RU2497558C1 - Способ проведения интраоперационной комбинированной спектроскопической диагностики опухолей головного и спинного мозга - Google Patents
Способ проведения интраоперационной комбинированной спектроскопической диагностики опухолей головного и спинного мозга Download PDFInfo
- Publication number
- RU2497558C1 RU2497558C1 RU2012137062/14A RU2012137062A RU2497558C1 RU 2497558 C1 RU2497558 C1 RU 2497558C1 RU 2012137062/14 A RU2012137062/14 A RU 2012137062/14A RU 2012137062 A RU2012137062 A RU 2012137062A RU 2497558 C1 RU2497558 C1 RU 2497558C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- intraoperative
- spectroscopic
- broadband
- tumor
- fluorescence
- Prior art date
Links
- 208000037959 spinal tumor Diseases 0.000 title claims abstract description 5
- 230000002490 cerebral effect Effects 0.000 title abstract 3
- 238000012631 diagnostic technique Methods 0.000 title abstract 2
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 claims abstract description 54
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 31
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 claims abstract description 23
- KSFOVUSSGSKXFI-GAQDCDSVSA-N CC1=C/2NC(\C=C3/N=C(/C=C4\N\C(=C/C5=N/C(=C\2)/C(C=C)=C5C)C(C=C)=C4C)C(C)=C3CCC(O)=O)=C1CCC(O)=O Chemical compound CC1=C/2NC(\C=C3/N=C(/C=C4\N\C(=C/C5=N/C(=C\2)/C(C=C)=C5C)C(C=C)=C4C)C(C)=C3CCC(O)=O)=C1CCC(O)=O KSFOVUSSGSKXFI-GAQDCDSVSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 229950003776 protoporphyrin Drugs 0.000 claims abstract description 13
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000002271 resection Methods 0.000 claims abstract description 10
- 108010054147 Hemoglobins Proteins 0.000 claims abstract description 9
- 102000001554 Hemoglobins Human genes 0.000 claims abstract description 9
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000000439 tumor marker Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000000985 reflectance spectrum Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 31
- ZGXJTSGNIOSYLO-UHFFFAOYSA-N 88755TAZ87 Chemical compound NCC(=O)CCC(O)=O ZGXJTSGNIOSYLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 claims description 11
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 11
- 229950010481 5-aminolevulinic acid hydrochloride Drugs 0.000 claims description 7
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 claims description 6
- 230000036210 malignancy Effects 0.000 claims description 6
- 208000003174 Brain Neoplasms Diseases 0.000 claims description 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 4
- 230000005236 sound signal Effects 0.000 claims description 4
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 3
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 2
- 229940100688 oral solution Drugs 0.000 claims 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 25
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 7
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 4
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 abstract description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- ZLHFONARZHCSET-UHFFFAOYSA-N 5-aminolevulinic acid hydrochloride Chemical compound Cl.NCC(=O)CCC(O)=O ZLHFONARZHCSET-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 51
- 229960002749 aminolevulinic acid Drugs 0.000 description 13
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 11
- 238000006213 oxygenation reaction Methods 0.000 description 9
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 6
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 6
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 6
- 238000002189 fluorescence spectrum Methods 0.000 description 5
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 5
- 208000002847 Surgical Wound Diseases 0.000 description 4
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 4
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 4
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 4
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 4
- 238000002595 magnetic resonance imaging Methods 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 3
- 239000000090 biomarker Substances 0.000 description 3
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 3
- 210000000278 spinal cord Anatomy 0.000 description 3
- 206010003571 Astrocytoma Diseases 0.000 description 2
- 206010014967 Ependymoma Diseases 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001574 biopsy Methods 0.000 description 2
- 210000003710 cerebral cortex Anatomy 0.000 description 2
- 210000001652 frontal lobe Anatomy 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 206010062261 spinal cord neoplasm Diseases 0.000 description 2
- 210000003478 temporal lobe Anatomy 0.000 description 2
- 210000004881 tumor cell Anatomy 0.000 description 2
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 2
- 206010027476 Metastases Diseases 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 206010002224 anaplastic astrocytoma Diseases 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 230000036770 blood supply Effects 0.000 description 1
- 210000004204 blood vessel Anatomy 0.000 description 1
- 201000007983 brain glioma Diseases 0.000 description 1
- 201000007980 brain meningioma Diseases 0.000 description 1
- 210000005013 brain tissue Anatomy 0.000 description 1
- 230000032823 cell division Effects 0.000 description 1
- 210000003169 central nervous system Anatomy 0.000 description 1
- 238000002591 computed tomography Methods 0.000 description 1
