоне длин волн 670-750 нм, получаемой с черно-белой камеры (8) с изображением с цветной камеры (10) на мониторе (11) отображается флуоресцентное изображение, степень накопления фотосенсибилизаторов и размеры злокачественного новообразования. Во флуоресцентном свете в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн 830-850 нм, получаемой с черно-белой камеры (9), на мониторе (11) отображаются сосудистые русла и возможные пути метастазирования опухоли. При этом тромбоз вен диагностируется как резкое прерывание сосудистого русла. Изображение в видимом свете, получаемое с камеры (10), отображает органы пациенты в привычном цвете. При необходимости система флуоресцентной видеорегистрации, позволяет одновременно наблюдать отраженное и флуоресцентное изображения участка исследуемой области, корректировать яркость и неравномерность флуоресцентного излучения.
Процедура флуоресцентной диагностики с использованием предложенного устройства проходит следующим образом. За два часа до диагностики пациенту внутривенно вводится фотосенсибилизатор хлорин е6. Эндоскоп (20) видеосистемы вводят в интересующую область пациента, к примеру, в носоглотку, ротовую полость, ушную раковину и т.д. Для определения локализации злокачественного новообразования включается источник белого света (1) и лазерный источник (3) с длинами волн возбуждения в диапазоне 625-665 нм. Диффузноотраженный свет собирается эндоскопом (20) и попадает в блок регистрации (6). В нем оно разделяется при помощи светоделителей (12, 13) и попадает на регистрирующие камеры (8, 9, 10). Для осмотра и диагностики исследуемого участка в видимом диапазоне спектра, ПО переключают в режим отображения изображения с камеры (10) (фиг. 4б). Для регистрации флуоресценции хлорина еб в патологической ткани ПО переключают в режим отображения изображения с камеры (8) (фиг. 4а). На нем области накопления фотосенсибилизатора подсвечиваются белым светом. При этом для флуоресцентной навигации ПО возможно перевести в режим наложения изображений с камер (8) и (10) (фиг. 4в). Тогда области накопления фотосенсибилизатора подсвечиваются цветом, задаваемым пользователем. По умолчанию зеленым, как наиболее контрастным с цветом тканей человека.
При необходимости исследования сосудистого русла у пациента, непосредственно перед диагностикой внутривенно вводят индоцианин зеленый. Эндоскоп (20) доставляют к интересующей области. Включается источник белого света (1) и лазерный источник (4) с длинами волн возбуждения в диапазоне 780-810 нм. ПО переключают в режим отображения изображения с камеры (9) (фиг. 5а, 5б, 5в). При этом сосуды подкрашиваются белым цветом.