RU2758868C1 - System for intraoperative detection and recognition of neurovascular structures in the volume of biological tissue - Google Patents
System for intraoperative detection and recognition of neurovascular structures in the volume of biological tissue Download PDFInfo
- Publication number
- RU2758868C1 RU2758868C1 RU2021113660A RU2021113660A RU2758868C1 RU 2758868 C1 RU2758868 C1 RU 2758868C1 RU 2021113660 A RU2021113660 A RU 2021113660A RU 2021113660 A RU2021113660 A RU 2021113660A RU 2758868 C1 RU2758868 C1 RU 2758868C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- biological tissue
- thb
- optical
- volume
- tissue
- Prior art date
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 60
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 claims abstract description 39
- 210000001367 artery Anatomy 0.000 claims abstract description 37
- 210000005036 nerve Anatomy 0.000 claims abstract description 34
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 29
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims abstract description 25
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims abstract description 21
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 claims abstract description 20
- 239000008280 blood Substances 0.000 claims abstract description 20
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 18
- 210000003462 vein Anatomy 0.000 claims abstract description 18
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 9
- 206010021143 Hypoxia Diseases 0.000 claims abstract description 6
- 230000007954 hypoxia Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 32
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 21
- 102000001554 Hemoglobins Human genes 0.000 claims description 14
- 108010054147 Hemoglobins Proteins 0.000 claims description 14
- 230000000241 respiratory effect Effects 0.000 claims description 13
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 12
- 208000005392 Spasm Diseases 0.000 claims description 11
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 7
- 238000005311 autocorrelation function Methods 0.000 claims description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 6
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 6
- 210000005013 brain tissue Anatomy 0.000 claims description 5
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 4
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims description 3
- 210000003141 lower extremity Anatomy 0.000 claims description 3
- 238000003032 molecular docking Methods 0.000 claims description 2
- 238000010790 dilution Methods 0.000 claims 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 claims 1
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 8
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 197
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 15
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 13
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 12
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 9
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 description 9
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 8
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 8
- 238000013461 design Methods 0.000 description 8
- 238000002567 electromyography Methods 0.000 description 8
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 8
- 238000002798 spectrophotometry method Methods 0.000 description 8
- 238000004497 NIR spectroscopy Methods 0.000 description 7
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 7
- 238000012552 review Methods 0.000 description 7
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 6
- 208000028867 ischemia Diseases 0.000 description 6
- 150000002632 lipids Chemical class 0.000 description 6
- 230000017531 blood circulation Effects 0.000 description 5
- 210000004204 blood vessel Anatomy 0.000 description 5
- 210000000245 forearm Anatomy 0.000 description 5
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 5
- 238000011477 surgical intervention Methods 0.000 description 5
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 5
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 4
- 210000003792 cranial nerve Anatomy 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 230000000004 hemodynamic effect Effects 0.000 description 4
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 4
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 4
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 4
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 3
- 238000002591 computed tomography Methods 0.000 description 3
- 238000001506 fluorescence spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 3
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 3
- 230000001537 neural effect Effects 0.000 description 3
- 238000002496 oximetry Methods 0.000 description 3
- 230000035479 physiological effects, processes and functions Effects 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 3
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 3
- 238000012285 ultrasound imaging Methods 0.000 description 3
- 208000003174 Brain Neoplasms Diseases 0.000 description 2
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 206010044565 Tremor Diseases 0.000 description 2
- 230000036772 blood pressure Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000002490 cerebral effect Effects 0.000 description 2
- 238000000701 chemical imaging Methods 0.000 description 2
- 230000004087 circulation Effects 0.000 description 2
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 2
- 210000002808 connective tissue Anatomy 0.000 description 2
- 238000002405 diagnostic procedure Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 2
- 210000004088 microvessel Anatomy 0.000 description 2
- 238000001320 near-infrared absorption spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 230000007383 nerve stimulation Effects 0.000 description 2
- 230000010412 perfusion Effects 0.000 description 2
- 210000000578 peripheral nerve Anatomy 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 230000035790 physiological processes and functions Effects 0.000 description 2
- 238000002271 resection Methods 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 210000004872 soft tissue Anatomy 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 206010003175 Arterial spasm Diseases 0.000 description 1
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 102000008186 Collagen Human genes 0.000 description 1
- 108010035532 Collagen Proteins 0.000 description 1
- 102000000634 Cytochrome c oxidase subunit IV Human genes 0.000 description 1
- 108050008072 Cytochrome c oxidase subunit IV Proteins 0.000 description 1
- 208000001034 Frostbite Diseases 0.000 description 1
- 102000036675 Myoglobin Human genes 0.000 description 1
- 108010062374 Myoglobin Proteins 0.000 description 1
- 208000007913 Pituitary Neoplasms Diseases 0.000 description 1
- 201000005746 Pituitary adenoma Diseases 0.000 description 1
- 206010061538 Pituitary tumour benign Diseases 0.000 description 1
- 208000014070 Vestibular schwannoma Diseases 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 208000004064 acoustic neuroma Diseases 0.000 description 1
- 210000000577 adipose tissue Anatomy 0.000 description 1
- 210000003484 anatomy Anatomy 0.000 description 1
- 238000002583 angiography Methods 0.000 description 1
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 1
- 230000036770 blood supply Effects 0.000 description 1
- 229920001436 collagen Polymers 0.000 description 1
- 238000002316 cosmetic surgery Methods 0.000 description 1
- 230000034994 death Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000012774 diagnostic algorithm Methods 0.000 description 1
- 238000009552 doppler ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 210000003414 extremity Anatomy 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 230000001815 facial effect Effects 0.000 description 1
- 210000000256 facial nerve Anatomy 0.000 description 1
- 238000002292 fluorescence lifetime imaging microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000000799 fluorescence microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000005714 functional activity Effects 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 210000003128 head Anatomy 0.000 description 1
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 1
- 238000002675 image-guided surgery Methods 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 230000008338 local blood flow Effects 0.000 description 1
- 230000001926 lymphatic effect Effects 0.000 description 1
- 238000002595 magnetic resonance imaging Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000002503 metabolic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 1
- 238000003333 near-infrared imaging Methods 0.000 description 1
- 210000004126 nerve fiber Anatomy 0.000 description 1
- 210000000944 nerve tissue Anatomy 0.000 description 1
- 238000002610 neuroimaging Methods 0.000 description 1
- 230000000926 neurological effect Effects 0.000 description 1
- 210000002569 neuron Anatomy 0.000 description 1
- 238000011022 operating instruction Methods 0.000 description 1
- 230000036407 pain Effects 0.000 description 1
- 230000001575 pathological effect Effects 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 208000021310 pituitary gland adenoma Diseases 0.000 description 1
- 238000002600 positron emission tomography Methods 0.000 description 1
- 238000010882 preoperative diagnosis Methods 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 1
- 238000002601 radiography Methods 0.000 description 1
- 238000002278 reconstructive surgery Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000001055 reflectance spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000002694 regional anesthesia Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000002603 single-photon emission computed tomography Methods 0.000 description 1
- 210000003625 skull Anatomy 0.000 description 1
- 210000001154 skull base Anatomy 0.000 description 1
- 210000000273 spinal nerve root Anatomy 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000002560 therapeutic procedure Methods 0.000 description 1
- 230000000699 topical effect Effects 0.000 description 1
- 238000010200 validation analysis Methods 0.000 description 1
- 230000002792 vascular Effects 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
- 210000000752 vestibulocochlear nerve Anatomy 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Surgery (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates
Изобретение относится к области медицины и медико-технических технологий, а именно к интраоперационной диагностике и функциональной диагностике, и предназначено для обнаружения и распознавания локальных неоднородностей, отличающихся по оптическим свойствам от окружающих биологических тканей в области исследования. Возможно применение изобретения для различных видов оперативного вмешательства или инвазивных манипуляций, а также для зондирования через интактные кожные покровы. В частности, изобретение может быть использовано в нейрохирургии для обнаружения и распознавания нейроваскулярных структур, артериальных и венозных сосудов и нервов, в объеме биологической ткани во время проведения операций по удалению опухоли головного мозга, в том числе эндоскопическим трансназальным методом.The invention relates to the field of medicine and medical and technical technologies, namely to intraoperative diagnostics and functional diagnostics, and is intended to detect and recognize local heterogeneities that differ in optical properties from the surrounding biological tissues in the field of research. It is possible to use the invention for various types of surgical intervention or invasive manipulations, as well as for probing through intact skin. In particular, the invention can be used in neurosurgery for the detection and recognition of neurovascular structures, arterial and venous vessels and nerves, in the volume of biological tissue during operations to remove a brain tumor, including the endoscopic transnasal method.