- 238000006392 deoxygenation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000012774 diagnostic algorithm Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 238000002224 dissection Methods 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 210000001951 dura mater Anatomy 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000001506 fluorescence spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 1
- CPBQJMYROZQQJC-UHFFFAOYSA-N helium neon Chemical compound [He].[Ne] CPBQJMYROZQQJC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108010036302 hemoglobin AS Proteins 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 208000014674 injury Diseases 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000001499 laser induced fluorescence spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 208000030883 malignant astrocytoma Diseases 0.000 description 1
- 230000004066 metabolic change Effects 0.000 description 1
- 230000002503 metabolic effect Effects 0.000 description 1
- 238000011206 morphological examination Methods 0.000 description 1
- 210000003666 myelinated nerve fiber Anatomy 0.000 description 1
- 210000000944 nerve tissue Anatomy 0.000 description 1
- 206010073131 oligoastrocytoma Diseases 0.000 description 1
- 230000000771 oncological effect Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002980 postoperative effect Effects 0.000 description 1
- 238000001055 reflectance spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000012883 sequential measurement Methods 0.000 description 1
- 230000008733 trauma Effects 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- 210000004885 white matter Anatomy 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Изобретение относится к медицине, а именно к нейроонкологии, и может быть использовано для интраоперационной диагностики границ опухолей головного и спинного мозга и определения качества резекции опухоли. Предложен способ проведения интраоперационной комбинированной спектроскопической диагностики опухолей головного и спинного мозга, в процессе которого в рамках предоперационной подготовки пациенту перорально вводят раствор гидрохлорид-5-аминолевулиновой кислоты (за несколько часов до начала удаления опухоли). Собственно интраоперационный спектроскопический анализ содержания в исследуемых тканях опухолевого маркера (5-АЛК индуцированного протопорфина IX), продуктов его фотораспада, оксигенированного и редуцированного гемоглобина, а также изменения рассеивающих свойств тканей осуществляют с помощью источников широкополосного и лазерного светодиодного излучения и волоконно-оптического зонда. Источник широкополосного излучения используют в диапазоне 500÷600 нм, а источник возбуждающего флуоресцентна лазерно/светодиодного излучения - с длиной волны 620÷640 нм. Регистрацию спектров диффузного отражения широкополосного и лазерно/светодиодного излучения, а также флуоресценции производят одновременно. После автоматической классификации спектроскопических характеристик оценивают радикальность проведения резекции. Предлагаемый метод позволяет добиться повышения достоверности интраоперационных измерений при проведении нейронавигации, уменьшения времени их осуществления, увеличения глубины зондирования и упрощения процесса регистрации спектров in vivo. 3 з.п. ф-лы, 9 ил., 3 пр.
Description
Настоящее изобретение относится к медицине, а именно к нейроонкологии, и может быть использовано для интраоперационной диагностики границ опухолей головного и спинного мозга и определения качества резекции опухоли.
В настоящее время наблюдается значительный рост частоты онкологических заболеваний центральной нервной системы. Особую сложность представляет определение границ внутримозговых и интрамедуллярных опухолей. Актуальность проблемы определения границ астроцитарных опухолей обусловлена особенностями их роста вдоль миелинизированных нервных волокон и сосудов, приводящего к инфильтрации здорового белого вещества опухолевыми клетками, что сказывается в высокой частоте послеоперационных рецидивов. Сложность хирургии интрамедуллярных опухолей спинного мозга состоит в том, что опухоль не всегда имеет четкую границу и высок риск травматизации по причине меньших размеров оперируемого участка по сравнению с головным мозгом. Надежная информация касательно объема резецированной опухоли может быть получена путем интраоперационной визуализации. Решение этой проблемы реализуется в основном в трех направлениях: использование интраоперационной компьютерной томографии, магнитно-резонансной томографии и УЗИ-сканирования, и различными комбинациями этих методов [bitraoperative Imaging in Neurosurgery: MRI, CT, U/S, Springer-Verlag, Vienna, 2003; Radiology Research and Practice, Volume 2012 (2012), Article ID 197364, 9 pages; Acta Neurochirurgica (Wien), 2007; 149(4):365-78].
К сожалению, все эти способы интраоперационной диагностики не позволяют проводить исследование тканей в операционной ране в режиме реального времени и/или не обеспечивают одновременный анализ как структурных, так и метаболических изменений.
Между тем, клинические исследования показали значительную корреляцию между уровнем накопления 5-аминолевулиновой кислоты (5-АЛК) - индуцированного протопорфирина DC и скоростью деления клеток, что позволяет использовать это вещество в качестве опухолевого маркера. Однако, ввиду того, что в 20-30% случаев наблюдается лишь незначительное накопление препарата в опухолевых клетках, необходимы дополнительные критерии для интраоперационной диагностики исследуемых тканей. Как известно, опухолевая ткань и здоровая мозговая ткань характеризуются отличиями как по структуре ткани, так и по степени кровенаполненности и оксигенации гемоглобина. Таким образом, одновременное определение этих параметров позволяет повысить чувствительность метода, основанного на определении концентрации опухолевого маркера (5 АЛК-индуцированного протопорфирина IX).
Поэтому весьма актуальной проблемой является разработка способа быстрого интраоперационного анализа тканей по совокупности характерных признаков во время удаления опухолей головного и спинного мозга. Флуоресцентная спектроскопия и спектроскопия диффузного отражения предоставляют точные, быстрые и неинвазивные методы исследования метаболических и структурных изменений, происходящих в тканях.
Ближайшим аналогом к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ комбинированной спектроскопии, описанный в статье [Journal of Biomedical Optics 16 (11), 116007-14 (November 2011]. В данной статье предлагается метод комбинированной спектроскопии, сочетающий в себе анализ спектров диффузного рассеяния излучения импульсного широкополосного источника в диапазоне от 450 до 720 нм, полученных для двух расстояний между осветительным и приемным волокнами, и спектра флуоресценции 5-АЛК индуцированного протопорфирина IX и продуктов его фотораспада в диапазоне от 600 до 720 нм, вызванной излучением с длиной волны 405 нм. За несколько часов до операции в организм пациента вводится раствор гидрохлорида 5-АЛК. Затем в процессе операции по резекции опухоли производят последовательные измерения спектра фонового излучения, двух спектров: диффузного рассеяния и спектра флуоресценции. Полное время, требующееся для регистрации всех спектральных зависимостей в каждой точке, составляет порядка трех секунд. Для получения спектральных характеристик используют оптоволоконный зонд, содержащий три осветительных волокна и два приемных. Полученные спектроскопические данные обрабатывают с использованием диффузионного приближения теории распространения излучения в мутной среде, оптические характеристики которой соответствуют оптическим характеристикам исследуемой ткани. Полученные таким образом данные позволяют количественно оценить следующие параметры: концентрацию 5-АЛК-индуцированного протопорфирина IX и продуктов его фотораспада, концентрацию гемоглобина в оксигенированной и редуцированной форме, рассеивающие свойства ткани. Для реализации диагностического алгоритма используется метод опорных векторов, представляющий собой метод классификации «с учителем», в пространстве пяти характеристик, полученных в результате математической обработки спектральных зависимостей. По результатам автоматического анализа делают вывод о радикальности проведенной резекции.
Недостатки данного метода заключаются в последовательной регистрации спектров фонового освещения, диффузного рассеяния и флуоресценции, что требует для проведения измерения всех параметров, необходимых для классификации ткани, около 3 с, и не позволяет проводить измерения в реальном времени и достоверно утверждать, что спектры получены из одной точки в одинаковых условиях. Другим недостатком метода, выбранного нами в качестве прототипа, является использование для возбуждения флуоресценции коротковолнового излучения (длина волны 405 нм), для которого биологическая ткань является средой с низкой прозрачностью, что приводит к флуоресцентному зондированию объема ткани, не превышающего нескольких микрометров, и требует предварительного промывания ткани от крови перед проведением оптического измерения. Эти недостатки усложняют процедуру анализа ткани методом оптической биопсии.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа, обеспечивающего повышение достоверности измерений, уменьшение времени их осуществления, увеличение глубины зондирования и упрощение процесса регистрации спектров in vivo.
Поставленная задача решается способом интраоперационного проведения спектроскопической диагностики опухолей головного и спинного мозга, включающим предоперационное введение пациенту раствора гидрохлорида 5-АЛК и интраоперационный спектроскопический анализ содержания в исследуемых тканях опухолевого маркера (5-АЛК индуцированного протопорфирина IX), продуктов его фотораспада, оксигенированного и редуцированного гемоглобина, а также изменения рассеивающих свойств с использованием источников широкополосного и лазерного излучения и волоконно-оптического зонда, с последующей автоматической классификацией спектроскопических характеристик, служащей для оценки радикальности проведения резекции. Предложенный способ осуществляют с использованием источника широкополосного излучения в диапазоне длин волн от 500 нм до 600 нм и источника лазерного/светодиодного излучения с длиной волны в области 620-640 нм, регистрацию спектров диффузного отражения и флуоресценции производят одновременно, после чего по уровню накопления опухолевого маркера 5-АЛК индуцированного протопорфирина DC определяется степень принадлежности измеряемого образца ткани к определенным ранее классам, по результатам которой оценивают радикальность резекции опухоли.
Задача также решается тем, что для автоматической обработки спектроскопических характеристик используют классификацию данных методом. К ближайших соседей в пространстве вышеперечисленных характеристик.
Задача решается тем, что по результатам автоматической классификации формируют звуковой сигнал, модулированный по громкости и частоте в зависимости от степени малигнизации исследуемой ткани.
Задача может быть решена тем, что по результатам автоматической классификации формируют карты распределения биомаркеров.