Уровень техникиState of the art
Задача по обнаружению и распознаванию нейроваскулярных структур особенно актуальна в нейрохирургии при выполнении операций по удалению новообразований. Проблематика текущих способов резекции опухолей основания черепа эндоскопическим трансназальным методом заключается в сложности проведения самой операции. Патологическая ткань удаляется эндоскопическим инструментарием через пазухи носа кусочно, по несколько миллиметров. В процессе операции высок риск повреждения нейроваскулярных структур, находящихся в объеме опухолевой ткани. Повреждение черепно-мозгового нерва приводит к утрате функциональных возможностей мышц, связанных с травмированным нервом, утрате важных физиологических функций, существенному ухудшению качества жизни; повреждение артериального сосуда - к мгновенному летальному исходу.The task of detecting and recognizing neurovascular structures is especially relevant in neurosurgery when performing operations to remove neoplasms. The problematic of the current methods of resection of tumors of the base of the skull with the endoscopic transnasal method is the complexity of the operation itself. Pathological tissue is removed with endoscopic instrumentation through the sinuses of the nose piecewise, several millimeters each. During the operation, there is a high risk of damage to neurovascular structures located in the volume of tumor tissue. Damage to the cranial nerve leads to a loss of muscle functionality associated with the injured nerve, loss of important physiological functions, a significant deterioration in the quality of life; damage to an arterial vessel - to instant death.
Для минимизации повреждения нейроваскулярных структур, а также для повышения степени радикальности резекции опухолевой ткани применимы современные методы и технические средства диагностики и визуализации, такие как магнитно-резонансная томография (МРТ), рентгеновская компьютерная томография (КТ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), магнитно-резонансная спектроскопия, однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОЭКТ), рентгенография и ангиография. Перечисленные диагностические методы и соответствующие технические средства позволяют проводить предоперационную диагностику, предоставляя информацию об индивидуальных анатомических (васкуляризация), физиологических (скорость кровотока, перфузия) и метаболических особенностях тканей и органов пациента. Для предоперационного определения расположения нервов в опухоли также применяют систему диффузионной тензорной трактографии [Yoshino M., Kin T., Ito A., Saito T., Nakagawa D., Ino K., Saito N. Feasibility of diffusion tensor tractography for preoperative prediction of the location of the facial and vestibulocochlear nerves in relation to vestibular schwannoma // Acta Neurochirurgica. - 2015. - 157(6), Р. 939-946]. Существенным недостатком указанных предоперационных диагностических систем является невозможность их применения для локальной нейронавигации в ходе операционных вмешательств. Для дифференцирования тканей и клеток, оценки их функциональной активности и локальной гемодинамики применимы оптические системы, реализующие возможность проведения исследований с помощью Рамановской спектроскопии in vivo [Cordero E., Latka I., Matthus Ch., Schie I.W., Popp J. In-vivo Raman Spectroscopy: from basics to applications // J. Biomed. Opt. - 2018. - 23(7), 071210-1-23, doi: 10.1117/1.JBO.23.7.071210], широкополосной [Wisotzky E. L., Uecker, Arens Ph., Dommerich S., Hilsmann A., Eisert P. Intraoperative hyperspectral determination of human tissue properties // J. Biomed. Opt. - 2018. - 23(9), 091409-(1-8), doi: 10.1117/1.JBO.23.9.091409] и узкополосной [Gono K., Obi T., Yamaguchi M., et al. Appearance of enhanced tissue features in narrow-band endoscopic imaging // J. Biomed. Opt. - 2004. - 9(3), 568-577] спектроскопии, мультиспектральной визуализации [Bolton F.J., Bernat A.S., Bar-Am K., Levitz D., and Jacques S. Portable, low-cost multispectral imaging system: design, development, validation, and utilization // J. Biomed. Opt. - 2018. - 23(12), 121612, doi: 10.1117/1.JBO.23.12.121612], флуоресцентной спектроскопии и визуализации [Bachmann L., Zezell D.M., Adriana da Costa Ribeiro, and Gomes L., Siuiti A. Fluorescence Spectroscopy of Biological Tissues-A Review // Applied Spectroscopy Reviews. - 2006. - 41: 575-590, doi: 10.1080/05704920600929498; Sun Y., Hatami N., Yee M., et al. Fluorescence lifetime imaging microscopy for brain tumor image-guided surgery // Journal of Biomedical Optics. - 2010. - 15(5), 056022; Pogue B.W., Gibbs-Strauss S.L., Valdes P.A., Samkoe K.S., Roberts D.W., and Paulsen K.D. Review of Neurosurgical Fluorescence Imaging Methodologies // IEEE J. of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2010. - Vol. 16, No. 3, doi: 10.1109/JSTQE.2009.2034541], оптоакустической (фотоакустической) визуализации [Ovsepian S.V., Olefir I., Westmeyer G., Razansky D., and Ntziachristos V. Pushing the boundaries of neuroimaging with optoacoustics // Neuron. - 2017. - 96, р. 966-988] и мультимодальных сочетанных решений. Однако использование указанных оптических систем имеет ряд ограничений, таких как малая глубина зондирования (до 1,5 мм), отсутствие стандартных методик применения в клинической практике, либо технических решений, применимых in situ для нейрохирургии с эндоскопическим трансназальным доступом. To minimize damage to neurovascular structures, as well as to increase the degree of radicality of tumor tissue resection, modern methods and technical means of diagnostics and imaging are applicable, such as magnetic resonance imaging (MRI), X-ray computed tomography (CT), positron emission tomography (PET), magnetic resonance spectroscopy, single-photon emission computed tomography (SPECT), radiography and angiography. The listed diagnostic methods and the corresponding technical means allow preoperative diagnostics, providing information on the individual anatomical (vascularization), physiological (blood flow velocity, perfusion) and metabolic characteristics of the patient's tissues and organs. For the preoperative determination of the location of nerves in the tumor, a system of diffusion tensor tractography is also used [Yoshino M., Kin T., Ito A., Saito T., Nakagawa D., Ino K., Saito N. Feasibility of diffusion tensor tractography for preoperative prediction of the location of the facial and vestibulocochlear nerves in relation to vestibular schwannoma // Acta Neurochirurgica. - 2015. - 157 (6), P. 939-946]. A significant drawback of these preoperative diagnostic systems is the impossibility of their use for local neuronavigation during surgical interventions. For differentiation of tissues and cells, assessment of their functional activity and local hemodynamics, optical systems are applicable that implement the possibility of research using Raman spectroscopy in vivo [Cordero E., Latka I., Matthus Ch., Schie IW, Popp J. In-vivo Raman Spectroscopy: from basics to applications // J. Biomed. Opt. - 2018. - 23 (7), 071210-1-23, doi: 10.1117 / 1.JBO.23.7.071210], broadband [Wisotzky EL, Uecker, Arens Ph., Dommerich S., Hilsmann A., Eisert P. Intraoperative hyperspectral determination of human tissue properties // J. Biomed. Opt. - 2018. - 23 (9), 091409- (1-8), doi: 10.1117 / 1.JBO.23.9.091409] and narrowband [Gono K., Obi T., Yamaguchi M., et al. Appearance of enhanced tissue features in narrow-band endoscopic imaging // J. Biomed. Opt. - 2004. - 9 (3), 568-577] spectroscopy, multispectral imaging [Bolton FJ, Bernat AS, Bar-Am K., Levitz D., and Jacques S. Portable, low-cost multispectral imaging system: design, development , validation, and utilization // J. Biomed. Opt. - 2018. - 23 (12), 121612, doi: 10.1117 / 1.JBO.23.12.121612], fluorescence spectroscopy and visualization [Bachmann L., Zezell DM, Adriana da Costa Ribeiro, and Gomes L., Siuiti A. Fluorescence Spectroscopy of Biological Tissues-A Review // Applied Spectroscopy Reviews. 2006. 41: 575-590, doi: 10.1080 / 05704920600929498; Sun Y., Hatami N., Yee M., et al. Fluorescence lifetime imaging microscopy for brain tumor image-guided surgery // Journal of Biomedical Optics. - 2010 .-- 15 (5), 056022; Pogue B.W., Gibbs-Strauss S.L., Valdes P.A., Samkoe K.S., Roberts D.W., and Paulsen K.D. Review of Neurosurgical Fluorescence Imaging Methodologies // IEEE J. of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2010. - Vol. 16, No. 3, doi: 10.1109 / JSTQE.2009.2034541], optoacoustic (photoacoustic) imaging [Ovsepian S.V., Olefir I., Westmeyer G., Razansky D., and Ntziachristos V. Pushing the boundaries of neuroimaging with optoacoustics // Neuron. - 2017 .-- 96, p. 966-988] and multimodal combined solutions. However, the use of these optical systems has a number of limitations, such as a shallow probing depth (up to 1.5 mm), the absence of standard methods of application in clinical practice, or technical solutions applicable in situ for neurosurgery with endoscopic transnasal access.