Предложенный способ осуществляется с помощью перекрестной системы осветительных и съемочных фильтров, которая реализует разделение спектрального диапазона на области регистрации спектра диффузного отражения излучения широкополосного источника (в диапазоне от 500 нм до 600 нм), интенсивности рассеяния лазерного излучения (в диапазоне 620-640 нм, что соответствует области длинноволнового пика Q-полосы поглощения протопорфирина DC, в котором биологическая ткань является оптически прозрачной) и спектра флуоресценции (в диапазоне 640-850 нм). Устройство для проведения интраоперационной комбинированной спектроскопической диагностики опухолей головного и спинного мозга соответствует варианту устройства, описанного в патенте РФ №2169590 (МПК A61N 5/06, 2000).
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является обеспечение возможности быстрого и достоверного получения спектроскопических характеристик из одного и того же объема ткани в операционной зоне для всех указанных характеристик и упрощение процесса за счет исключения необходимости предварительного промывания ткани от крови перед проведением диагностики.
В соответствии с изобретением, в рамках предоперационной подготовки осуществляется пероральное введение в организм пациента раствора гидрохлорида 5-аминолевулиновой кислоты за несколько часов до начала удаления опухоли.
Предлагаемый способ заключается в проведении интраоперационного спектроскопического анализа посредством приведения в мягкий контакт дистального конца оптоволоконного зонда и исследуемого участка ткани. В результате измерения на вход спектрометра поступает диффузно отраженное тканью широкополосное излучение в диапазоне длин волн от 500 до 600 нм, диффузно отраженное тканью и ослабленное на три порядка режекторным фильтром, расположенным на входе спектрометра, лазерное излучение, а также индуцированное лазерным флуоресцентное излучение. Регистрируемые спектральные зависимости подвергаются математической обработке в специальном программном обеспечении для вычисления физиологических характеристик (биомаркеров), оказавших влияние на спектральные зависимости, таких как концентрация протопорфирина IX, гемоглобина в оксигенированной и редуцированной форме и изменения рассеивающих свойств исследуемых тканей.
Классификация регистрируемых таким образом спектроскопических характеристик может быть осуществлена посредством автоматического сопоставления спектроскопических и/или физиологических характеристик с базой данных соответствующих спектроскопических и/или физиологических характеристик тканей, состояние которых было верифицировано посредством гистологического анализа, методами автоматической классификации, по результатам которой формируется заключение о степени отношения исследуемой ткани к той или иной группе в рамках принятой классификации тканей.
Для информирования хирурга о состоянии тканей по результатам автоматической классификации спектроскопических данных возможно использование как визуальной, так и звуковой индикации. Для акцентирования внимания хирурга на изменении спектральных характеристик в процессе операции по результатам их автоматической обработки возможно использование звуковой индикации с модуляцией по громкости и частоте в зависимости от степени малигнизации тканей. Также возможно формирование на экране монитора двумерных карт распределения спектроскопических и/или физиологических характеристик тканей для наглядности представления совместного распределения исследуемых биомаркеров.
Изобретение иллюстрируется следующими рисунками.
На Фиг.1 приведены для пациента A под пунктом а - предоперационная МРТ; б - фотография коры головного мозга над опухолью в белом свете; в - фотография распределения флуоресценции коры головного мозга над опухолью в режиме Blue 400 интраоперационного микроскопа Opmi Pentera.
На Фиг.2 приведено для пациента А (а) изображение операционного ложа в режиме Blue 400 (время 18.16.07) до проведения спектроскопического исследования, (б) в момент проведения комбинированной спектроскопии (время 18.16.19-18.16.21), а также в режиме Blue 400 (в) после непродолжительной аспирации в положении проведения комбинированного спектроскопического анализа. Приведены спектры 208-209 (г), зарегистрированные в момент, показанный на фиг.2б, а также соответствующие им значения степени оксигенации, интенсивности светорассеяния и индекса флуоресценции, апостериорно нормированные на максимальные значения, полученные в ходе данного исследования (д). Интраоперационно были получены следующие значения этих параметров: спектр 208 - оксигенация 53%, амплитуда рассеянного назад лазерного излучения 800, индекс флуоресценции 8.7; спектр 209 - оксигенация 26%, амплитуда рассеянного назад лазерного излучения 210, индекс флуоресценции 7.5.
На Фиг.3 представлены карты совместного распределения исследуемых спектроскопических величин для нормальной, опухолевой ткани, а также в операционном ложе после удаления опухоли у пациента А. Использованы следующие обозначения точек в трехмерном пространстве, принадлежащих различным классам: ▲ - край опухоли (перифокальная зона), ■ - опухоль, ✕ - ложе после удаления опухоли, ✖ - интактная нервная ткань. Все значения характеристик нормированы на максимальные величины, полученные в результате исследования. а - по оси абсцисс отложены значения интенсивности рассеянного назад лазерного излучения, по оси ординат - индекса флуоресценции; б - по оси абсцисс отложены значения степени насыщения гемоглобина кислородом, по оси ординат - индекса флуоресценции; в - по оси абсцисс отложены значения степени насыщения гемоглобина кислородом, оп оси ординат - интенсивности рассеянного назад лазерного излучения.
На Фиг.4 приведены результаты морфологического исследования образцов ткани, взятых во время операции пациента А, позволившие сделать окончательное заключение - олигоастроцитома: а - астрокомпонент опухоли, б - олигокомпонент опухоли.
На Фиг.5 присутствуют интраоперационные стоп-кадры операции по удалению опухоли пациента Б в белом свете (а) и в режиме Blue 400 Carl Zeiss Opmi Pentero (б), демонстрирующие наличие крови в операционном ложе и слабую неоднородную флуоресценцию (время 11.04.40-45), не позволяющую сделать однозначный вывод о степени накопления опухолевого маркера в ткани.
На Фиг.6 приведены результаты комбинированного спектроскопического анализа тканей пациента Б в участке ложа, показанном на фиг.4: интраоперапионный спектр №36 (а), а также соответствующие ему значения индекса флуоресценции (б) и оксигенации (в). Индекс флуоресценции 26, амплитуда рассеянного назад лазерного излучения 350, оксигенация 56%.
На Фиг.7 показаны результаты морфологического исследования опухоли пациента Б., с окончательным заключением - анапластическая астропитома: а - зона инфильтрации опухоли; б - зона инфильтрации опухоли; в - опухоль; г - опухоль и зона инфильтрации.
На Фиг.8 приведены интраоперационные спектры, полученные методом комбинированного спектроскопического анализа пациента В. Спектр, маркированный зеленым, соответствует нормальному мозгу, спектр, обозначенный фиолетовьм, получен от опухолевой ткани, спектр, маркированный оранжевым цветом, зарегистрирован от края опухоли.
На Фиг.9 показаны результаты морфологического исследования опухоли у пациента В - на препаратах выявлена интрамедуллярная эпендимома.
Нижеприведенные примеры иллюстрируют предлагаемое изобретение.
Пример 1.
Пациент А, 23 года, (окончательный диагноз - олигоастропитома левой лобной доли (Grade II по классификации Всемирной организации здравоохранения)) оперирован 17.04.2012 (впервые). За 2 часа до операции пациенту перорально введен раствор гидрохлорида 5-аминолевулиновой кислоты (Аласенс) в количестве 20 мг/кг веса пациента. После проведения трепанации и вскрытия твердой мозговой оболочки визуализирована кора левой лобной области, на поверхность которой выходит опухолевый узел, ярко флуоресцирующий при подсветке в режиме BL 400 на операционном микроскопе Carl Zeiss Opmi Pentero с флуоресцентным модулем (см. интраоперационные фотографии на фиг.1). На фиг.1. представлена предоперационная МРТ (а) у пациента с внутримозговой опухолью - визуализируется большая опухоль левой лобной доли (Grade II); интраоперационная фотография в белом свете (б) и в режиме Blue 400 Carl Zeiss Opmi Pentero (в), демонстрируют яркую видимую флуоресценцию на первом этапе операции. Начато удаление опухоли. В процессе операции периодически проводилась оценка визуальной флуоресценции операционной раны и контроль маркеров состояния исследуемых тканей с помощью предлагаемого метода комбинированной спектроскопии.
Для этого использовали источник широкополосного излучения в диапазоне 500-600 нм для анализа концентрации гемоглобина в оксигенированной и редуцированной форме и источник лазерного излучения с длиной волны в области 632.8 нм для анализа параметров светорассеяния и возбуждения флуоресценции 5-АЛК индуцированного протопорфирина IX и продуктов его фотораспада. При приведении оптоволоконного зонда в мягкий контакт с тканью производили одновременную регистрацию спектров диффузного отражения и флуоресценции.
Участки интенсивного накопления 5-АЛК удалены полностью, отмечалось постепенное снижение интенсивности видимой флуоресценции в ходе операции по мере углубления операционной раны. В ходе дальнейшей операции опухоль визуально практически не отличалась от мозгового вещества. На этом этапе наиболее чувствительным средством оценки состояния ткани в операционной ране являлся метод комбинированной спектроскопии. Серия интраоперационных кадров и спектральных зависимостей, представленных на фиг.2, демонстрирует спектроскопическое обнаружение флуоресцирующего очага (фиг.2, б), не поддающегося визуализации с помощью видеофлуоресцентного режима Opmi Pentera Blue 400 (фиг.2, а). При исследовании комбинированной спектроскопии выявляется спектр 208 - индекс флуоресценции 8.7, амплитуда рассеянного назад лазерного излучения 800, оксигенация 53%; спектр 209 - индекс флуоресценции 7.5, амплитуда рассеянного назад лазерного излучения 210, оксигенация 26% (фиг.2 г, д).
При проведении комбинированного спектроскопического анализа в реальном времени производили классификацию исследуемой ткани на основе автоматического анализа ее спектроскопических характеристик методом К ближайших соседей. В качестве метода индикации использовались двумерные карты распределения величины исследуемых физиологических маркеров (фиг.3).