Известно применение ультразвуковых допплерографических (УЗДГ) систем для интраоперационной идентификации кровеносных сосудов [Шарипов О. И. и др. Опыт применения интраоперационной ультразвуковой допплерографии в эндоскопической транссфеноидальной хирургии //Журнал "Вопросы нейрохирургии" имени НН Бурденко. - 2016. - Т. 80. - №. 2. - С. 15-20]. Наличие сосуда в объеме биоткани определяют по скорости и направлению кровотока в сосуде. Для сканирования операционного поля применяют комбинированное устройство с подвижной рабочей частью, что позволяет лоцировать сосуды в различных направлениях. Наличие артериального сосуда, глубину его залегания относительно поверхности опухоли оценивают по монитору в окне М-режима (M-Mode). Ограничения систем УЗДГ связаны с низкой мобильностью ультразвуковых датчиков в малом операционном поле и со сложностью обнаружения нервных структур в объеме ткани. Система ультразвуковой визуализации нервов и сосудов, представленная в [Smistad E., Johansen K.F., Iversen D.H., Reinertsen I. Highlighting nerves and blood vessels for ultrasound-guided axillary nerve block procedures using neural networks // J. Med. Imag. - 2018. - Vol. 5. No. 4. P. 044004], не предназначена для малого операционного поля с ограниченным доступом, например, эндоназальной нейрохирургии. Идентификацию нейроваскулярных структур с помощью системы ультразвуковой визуализации проводят путем анализа получаемых трудно однозначно интерпретируемых изображений.Known use of ultrasound Doppler (USDG) systems for intraoperative identification of blood vessels [Sharipov OI and others. Experience in the use of intraoperative ultrasound Doppler in endoscopic transsphenoidal surgery // Journal of Neurosurgery Issues named after NN Burdenko. - 2016. - T. 80. - No. 2. - S. 15-20]. The presence of a vessel in the volume of biological tissue is determined by the speed and direction of blood flow in the vessel. To scan the operating field, a combined device with a movable working part is used, which makes it possible to locate the vessels in different directions. The presence of an arterial vessel, its depth relative to the tumor surface is assessed using the monitor in the M-Mode window. The limitations of ultrasonic scanning systems are associated with the low mobility of ultrasonic sensors in a small operating field and with the difficulty of detecting neural structures in the tissue volume. The system of ultrasound imaging of nerves and vessels, presented in [Smistad E., Johansen K.F., Iversen D.H., Reinertsen I. Highlighting nerves and blood vessels for ultrasound-guided axillary nerve block procedures using neural networks // J. Med. Imag. - 2018. - Vol. 5.No. 4. P. 044004], is not intended for a small operating field with limited access, for example, endonasal neurosurgery. The identification of neurovascular structures using an ultrasound imaging system is carried out by analyzing the obtained images that are difficult to uniquely interpret.
Для идентификации черепных нервов известно применение систем триггерной электромиографии (т-ЭМГ, t-EMG) и спонтанной электромиографии (free run ЭМГ, f-EMG) [Thirumala P. D., Mohanraj S. K., Habeych M., et al. Value of Free-Run Electromyographic Monitoring of Extraocular Cranial Nerves during Expanded Endonasal Surgery (EES) of the Skull Base // Journal of Neurological Surgery Reports. - 2013. - 74: R1, doi:10.1055/s-0033-1346975]. Нейрофизиологическая идентификация черепных нервов в несколько раз снижает частоту их поражения, и как следствие, повышает качество жизни пациентов. Однако система т-ЭМГ позволяет идентифицировать только двигательные и смешанные нервы. К основным недостаткам систем т-ЭМГ также относятся широкая зона распространения тока по электропроводящим тканям, что может привести к возбуждению отдаленных нервных структур и к ложному ответу на стимуляцию, и необходимость регистрации отклика на стимуляцию дополнительными измерительными средствами вне области локализации нерва. Современной альтернативой электрической стимуляции нервов является оптическая инфракрасная (ИК) стимуляция [Cayce J. M., Wells J. D., Malphrus J. D., et al. Infrared neural stimulation of human spinal nerve roots in vivo // Neurophotonics. - 2015. - 2(1). - Р. 015007; Wells J., Konrad P., Kao C. et al. Pulsed laser versus electrical energy for peripheral nerve stimulation // Journal of Neuroscience Methods. - 2007. - 163(2). - P. 326-337], не требующая непосредственного контакта со стимулируемым нервом и оказывающая локальное воздействие. Однако подобные системы ИК-стимуляции на сегодняшний день находятся в стадии разработки, и их существенными ограничениями являются возможность обнаружения нерва только при его поверхностном залегании и необходимость использования дополнительных средств для регистрации отклика. Оптические системы для отражательной диффузионной и флуоресцентной спектроскопии [Balthasar A., Desjardins A.E., M. van der Voort, et al. Optical Detection of Peripheral Nerves: An in Vivo Human Study // Regional anesthesia and pain medicine. - 2012. - Vol. 37, No. 3, p. 277-82; Langhout G.C., Kuhlmann K.F.D., Schreuder P. In Vivo Nerve Identification in Head and Neck Surgery Using Diffuse Reflectance Spectroscopy // Laryngoscope Investigative Otolaryngology. - 2018. - 3. - P. 349-355] позволяют интраоперационно дифференцировать ткани по составу, например, по концентрациям гемоглобина и липидов. Однако данные системы используют для идентификации поверхностно расположенных тканей и структур, в том числе нервов, т.к. анализ глубинных слоев ткани нереализуем. Современные системы пространственно модулированной диффузионной визуализации (так называемые SFDI [Gioux S., Mazhar A., Cuccia D.J. Spatial frequency domain imaging in 2019: principles, applications, and perspectives // J. Biomed. Opt. - 2019. - 24(7), 071613, doi: 10.1117/1.JBO.24.7.071613]) обеспечивают бесконтактную количественную оценку оптических параметров биологических тканей, коэффициента поглощения и транспортного коэффициента рассеяния, но для малого поверхностного слоя не более 2-2,5 мм, что недостаточно для условий проведения нейрохирургических операций по удалению опухоли.For the identification of cranial nerves, the use of trigger electromyography (t-EMG, t-EMG) and spontaneous electromyography (free run EMG, f-EMG) systems is known [Thirumala P. D., Mohanraj S. K., Habeych M., et al. Value of Free-Run Electromyographic Monitoring of Extraocular Cranial Nerves during Expanded Endonasal Surgery (EES) of the Skull Base // Journal of Neurological Surgery Reports. 2013. 74: R1, doi: 10.1055 / s-0033-1346975]. Neurophysiological identification of the cranial nerves several times reduces the frequency of their damage, and as a result, improves the quality of life of patients. However, the t-EMG system only identifies motor and mixed nerves. The main disadvantages of t-EMG systems also include a wide area of current propagation through electrically conductive tissues, which can lead to excitation of distant nerve structures and a false response to stimulation, and the need to register the response to stimulation with additional measuring tools outside the area of nerve localization. A modern alternative to electrical nerve stimulation is optical infrared (IR) stimulation [Cayce J. M., Wells J. D., Malphrus J. D., et al. Infrared neural stimulation of human spinal nerve roots in vivo // Neurophotonics. - 2015 .-- 2 (1). - P. 015007; Wells J., Konrad P., Kao C. et al. Pulsed laser versus electrical energy for peripheral nerve stimulation // Journal of Neuroscience Methods. 2007. 163 (2). - P. 326-337], which does not require direct contact with the stimulated nerve and has a local effect. However, such systems of IR stimulation are currently under development, and their significant limitations are the ability to detect a nerve only when it is surfaced and the need to use additional means to record the response. Optical systems for reflective diffusion and fluorescence spectroscopy [Balthasar A., Desjardins A.E., M. van der Voort, et al. Optical Detection of Peripheral Nerves: An in Vivo Human Study // Regional anesthesia and pain medicine. - 2012. - Vol. 37, No. 3, p. 277-82; Langhout G.C., Kuhlmann K.F.D., Schreuder P. In Vivo Nerve Identification in Head and Neck Surgery Using Diffuse Reflectance Spectroscopy // Laryngoscope Investigative Otolaryngology. - 2018. - 3. - P. 349-355] allow intraoperative differentiation of tissues by composition, for example, by the concentrations of hemoglobin and lipids. However, these systems are used to identify superficially located tissues and structures, including nerves. analysis of deep tissue layers is unrealizable. Modern systems of spatially modulated diffusion imaging (the so-called SFDI [Gioux S., Mazhar A., Cuccia DJ Spatial frequency domain imaging in 2019: principles, applications, and perspectives // J. Biomed. Opt. - 2019. - 24 (7) , 071613, doi: 10.1117 / 1.JBO.24.7.071613]) provide a non-contact quantitative assessment of the optical parameters of biological tissues, absorption coefficient and transport scattering coefficient, but for a small surface layer no more than 2-2.5 mm, which is insufficient for conditions carrying out neurosurgical operations to remove a tumor.
Наиболее близкой к заявляемой является система интраоперационного обнаружения и распознавания нейроваскулярных структур в объеме биологической ткани [Сафонова Л.П., Орлова В.Г., Шкарубо А.Н. Исследование нейроваскулярных структур с помощью фазово-модуляционной спектрофотометрии [Электронный ресурс]/ //Оптика и спектроскопия. - 2019. -том 126. №6. - С. 822-833. (DOI: 10.21883/OS.2019.06.47778.58-19). Версия на английском языке: Safonova L.P., Orlova V.G., Shkarubo A.N. The neurovascular structures research by phase modulation spectrophotometry // Optics and Spectroscopy, 2019, Vol. 126, No. 6, pp. 745-757 (https://rdcu.be/bM7sz)], состоящая из спектрометра с временным разрешением, персонального компьютера со специализированным программным обеспечением и линейного оптоволоконного датчика для отражательной диффузионной спектроскопии с расстояниями между источниками и приемниками 6 мм и 9 мм, с помощью которой осуществляют подповерхностное зондирование исследуемого объема биологической ткани на глубину 2-5 мм, первой длиной волны (λ1 < 806 нм, λ1 = 692 нм) и второй длиной волны (λ2 > 806 нм, λ2 = 834 нм) из красного и/или ближнего инфракрасного (КБИК) диапазона на основе фазово-модуляционного или иначе частотного подхода (FD - frequency domain) спектроскопического метода с временным разрешением. С помощью системы-прототипа определяют значения оптических параметров: коэффициентов поглощения для первой длины волны μa(λ1) и для второй длины волны μa(λ2), с поправкой на содержание воды в единице объема биологической ткани, и коэффициентов транспортного рассеяния μs'(λ1) для первой длины волны и μs'(λ2) для второй длины волны. По указанным оптическим параметрам оценивают производные параметры в виде отношений, и и/или физиологические параметры, такие как тканевая сатурация (StO2), концентрация общего гемоглобина ([tHb]) в единице исследуемого объема биологической ткани и индекс пульсовых гемодинамических колебаний этого объема. Применяют критерии сравнения получаемых производных и физиологических параметров с пороговыми значениями для обнаружения и распознавания нейроваскулярных структур, нервов, артериальных и венозных сосудов, с учетом предоперационной и диагностической информации об особенностях микроциркуляторного кровенаполнения исследуемого объема и его морфологической структуры на клеточном уровне.Closest to the claimed system is the system of intraoperative detection and recognition of neurovascular structures in the volume of biological tissue [Safonov LP, Orlova VG, Shkarubo AN. Study of neurovascular structures using phase-modulation spectrophotometry [Electronic resource] / // Optics and Spectroscopy. - 2019. -vol. 126. No. 6. - S. 822-833. (DOI: 10.21883 / OS.2019.06.47778.58-19). English version: Safonova LP, Orlova VG, Shkarubo AN The neurovascular structures research by phase modulation spectrophotometry // Optics and Spectroscopy, 2019, Vol. 126, No. 6, pp. 745-757 (https://rdcu.be/bM7sz)], consisting of a time-resolved spectrometer, a personal computer with specialized software, and a linear optical fiber sensor for reflective diffusion spectroscopy with 6 mm and 9 mm source-receiver spacing, with with the help of which subsurface probing of the investigated volume of biological tissue is carried out to a depth of 2-5 mm, the first wavelength (λ 1 <806 nm, λ 1 = 692 nm) and the second wavelength (λ 2 > 806 nm, λ 2 = 834 nm) from red and / or near infrared (KBIR) range based on the phase-modulation or otherwise frequency approach (FD - frequency domain) spectroscopic method with time resolution. Using the prototype system, the values of the optical parameters are determined: the absorption coefficients for the first wavelength μ a (λ 1 ) and for the second wavelength μ a (λ 2 ), corrected for the water content per unit volume of biological tissue, and transport scattering coefficients μ s '(λ 1 ) for the first wavelength and μ s ' (λ 2 ) for the second wavelength. These optical parameters are used to evaluate the derived parameters in the form of ratios, and / or physiological parameters, such as tissue saturation (S t O 2 ), the concentration of total hemoglobin ([tHb]) per unit of the investigated volume of biological tissue and the index of pulse hemodynamic fluctuations of this volume ... Criteria are used for comparing the derived derivatives and physiological parameters with threshold values for the detection and recognition of neurovascular structures, nerves, arterial and venous vessels, taking into account the preoperative and diagnostic information about the features of the microcirculatory blood filling of the investigated volume and its morphological structure at the cellular level.
Однако данная система-прототип характеризуется ограниченностью поля зрения в связи с использованием узконаправленного зондирования, реализуемого оптоволоконным датчиком линейной конфигурации, не инвариантностью к расположению нейроваскулярных структур при их наличии в исследуемом объеме биологический ткани и, как следствие, неравномерной чувствительностью к нейроваскулярным структурам при незначительных смещениях оптоволоконного датчика. Кроме того, при обнаружении и распознавании нейроваскулярных структур система-прототип не учитывает информативные пульсовую и дыхательную составляющие гемодинамических процессов, протекающих в исследуемом объеме биологической ткани. Существенным недостатком известной системы является неконтролируемая сила прижатия оптоволоконного датчика к поверхности исследуемого объема биологической ткани, что приводит к наличию двигательных артефактов в измерениях, вызванных тремором руки, и/или неконтролируемому пережатию биологической ткани в момент контактного зондирования исследуемого объема и, как следствие, к искажению полученных данных за счет изменения структурных и оптических параметров и снижению эффективности обнаружения и распознавания нейроваскулярных структур. Недостатком является также отсутствие оценок, качественных и/или количественных, типа артериального или венозного сосуда при его выявлении в исследуемом объеме биологической ткани. Кроме того, данная система не позволяет контролировать наличие возможного спазмирования артериальных сосудов исследуемого объема биологической ткани или питающей крупной артерии и степень ишемизации кровоснабжаемых ими тканей в процессе операции, что может приводить к значительному снижению эффективности и качества выполненной операции.However, this prototype system is characterized by a limited field of view due to the use of highly directional sensing, implemented by a fiber optic sensor of a linear configuration, not invariance to the location of neurovascular structures, if they are present in the studied volume of biological tissue, and, as a consequence, uneven sensitivity to neurovascular structures with insignificant displacements of the optical fiber. sensor. In addition, when detecting and recognizing neurovascular structures, the prototype system does not take into account the informative pulse and respiratory components of hemodynamic processes occurring in the studied volume of biological tissue. A significant drawback of the known system is the uncontrolled pressing force of the fiber optic sensor to the surface of the investigated volume of biological tissue, which leads to the presence of motor artifacts in measurements caused by hand tremor and / or uncontrolled clamping of biological tissue at the time of contact probing of the investigated volume and, as a consequence, to distortion obtained data due to changes in structural and optical parameters and a decrease in the efficiency of detection and recognition of neurovascular structures. The disadvantage is also the lack of assessments, qualitative and / or quantitative, of the type of arterial or venous vessel when it is detected in the investigated volume of biological tissue. In addition, this system does not allow to control the presence of possible spasm of the arterial vessels of the studied volume of biological tissue or the feeding large artery and the degree of ischemia of the tissues supplied by them during the operation, which can lead to a significant decrease in the efficiency and quality of the performed operation.