В ходе операции проводился забор материала для проведения морфологического анализа образцов тканей в сопоставлении с данными спектрального анализа (фиг.4). Различия в уровне рассеяния, показанные на фиг.2в, соответствующие одинаково эффективному накоплению протопорфирина IX (фиг.2г) можно отнести за счет морфологических отличий участков опухоли, содержащей как астро-, так и олигокомпоненты (фиг.4а, б). После получения показателей комбинированной спектроскопии от стенок ложа удаленной опухоли, идентичных нормальному мозгу, основной этап операции заканчивался.
Пример 2.
Пациент Б, 23 года, (окончательный диагноз - анапластическая астроцитома правой височной доли (Grade III согласно классификации Всемирной организации здравоохранения)) оперирован впервые 07.06.2011 г. За 2 часа до операции пациенту перорально введен раствор гидрохлорида 5-аминолевулиновой кислоты (Аласенс) в количестве 20 мг/кг веса пациента. В ходе операции в белом свете и в режиме Opmi Pentera Blue 400 визуализирувалась солидная часть опухоли в виде участков слабой флуоресценции, периодическое заполнение операционного ложа кровью приводило к затруднению видеонавигации (фиг.5а, б). При проведении резекции опухоли постоянно проводился комбинированный спектральный анализ в операционном ложе (фиг.5, 6а, б, в) с контролем базового уровня сигнала от коры височной доли. Были использованы источник широкополосного излучения в диапазоне 500-600 нм для регистрации спектров диффузного отражения и определения на его основе концентрации гемоглобина в оксигенированной и редуцированной форме и источник лазерного излучения с длиной волны в области 633±5 нм для анализа параметров светорассеяния и возбуждения флуоресценции 5-АЛК индуцированного протопорфирина IX и продуктов его фотораспада. При приведении оптоволоконного зонда в мягкий контакт с тканью производилась одновременная регистрация спектров диффузного отражения и флуоресценции. В реальном времени происходила классификации исследуемой ткани на основе автоматического анализа ее спектроскопических характеристик. По результатам классификации формировался звуковой сигнал, модулированный по громкости и частоте в зависимости от степени малигнизации исследуемой ткани, на экран выводились регистрируемые спектры и карты распределения измерений в координатах регистрируемых характеристик.
При проведении комбинированной спектроскопии максимальный индекс флуоресценции составил 26 отн. ед., амплитуда рассеянного назад лазерного излучения в той же точке составила одну треть от значения этого параметра в нормальной ткани, оксигенация в той же точке составила 56% (фиг.6). Из точек проведения комбинированного спектроскопического анализа были взяты биоптаты исследуемой ткани (фиг.6а, б, в, г). Результаты сопоставления интраоперационных спектральных зависимостей и данных морфологического заключения послужили для пополнения базы данных спектроскопических/физиологических харакетристик для повышения точности определения принадлежности исследуемых тканей к определенным классам.
После получения показателей комбинированной спектроскопии,, от ткани ложа удаленной опухоли, идентичных нормальному мозгу, основной этап операции заканчивался.
Пример 3.
Пациент В, 31 год, (окончательный диагноз - интрамедуллярная опухоль (эпендимома) на уровне Th2-Th3 позвонков) оперирован впервые 03.04.2012 г. За 2 часа до операции пациенту перорально введен раствор гидрохлорида 5-аминолевулиновой кислоты (Аласенс) в количестве 20 мг/кг веса пациента. После осуществления подхода к опухоли проведена оценка видимой флуоресценции с помощью эндоскопа с флуоресцентным модулем - отмечались участки яркой гомогенного типа видимой флуоресценции. При резекции остатков опухоли, ввиду того, что чувствительность эндоскопического видеофлуоресцентного модуля оказалась недостаточной, проводился комбинированный спектроскопический анализ в операционном ложе. Для проведения комбинированной спектроскопии использовались два источника излучения - галогенная лампа с фильтром, пропускающим излучение в диапазоне 500-600 нм и гелий-неоновый лазер (632.8 нм). При приведении оптоволоконного зонда в мягкий контакт с тканью производилась одновременная регистрация спектров диффузного отражения и флуоресценции. В реальном времени происходила классификации исследуемой ткани на основе автоматического анализа ее спектроскопических характеристик. По результатам классификации формировался звуковой сигнал, модулированный по громкости и частоте в зависимости от степени малигнизации исследуемой ткани, на экран выводились регистрируемые спектры. На фиг.8 (а, б, в) показаны три спектра, полученных интраоперационно во время удаления опухоли у пациента В. Спектр, маркированный оранжевым, зарегистрирован от края опухоли, о чем говорят промежуточные между нормой и опухолью значения индекса флуоресценции и интенсивности рассеянного назад лазерного излучения. Легкая дезоксигенация нормальной ткани может быть обусловлена тракцией ткани спинного мозга во время оперативного вмешательства. Результаты спектроскопического анализа были подтверждены морфологическим исследованием образцов ткани, взятых из тех же точек, в которых проводился спектральный анализ (фиг.9а, б). Основной этап операции был закончен после получения спектральных характеристик ложа опухоли, соответствующих нормальной ткани.