Технической проблемой является разработка системы, устраняющей перечисленные выше недостатки, характерные для аналогов.A technical problem is the development of a system that eliminates the disadvantages listed above that are characteristic of analogues.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Технический результат изобретения заключается в получении достоверных данных о наличии нервов, крупных и малых артерий и вен в объеме биологической ткани на максимальной глубине не менее 5 мм во время проведения операций.The technical result of the invention consists in obtaining reliable data on the presence of nerves, large and small arteries and veins in the volume of biological tissue at a maximum depth of at least 5 mm during operations.
Заявляемая система является универсальной, может быть использована как для нейрохирургических операций открытого или эндоскопического, в том числе трансназального доступа, так и других видов оперативного вмешательства по удалению опухоли, а также в пластической и реконструктивной хирургии и, кроме того, для определения и распознавания нейроваскулярных структур через интактные кожные покровы, для оценки состояния тканей внутренней среды организма при хирургических вмешательствах, и инвазивных диагностических процедурах лапароскопического типа, а также для исследования поврежденных тканей с оценкой глубины повреждения и на всех этапах их лечения и восстановления, например, при ожогах и обморожениях.The claimed system is universal, can be used both for neurosurgical operations of open or endoscopic, including transnasal access, and other types of surgical interventions to remove a tumor, as well as in plastic and reconstructive surgery and, in addition, to identify and recognize neurovascular structures through intact skin, to assess the state of the tissues of the internal environment of the body during surgical interventions, and invasive diagnostic procedures of the laparoscopic type, as well as to study damaged tissues with an assessment of the depth of damage and at all stages of their treatment and recovery, for example, with burns and frostbite.
Использование заявляемой системы повышает эффективность интраоперационного обнаружения и распознавания нейроваскулярных структур, что снижает риски их случайного повреждения в процессе проведения хирургического вмешательства, и как следствие, повышает качество оказываемой медицинской помощи. Система позволяет проводить количественную диагностику состояния различных тканей организма: на разную глубину (до 10 см) с требуемым разрешением по глубине, требуемой чувствительностью к структурным неоднородностям, по площади зондирования (площади картирования от нескольких мм2 до нескольких десятков см2), проводить объективную количественную оценку адекватности терапевтических процедур и мероприятий и качества лечения на всех этапах.The use of the claimed system increases the efficiency of intraoperative detection and recognition of neurovascular structures, which reduces the risks of their accidental damage during the surgical intervention, and as a consequence, improves the quality of medical care. The system allows for quantitative diagnostics of the state of various tissues of the body: at different depths (up to 10 cm) with the required depth resolution, the required sensitivity to structural inhomogeneities, over the probing area (mapping area from several mm 2 to several tens of cm 2 ), to carry out an objective quantitative assessment of the adequacy of therapeutic procedures and measures and the quality of treatment at all stages.
Указанный технический результат достигается тем, что система интраоперационного обнаружения и распознавания нейроваскулярных структур в объеме биологической ткани включает:The specified technical result is achieved by the fact that the system for intraoperative detection and recognition of neurovascular structures in the volume of biological tissue includes:
- оптико-хирургическое устройство для зондирования биологических тканей и хирургических манипуляций, выполненное на основе браншей;- an optical-surgical device for probing biological tissues and surgical manipulations, made on the basis of branches;
- блок позиционного и/или силового контроля оптико-хирургического устройства (блок контроля положения), включающий датчик положения и/или датчик силы или силомоментный датчик, выполненный с возможностью контроля положения/перемещения и/или силы прижатия рабочего торца оптико-хирургического устройства к биологической ткани;- a positional and / or force control unit of an optical-surgical device (position control unit), including a position sensor and / or a force sensor or a force-torque sensor configured to control the position / movement and / or pressing force of the working end of the optical-surgical device to the biological fabrics;
- блок преобразования сигналов, выполненный с возможностью формирования прямого и приема обратного оптических сигналов подповерхностного зондирования биологической ткани;- signal conversion unit, configured to generate direct and receive reverse optical signals from subsurface probing of biological tissue;
- блок управления и обработки (далее блок управления), выполненный с возможностью формирования управляющих сигналов для синхронизированной работы блока преобразования и блока контроля положения, а также с возможностью обработки принимаемых сигналов с упомянутых блоков, отображения диагностической информации и хранения получаемых данных,- a control and processing unit (hereinafter referred to as the control unit), configured to generate control signals for synchronized operation of the conversion unit and the position control unit, and also with the ability to process received signals from said units, display diagnostic information and store the received data,
при этомwherein
блок преобразования сигналов выполнен с возможностью формирования излучения для отражательной диффузионной спектроскопии с временным разрешением, по меньшей мере, на двух длинах волн (λi, i=1…K, K≥2) из диапазона 650-950 нм;the signal conversion unit is configured to generate radiation for reflective diffusion spectroscopy with a time resolution of at least two wavelengths (λ i , i = 1 ... K, K≥2) from the range of 650-950 nm;
оптико-хирургическое устройство выполнено с возможностью подповерхностного контактного зондирования биологической ткани на максимальную глубину не менее 5 мм, и снабжено, по меньшей мере, двумя группами оптоволокон для подвода прямого оптического сигнала подповерхностного зондирования биологической ткани, и, по меньшей мере, одним оптоволоконным жгутом для приема обратного сигнала; оптоволокна и оптоволоконный жгут (каждый, если их больше одного) одним концом выведены на рабочий торец устройства, а другим концом подключены к блоку преобразования сигналов, при этом группы оптоволокон на рабочем торце расположены вдоль отдельных несовпадающих полуосей, направленных от оптоволоконного жгута; каждая группа оптоволокон состоит, как минимум, из двух подгрупп, каждая из которых предназначена для подачи сигнала, по меньшей мере на двух длинах волн (λi, i=1…K, K≥2) из указанного диапазона, оптоволокна каждой подгруппы расположены друг от друга на расстоянии не более 1 мм, а каждая подгруппа - на определенном расстоянии (rj, j=1…M, M≥2) от приемного оптоволоконного жгута вдоль соответствующей полуоси;the optical-surgical device is made with the possibility of subsurface contact sensing of biological tissue to a maximum depth of at least 5 mm, and is equipped with at least two groups of optical fibers for supplying a direct optical signal of subsurface sensing of biological tissue, and at least one optical fiber bundle for receiving a return signal; optical fibers and optical fiber bundle (each, if there is more than one), one end is brought out to the working end of the device, and the other end is connected to the signal conversion unit, while the groups of optical fibers at the working end are located along separate mismatched semi-axes directed from the optical fiber bundle; each group of optical fibers consists of at least two subgroups, each of which is designed to supply a signal at least at two wavelengths (λ i , i = 1 ... K, K≥2) from the specified range, the optical fibers of each subgroup are located at each other from another at a distance of not more than 1 mm, and each subgroup - at a certain distance (r j , j = 1 ... M, M≥2) from the receiving fiber-optic bundle along the corresponding semiaxis;
блок управления выполнен с возможностью формирования вектора признаков для обнаружения и распознавания нейроваскулярных структур на основе сигналов, полученных с блока преобразования и блока контроля положения, по которым судят о наличии определенных нейроваскулярных структур в объеме биологической ткани, о тканевой сатурации и локальном кровенаполнении, в том числе о наличии или отсутствии гипоксии тканей.the control unit is configured to generate a vector of features for the detection and recognition of neurovascular structures based on signals received from the conversion unit and the position control unit, which are used to judge the presence of certain neurovascular structures in the volume of biological tissue, tissue saturation and local blood filling, including on the presence or absence of tissue hypoxia.