Заявляемый способ основан на фактическом материале, полученном нами при анализе 99 пациентов с глиомами головного мозга Grade I-IV (WHO), 16 пациентов с метастазами различных опухолей в головной мозг, а также 21 пациента с менингиомами головного мозга различной степени злокачественности.
Таким образом, предлагаемый метод решает задачи повышения достоверности интраоперационных измерений при проведении нейронавигации, уменьшения времени их осуществления, увеличения глубины зондирования и упрощения процесса регистрации спектров in vivo.
Claims (4)
1. Способ проведения комбинированной интраоперационной спектроскопической диагностики опухолей головного и спинного мозга, включающий предоперационное введение пациенту перорально раствора гидрохлорида 5-аминолевулиновой кислоты (5-АЛК) и собственно интраоперационный спектроскопический анализ содержания в исследуемых тканях опухолевого маркера (5-АЛК индуцированного протопорфирина IX), продуктов его фотораспада, оксигенированного и редуцированного гемоглобина, а также изменения рассеивающих свойств тканей с использованием источников широкополосного и лазерного излучения и волоконно-оптического зонда, с последующей автоматической классификацией спектроскопических характеристик, служащей для оценки радикальности проведения резекции, отличающийся тем, что используют источник широкополосного излучения в диапазоне длин волн от 500 нм до 600 нм и источник возбуждающего флуоресценцию лазерного излучения с длиной волны в области 620-640 нм, причем регистрацию спектров диффузного отражения широкополосного и лазерного излучения, а также флуоресценции производят одновременно.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для автоматической обработки спектроскопических характеристик используют алгоритм автоматической классификации методом К ближайших соседей с определением веса принадлежности данной точки к каждому из определенных ранее классов ткани.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что по результатам автоматической классификации формируют звуковой сигнал, модулированный по громкости и частоте в зависимости от степени малигнизации исследуемой ткани.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что по результатам автоматической классификации формируют карты распределения спектральных и/или соответствующих им физиологических характеристик.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012137062/14A RU2497558C1 (ru) | 2012-08-30 | 2012-08-30 | Способ проведения интраоперационной комбинированной спектроскопической диагностики опухолей головного и спинного мозга |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012137062/14A RU2497558C1 (ru) | 2012-08-30 | 2012-08-30 | Способ проведения интраоперационной комбинированной спектроскопической диагностики опухолей головного и спинного мозга |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2497558C1 true RU2497558C1 (ru) | 2013-11-10 |
Family
ID=49682969
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012137062/14A RU2497558C1 (ru) | 2012-08-30 | 2012-08-30 | Способ проведения интраоперационной комбинированной спектроскопической диагностики опухолей головного и спинного мозга |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2497558C1 (ru) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2561030C1 (ru) * | 2014-01-30 | 2015-08-20 | Федеральное государственное бюджетное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова Министерства обороны Российской Федерации (ВМедА) | Способ интраоперационного выявления наличия и локализации глиальных новообразований головного мозга |
| RU2637823C2 (ru) * | 2015-12-21 | 2017-12-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Волоконно-оптический нейроинтерфейс и способ для долговременной оптической регистрации процессов в мозге живых свободно движущихся животных |
| RU2641519C1 (ru) * | 2017-03-29 | 2018-01-17 | Общество с ограниченной ответственностью "Медицинские видеосистемы" (ООО "МедВис") | Способ количественной оценки концентрации фотосенсибилизатора по видеоизображению в режиме реального времени при проведении флуоресцентного исследования |
| RU2653815C1 (ru) * | 2017-03-03 | 2018-05-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Способ вживления оптоволоконного зонда в мозг животного с контролируемой обратной связью |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2376044C1 (ru) * | 2008-08-26 | 2009-12-20 | Федеральное государственное учреждение "Московский научно-исследовательский онкологический институт им. П.А. Герцена Федерального агентства по высокотехнологичной медицинской помощи" (ФГУ "МНИОИ им. П.А. Герцена Росмедтехнологий") | Способ определения оптимальных режимов флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии |
-
2012
- 2012-08-30 RU RU2012137062/14A patent/RU2497558C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2376044C1 (ru) * | 2008-08-26 | 2009-12-20 | Федеральное государственное учреждение "Московский научно-исследовательский онкологический институт им. П.А. Герцена Федерального агентства по высокотехнологичной медицинской помощи" (ФГУ "МНИОИ им. П.А. Герцена Росмедтехнологий") | Способ определения оптимальных режимов флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| PABLO A. VALD'ES et al. Combined fluorescence and reflectance spectroscopy for in vivo quantification of cancer biomarkers in low- and high-grade glioma surgery. Journal of Biomedical Optics 16(11), 116007-14 (November 2011), найдено в Интернете: http://repositorio.unican.es/xmlui/bitstream/handle/10902/1734/Combined%20fluorescence.pdf?sequence=l. * |
| ЛОТОВ A.H. Применение лазерной и спектральной аппаратуры для фотодинамической терапии и флюоресцентной диагностики с препаратами Фотосенс и Аласенс. - Лазерная медицина, 2002, т.6, №1, с.48-52. RICHTER J.C., HAJ-HOSSEINI N., ANDERSSON-ENGEL S., WARDELL K., Fluorescence spectroscopy measurements in ultrasonic navigated resection of malignant brain tumors. Lasers Surg. Med. 43(1), 8-14, 2011, реферат. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2561030C1 (ru) * | 2014-01-30 | 2015-08-20 | Федеральное государственное бюджетное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова Министерства обороны Российской Федерации (ВМедА) | Способ интраоперационного выявления наличия и локализации глиальных новообразований головного мозга |
| RU2637823C2 (ru) * | 2015-12-21 | 2017-12-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Волоконно-оптический нейроинтерфейс и способ для долговременной оптической регистрации процессов в мозге живых свободно движущихся животных |
| RU2653815C1 (ru) * | 2017-03-03 | 2018-05-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Способ вживления оптоволоконного зонда в мозг животного с контролируемой обратной связью |
| RU2641519C1 (ru) * | 2017-03-29 | 2018-01-17 | Общество с ограниченной ответственностью "Медицинские видеосистемы" (ООО "МедВис") | Способ количественной оценки концентрации фотосенсибилизатора по видеоизображению в режиме реального времени при проведении флуоресцентного исследования |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11656448B2 (en) | Method and apparatus for quantitative hyperspectral fluorescence and reflectance imaging for surgical guidance | |
| US8948851B2 (en) | Method and apparatus for depth-resolved fluorescence, chromophore, and oximetry imaging for lesion identification during surgery | |
| JP5587798B2 (ja) | 画像ベースx線誘導システム及び光針による生検誘導 | |
| JP5701615B2 (ja) | 電磁トラッキング及び光針による生検誘導 | |
| CA2658811C (en) | Multi modal spectroscopy | |
| US20090326385A1 (en) | Obtaining optical tissue properties | |
| Wang et al. | Applications of fluorescence lifetime imaging in clinical medicine | |
| Belykh et al. | Scanning fiber endoscope improves detection of 5-aminolevulinic acid–induced protoporphyrin IX fluorescence at the boundary of infiltrative glioma | |
| US12061328B2 (en) | Method and apparatus for quantitative hyperspectral fluorescence and reflectance imaging for surgical guidance | |
| AU9693298A (en) | Method for measuring tissue morphology | |
| Johansson et al. | Clinical optical diagnostics–status and perspectives | |
| Sakatani et al. | Noninvasive optical imaging of the subarachnoid space and cerebrospinal fluid pathways based on near-infrared fluorescence | |
| CA3098446C (en) | APPROVAL AND METHOD FOR DETERMINING THE DEPTH OF A FLUORESCENT OBJECT IN A SUBSURFACE IN A MEDIUM WITH OPTICAL ABSORPTION AND SCATTERING, AND FOR DETERMINING THE FLUOROPHORE CONCENTRATION OF THE OBJECT | |
| RU2497558C1 (ru) | Способ проведения интраоперационной комбинированной спектроскопической диагностики опухолей головного и спинного мозга | |
| Potapov et al. | Intraoperative combined spectroscopy (optical biopsy) of cerebral gliomas | |
| Pratavieira et al. | Optical imaging as auxiliary tool in skin cancer diagnosis | |
| Savelieva et al. | A spectroscopic method for simultaneous determination of protoporphyrin IX and hemoglobin in the nerve tissues at intraoperative diagnosis | |
| US10709334B2 (en) | Intraoperative guidance system for tumor surgery | |
| WO2012127378A1 (en) | An apparatus for optical analysis of an associated tissue sample | |
| Borisova et al. | Multispectral autofluorescence diagnosis of non-melanoma cutaneous tumors | |
| RU2561030C1 (ru) | Способ интраоперационного выявления наличия и локализации глиальных новообразований головного мозга | |
| Leblond et al. | Brain tumor resection guided by fluorescence imaging | |
| Jain et al. | Polarimetric imaging of the human brain to determine the orientation and degree of alignment of nerve fiber bundles | |
| Troyanova et al. | Fluorescence and reflectance properties of hemoglobin-pigmented skin disorders | |
| Becker et al. | First results of computer-enhanced optical diagnosis of bladder cancer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TC4A | Change in inventorship |
Effective date: 20140624 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200831 |