Возможен вариант выполнения системы, при котором для формирования вектора признаков (для обнаружения и распознавания нейроваскулярных структур) блок преобразования сигналов выполнен с возможностью регистрации сигналов интенсивностей обратно рассеянного излучения для каждой длины волны λi и каждого rj с последующей обработкой в блоке управления и формированием параметров вектора признаков для обнаружения и распознавания нейроваскулярных структур:A variant of the system implementation is possible, in which, for the formation of a vector of features (for the detection and recognition of neurovascular structures), the signal conversion unit is configured to register signals of intensities of backscattered radiation for each wavelength λ i and each r j with subsequent processing in the control unit and the formation of parameters vector of features for the detection and recognition of neurovascular structures:
- коэффициента(ов) поглощения μa(λi) и транспортного(ых) коэффициента(ов) рассеяния μs'(λi) для каждой группы оптоволокон и каждого оптоволоконного жгута, по которым определяют концентрацию общего гемоглобина ([tHb]) в единице исследуемого объема биологической ткани и тканевую сатурацию (StO2) - степень насыщения кислородом крови в сосудах исследуемого объема ткани, а также тангенс угла наклона транспортного коэффициента рассеяния от длины волны (Ds),- absorption coefficient (s) μ a (λ i ) and transport (s) scattering coefficient (s) μ s ' (λ i ) for each group of optical fibers and each optical fiber bundle, which determine the concentration of total hemoglobin ([tHb]) in unit of the investigated volume of biological tissue and tissue saturation (S t O 2 ) - the degree of oxygen saturation of blood in the vessels of the investigated tissue volume, as well as the tangent of the slope of the transport scattering coefficient from the wavelength (D s ),
- амплитуд пульсовых (Ап) и дыхательных (Ад) колебаний и их отношения Ап/д=Ап/Ад для каждой пары (λi, rj), и/или- the amplitudes of the pulse (Ap) and respiratory (Ar) oscillations and their ratio Ap / d = Ap / Ar for each pair (λ i , r j ), and / or
- вектора формы (), представляющего собой набор значений, характеризующих форму пульсовой волны, соответствующую крупному или малому артериальному сосуду , крупному венозному сосуду , или функциональной тканевой единице в размерах исследуемого объема биологической ткани ,- vector of the form (), which is a set of values characterizing the shape of the pulse wave corresponding to a large or small arterial vessel , a large venous vessel , or a functional tissue unit in the size of the investigated volume of biological tissue ,
а для каждой подгруппы источников, по меньшей мере, для двух длин волн из указанного диапазона определяют локальную амплитуду пульсовых колебаний концентрации общего гемоглобина (Δ[tHb]п),and for each subgroup of sources, for at least two wavelengths from the specified range, the local amplitude of pulse fluctuations in the concentration of total hemoglobin (Δ [tHb] p) is determined,
при этом перечисленные параметры измеряют в статическом режиме, при котором давление оптоволоконного датчика P на поверхность исследуемого объема биологической ткани составляет P ≤ 0,2 мм рт.ст.while the listed parameters are measured in a static mode, in which the pressure of the fiber-optic sensor P on the surface of the investigated volume of biological tissue is P ≤ 0.2 mm Hg.
Возможен вариант реализации системы, в которой блок управления формирует вектор формы пульсовых колебаний , определяющийся тремя переменными {N, AvCork, DIm}i,j , гдеA variant of the system implementation is possible, in which the control unit generates the vector of the pulse waveform defined by three variables {N, AvCor k , DI m } i, j , where
N - количество компонент фурье-спектра автокорреляционной функции пульсовой составляющей регистрируемой интенсивности обратно рассеянного излучения, амплитуда которых не менее 0,2 отн.ед.;N is the number of components of the Fourier spectrum of the autocorrelation function of the pulse component of the recorded intensity of backscattered radiation, the amplitude of which is not less than 0.2 rel. Units;
AvCork, k = 1…N - амплитуды этих компонент фурье-спектра автокорреляционной функции;AvCor k , k = 1 ... N are the amplitudes of these components of the Fourier spectrum of the autocorrelation function;
- среднее за период регистрации абсолютное значение локальных минимумов производной пульсовой составляющей регистрируемой интенсивности обратно рассеянного излучения по времени с шагом 0,2±0,003 с; - the average over the registration period the absolute value of the local minima of the derivative of the pulse component of the recorded intensity of backscattered radiation in time with a step of 0.2 ± 0.003 s;
при этом форму пульсовой волны определяют как соответствующую функциональной тканевой единице в размерах исследуемого объема биологической ткани при получении следующих значений вектора формы:in this case, the shape of the pulse wave is determined as corresponding to a functional tissue unit in the dimensions of the investigated volume of biological tissue when the following values of the shape vector are obtained:
= : N = 1; 0,6 ≤ AvCor1 ≤ 1; , - = : N = 1; 0.6 ≤ AvCor 1 ≤ 1; , -
как соответствующую крупной артерии в исследуемом объеме биологической ткани при получении следующих значений вектора формы:as corresponding to a large artery in the investigated volume of biological tissue when obtaining the following values of the shape vector:
= : N = 1; 0,8 ≤ AvCor1 ≤ 1; DIm > 4DIm0, - = : N = 1; 0.8 ≤ AvCor 1 ≤ 1; DI m > 4DIm 0 , -
как соответствующую крупной вене в исследуемом объеме биологической ткани при получении следующих значений вектора формы:as corresponding to a large vein in the investigated volume of biological tissue when the following values of the shape vector are obtained:
= : N = 1 или N = 2; AvCork < 0,6, k = 1...N; DIm < DIm0, - = : N = 1 or N = 2; AvCor k <0.6, k = 1 ... N; DI m <DIm 0 , -
где DIm0 - пороговое значение DIm, определяемое для функциональной тканевой единицы в размерах исследуемого объема биологической ткани.where DI m0 is the threshold value of DI m , determined for a functional tissue unit in the size of the investigated volume of biological tissue.
Возможен вариант исполнения системы, в котором блок управления выполнен с возможностью формирования выводов о наличии определенных нейроваскулярных структур при получении следующих совокупностей измеренных параметров:A variant of the system is possible, in which the control unit is configured to form conclusions about the presence of certain neurovascular structures when receiving the following sets of measured parameters:
- при {Ds > 0; [tHb] > [tHb]0; StO2 > (StO2)0; Ап/д > (Ап/д)0; =; Δ[tHb]п > (Δ[tHb]п)0} (1) - о наличии в исследуемом объеме биологической ткани крупной артерии;- for {D s >0;[tHb]> [tHb] 0 ; S t O 2 > (S t O 2 ) 0 ; A / d> (A / d) 0 ; = ; Δ [tHb] n > (Δ [tHb] n ) 0 } (1) - about the presence of a large artery in the studied volume of biological tissue;
- при {Ds > 0; [tHb] > [tHb]0; StO2 ≤ (StO2)0 или StO2 > (StO2)0; Ап/д < (Ап/д)0; =; Δ[tHb]п ≤ (Δ[tHb]п)0} (2) - о наличии в исследуемом объеме биологической ткани крупной вены;- for {D s >0;[tHb]> [tHb] 0 ; S t O 2 ≤ (S t O 2 ) 0 or S t O 2 > (S t O 2 ) 0 ; A / d <(A / d) 0 ; = ; Δ [tHb] n ≤ (Δ [tHb] n ) 0 } (2) - about the presence of a large vein in the studied volume of biological tissue;
- при {Ds0 < Ds < 0; [tHb] ≤ [tHb]0; StO2 ≤ (StO2)0; Ап/д ≤ (Ап/д)0; =; Δ[tHb]п < (Δ[tHb]п)0} (3) - о наличии в исследуемом объеме биологической ткани нерва диаметром от 1,5 мм и более;- for {D s0 <D s <0; [tHb] ≤ [tHb] 0 ; S t O 2 ≤ (S t O 2 ) 0 ; A / d ≤ (A / d) 0 ; = ; Δ [tHb] n <(Δ [tHb] n ) 0 } (3) - on the presence of a nerve with a diameter of 1.5 mm or more in the studied volume of biological tissue;
- при {Ds ≤ Ds0; [tHb] ≥ [tHb]0; StO2 ≥ (StO2)0; Ап/д ≥ (Ап/д)0; =; Δ[tHb]п ≥ (Δ[tHb]п)0} (4) - о наличии в исследуемом объеме биологической ткани, по меньшей мере, одной малой артерии;- for {D s ≤ D s0 ; [tHb] ≥ [tHb] 0 ; S t O 2 ≥ (S t O 2 ) 0 ; A / d ≥ (A / d) 0 ; = ; Δ [tHb] n ≥ (Δ [tHb] n ) 0 } (4) - the presence of at least one small artery in the investigated volume of biological tissue;
- при {Ds0 < Ds < 0; [tHb] > [tHb]0; StO2 ≥ (StO2)0; Ап/д > (Ап/д)0; =; Δ[tHb]п > (Δ[tHb]п)0} (5) - о наличии в исследуемом объеме биологической ткани части крупной артерии, когда объем цельной крови сосуда в исследуемом объеме биологической ткани не приводит к Δμs'(λ) > 0;- for {D s0 <D s <0;[tHb]> [tHb] 0 ; S t O 2 ≥ (S t O 2 ) 0 ; A / d> (A / d) 0 ; = ; Δ [tHb] n > (Δ [tHb] n ) 0 } (5) - about the presence in the investigated volume of biological tissue of a part of a large artery, when the volume of whole blood of the vessel in the investigated volume of biological tissue does not lead to Δμ s '(λ)>0;
- при {Ds0 ≤ Ds < 0; [tHb] ≥ [tHb]0; StO2 ≤ (StO2)0; Ап/д ≤ (Ап/д)0; =; Δ[tHb]п ≤ (Δ[tHb]п)0} (6) - о наличии в исследуемом объеме биологической ткани, по меньшей мере, одной малой вены,- for {D s0 ≤ D s <0; [tHb] ≥ [tHb] 0 ; S t O 2 ≤ (S t O 2 ) 0 ; A / d ≤ (A / d) 0 ; = ; Δ [tHb] n ≤ (Δ [tHb] n ) 0 } (6) - about the presence in the investigated volume of biological tissue of at least one small vein,
где [tHb]0, Ds0, (StO2)0, (Ап/д)0, (Δ[tHb]п)0 - пороговые значения упомянутых параметров, измеренные для функциональной тканевой единицы в размерах исследуемого объема биологической ткани. Значения параметров Ds, [tHb] и StO2 определяют для каждой группы оптоволокон на рабочем торце оптико-хирургического устройства и каждого приемного оптоволоконного жгута или, как минимум, единственного, а Ап/д, и Δ[tHb]п определяют, по меньшей мере, для одной подгруппы излучателей этой группы.where [tHb]0, Ds0, (StO2)0, (A / d)0, (Δ [tHb]NS)0 - threshold values of the above parameters, measured for a functional tissue unit in the dimensions of the investigated volume of biological tissue. Parameter values Ds, [tHb] and StO2 for each group of optical fibers at the working end of the optical-surgical device and each receiving fiber-optic bundle or, at least, the only one, and A / d, and Δ [tHb] n is determined for at least one subgroup of emitters of this group.
Существует вариант реализации системы, в которой блок контроля положения и блок управления выполнены с возможностью проводить измерения параметров, обнаружение и распознавание нейроваскулярных структур в статическом режиме, при котором контролируемое давление P оптико-хирургического устройства на поверхность исследуемого объема биологической ткани составляет P ≤ 0,2 мм рт.ст., и в динамическом режиме с увеличением давления оптико-хирургического устройства на поверхность исследуемого объема биологической ткани с заданной постоянной скоростью VL ≤ 10 мм/мин при изменении силы от 0 до Fmax, соответствующей максимально допустимому для исследуемой биологической ткани уровню давления Pmax = Fmax/S, с учетом площади контакта S рабочего торца диагностического оптико-хирургического устройства с поверхностью исследуемого объема биологической ткани, где Pmax принимает значения от 70 мм рт.ст. для тканей головного мозга до 200 мм рт.ст. для тканей нижних конечностей, или при двухэтапном изменении давления Р от 0 до 20 мм рт.ст. и от 20 мм рт.ст. до Pmax.There is a variant of the system implementation, in which the position control unit and the control unit are made with the ability to measure parameters, detect and recognize neurovascular structures in a static mode, in which the controlled pressure P of the opto-surgical device on the surface of the investigated volume of biological tissue is P ≤ 0.2 mm Hg, and in a dynamic mode with an increase in the pressure of the optical-surgical device on the surface of the investigated volume of biological tissue at a given constant velocity V L ≤ 10 mm / min with a change in force from 0 to F max , corresponding to the maximum allowable for the investigated biological tissue pressure level P max = F max / S, taking into account the contact area S of the working end of the diagnostic optical-surgical device with the surface of the investigated volume of biological tissue, where P max takes values from 70 mm Hg. for brain tissue up to 200 mm Hg for tissues of the lower extremities, or with a two-stage change in pressure P from 0 to 20 mm Hg. and from 20 mm Hg. up to P max .
Возможен вариант реализации системы, в которой блок управления выполнен с возможностью определения состояния спазмирования артериальных сосудов исследуемого объема биологической ткани или питающей крупной артерии по получению следующих совокупностей измеренных параметров {Ds0 ≤ Ds < 0; [tHb] < [tHb]0; StO2 < (StO2)0; Ап/д = 0 (при отсутствии пульсовых колебаний)} (7).A possible embodiment of the system, in which the control unit is configured to determine the state of spasm of arterial vessels of the investigated volume of biological tissue or a feeding large artery by obtaining the following sets of measured parameters {D s0 ≤ D s <0; [tHb] <[tHb] 0 ; S t O 2 <(S t O 2 ) 0 ; Ap / d = 0 (in the absence of pulse fluctuations)} (7).
Возможен вариант реализации системы, в которой оптико-хирургическое устройство содержит блок разведения браншей, для регулирования пространственного положения браншей относительно исследуемой поверхности биологической ткани и относительно друг друга, выполненный с возможностью контроля со стороны блока контроля положения и со стороны блока управления, (с помощью сигналов обратной связи, формируемых при регулировании и отправляемых в блоки контроля положения и управления) и/или содержит блок стыковки с блоком позиционного и/или силового контроля для автоматизированного регулирования пространственного положения браншей относительно исследуемой поверхности биологической ткани и относительно друг друга, выполненный с возможностью управления со стороны блока контроля положения и со стороны блока управления по специальным управляющим сигналам.A variant of the implementation of the system is possible, in which the optical-surgical device contains a branching unit for jaws, to regulate the spatial position of the jaws relative to the investigated surface of biological tissue and relative to each other, made with the possibility of control from the side of the position control unit and from the side of the control unit, (using signals feedback generated during regulation and sent to the position control and control units) and / or contains a docking unit with a positional and / or force control unit for automated regulation of the spatial position of the jaws relative to the investigated surface of biological tissue and relative to each other, made with the ability to control with from the side of the position control unit and from the side of the control unit by special control signals.
Таким образом, заявляемая система позволяет устранить следующие недостатки, присущие наиболее близкому решению, известному из уровня техники:Thus, the claimed system eliminates the following disadvantages inherent in the closest solution known from the prior art:
- неиспользование или неполное использование информативной пульсовой и дыхательной составляющих гемодинамических процессов, протекающих в исследуемом объеме биологической ткани, для обнаружения и распознавания нейроваскулярных структур;- non-use or incomplete use of the informative pulse and respiratory components of hemodynamic processes occurring in the studied volume of biological tissue for the detection and recognition of neurovascular structures;
- неконтролируемое позиционирование и/или неконтролируемая сила прижатия оптоволоконного датчика к поверхности исследуемого объема биологической ткани, что приводит к наличию двигательных артефактов в измерениях, вызванных тремором руки, и/или неконтролируемому пережатию биологической ткани в момент контактного зондирования исследуемого объема и, как следствие, к искажению полученных данных за счет изменения структурных и оптических параметров и снижению эффективности обнаружения и распознавания нейроваскулярных структур;- uncontrolled positioning and / or uncontrolled pressing force of the fiber-optic sensor to the surface of the investigated volume of biological tissue, which leads to the presence of motor artifacts in measurements caused by hand tremor and / or uncontrolled clamping of biological tissue at the time of contact probing of the investigated volume and, as a consequence, to distortion of the obtained data due to changes in structural and optical parameters and a decrease in the efficiency of detection and recognition of neurovascular structures;
- отсутствие оценок, качественных и/или количественных, типа артериального или венозного сосуда при его выявлении в исследуемом объеме биологической ткани;- lack of assessments, qualitative and / or quantitative, of the type of arterial or venous vessel when it is detected in the investigated volume of biological tissue;
- ограниченность поля зрения используемого в прототипе оптоволоконного датчика, неинвариантность его к расположению нейроваскулярных структур при их наличии в исследуемом объеме биологический ткани и, как следствие, неравномерная чувствительность к нейроваскулярным структурам при незначительных смещениях оптоволоконного датчика;- limited field of view of the fiber optic sensor used in the prototype, its non-invariance to the location of neurovascular structures when they are present in the studied volume of biological tissue and, as a result, uneven sensitivity to neurovascular structures with minor displacements of the fiber optic sensor;
- отсутствие контроля за возможным спазмированием артериальных сосудов исследуемого объема биологической ткани или питающей крупной артерии и степенью ишемизации кровоснабжаемых ими тканей, особенно нервных, гипоксия и повреждение которых в процессе операции приводят к необратимым для пациента последствиям, что не позволяет говорить об эффективности и качестве выполненной операции,- lack of control over the possible spasm of the arterial vessels of the studied volume of biological tissue or the feeding large artery and the degree of ischemia of the tissues supplied by them, especially nerve tissues, hypoxia and damage to which during the operation lead to irreversible consequences for the patient, which does not allow us to speak of the effectiveness and quality of the operation performed ,
- ограниченные функциональные возможности прототипа, низкая эффективность обнаружения и распознавания нейроваскулярных структур.- limited functionality of the prototype, low efficiency of detection and recognition of neurovascular structures.
В отличие от наиболее близкого решения заявляемая система реализует:In contrast to the closest solution, the claimed system implements:
- применение методов кратно-масштабного анализа регистрируемой интенсивности обратно рассеянного излучения и формирование комплексной характеристики пульсовых и дыхательных колебаний, определяющей наличие или отсутствие выраженных пульсовых колебаний, наличие или отсутствие дыхательных колебаний в исследуемом объеме биологической ткани, форму пульсовой волны, соответствующую крупной артерии, малой артерии, вынужденным пульсовым колебаниям венозного объема или функциональной тканевой единице;- application of methods of multiple-scale analysis of the recorded intensity of backscattered radiation and the formation of a complex characteristic of pulse and respiratory oscillations, which determines the presence or absence of pronounced pulse oscillations, the presence or absence of respiratory oscillations in the investigated volume of biological tissue, the pulse waveform corresponding to a large artery, a small artery , forced pulse fluctuations of the venous volume or functional tissue unit;
- расширение набора критериев обнаружения и распознавания нейроваскулярных структур: крупных и малых артериальных и венозных сосудов и нервов, - с учетом предоперационной и интраоперационной диагностической информации и с учетом априорной физиологической информации;- expanding the set of criteria for the detection and recognition of neurovascular structures: large and small arterial and venous vessels and nerves, taking into account preoperative and intraoperative diagnostic information and taking into account a priori physiological information;
- осуществление возможности реализации в условиях автоматизированного контроля позиционирования и/или силы прижатия используемого оптоволоконного датчика к поверхности исследуемого объема биологической ткани, с помощью блока контроля положения, оснащенного датчиками перемещения и/или силы, в двух режимах: статическом и динамическом;- implementation of the possibility of implementation in conditions of automated control of positioning and / or pressing force of the used fiber-optic sensor to the surface of the investigated volume of biological tissue, using a position control unit equipped with displacement and / or force sensors, in two modes: static and dynamic;
- формирование и применение расширенного набора критериев для обнаружения и распознавания нейроваскулярных структур на основании спектроскопических измерений в статическом режиме автоматизированного контроля позиционирования и/или силы прижатия;- formation and application of an extended set of criteria for the detection and recognition of neurovascular structures based on spectroscopic measurements in the static mode of automated control of positioning and / or pressing force;
- возможность проведения двухэтапного динамического режима для подтверждения или обнаружения: на первом этапе - наличия венозного сосуда в исследуемом объеме биологической ткани; на втором этапе - дополнительного подтверждения наличия уже обнаруженного в статическом режиме артериального сосуда или обнаружения и распознавания артериального сосуда более глубинного залегания, не обнаруженного в статическом режиме, оценки калибра артериального сосуда по величине давления в сосуде;- the possibility of carrying out a two-stage dynamic mode to confirm or detect: at the first stage - the presence of a venous vessel in the investigated volume of biological tissue; at the second stage - additional confirmation of the presence of an arterial vessel already detected in a static mode or detection and recognition of an arterial vessel of a deeper occurrence, not detected in a static mode, assessing the caliber of an arterial vessel by the pressure in the vessel;
- возможность дополнительного подтверждения, что исследуемая область биологической ткани является участком с микроциркуляторным руслом без нейроваскулярных включений: сосудов, типа артерий и вен, и нервов;- the possibility of additional confirmation that the studied area of biological tissue is a site with a microvasculature without neurovascular inclusions: vessels, such as arteries and veins, and nerves;
- обеспечение равномерности зондирования исследуемого объема биологической ткани и инвариантности способа к расположению нейроваскулярных структур, при их наличии в исследуемом объеме, за счет применения не менее двух групп излучателей в оптико-хирургическом устройстве и применения методов кратно-масштабного анализа к регистрируемой для каждого источника интенсивности обратно рассеянного излучения для выделения и анализа дыхательных и пульсовых колебаний;- ensuring the uniformity of probing of the investigated volume of biological tissue and the invariance of the method to the location of neurovascular structures, if they are present in the investigated volume, through the use of at least two groups of emitters in the optical-surgical device and the application of methods of multiple-scale analysis to the intensity recorded for each source back scattered radiation for the isolation and analysis of respiratory and pulse oscillations;
- обеспечение контроля наличия возможного спазмирования артериальных сосудов исследуемого объема биологической ткани или питающей крупной артерии и степени ишемизации кровоснабжаемых ими биологических тканей по отклонениям контролируемых физиологических параметров от их начальных значений, регистрируемых интраоперационно, в сторону выраженной гипоксии тканей.- ensuring control of the presence of possible spasm of arterial vessels of the studied volume of biological tissue or a feeding large artery and the degree of ischemia of the biological tissues supplied by them according to deviations of the controlled physiological parameters from their initial values recorded intraoperatively towards pronounced tissue hypoxia.
Перечисленные выше отличительные признаки заявляемой системы приводят к достижению следующих преимуществ по сравнению с наиболее близким техническим решением: The above distinctive features of the claimed system lead to the achievement of the following advantages over the closest technical solution:
- к повышению эффективности распознавания нейроваскулярных структур за счет анализа комплекса значимых параметров в статическом и, при необходимости, в динамическом режимах, и получения более широкого спектра критериев, обеспечивающих определение в т.ч. типа структуры, за счет автоматизированного контроля позиционирования и/или силы прижатия используемого оптико-хирургического устройства к поверхности исследуемого объема биологической ткани, что обеспечивает отсутствие неинформативных двигательных артефактов и искажений оптических параметров, обеспечивает стабильность и воспроизводимость параметров, по которым на основании соответствующих критериев принимается решение, за счет повышения равномерности зондирования исследуемого объема биологической ткани и инвариантности результата к расположению нейроваскулярных структур;- to increase the efficiency of recognition of neurovascular structures by analyzing a complex of significant parameters in static and, if necessary, in dynamic modes, and obtaining a wider range of criteria that ensure the determination of incl. type of structure, due to the automated control of positioning and / or pressing force of the used optical-surgical device to the surface of the investigated volume of biological tissue, which ensures the absence of uninformative motor artifacts and distortions of optical parameters, ensures the stability and reproducibility of the parameters by which a decision is made based on the relevant criteria , by increasing the uniformity of probing of the investigated volume of biological tissue and the invariance of the result to the location of neurovascular structures;
- к повышению универсальности за счет повышения глубины обнаружения и распознавания артериальных сосудов при контролируемом автоматизированном вдавливании оптико-хирургического устройства в исследуемую ткань без увеличения его габаритов и размеров исследуемой области , за счет обеспечения инвариантности способа к расположению нейроваскулярных структур в исследуемом объеме биологической ткани путем применения не менее двух групп излучателей оптико-хирургического устройства и анализа интенсивности обратно рассеянного излучения для каждого источника;- to increase the versatility by increasing the depth of detection and recognition of arterial vessels with a controlled automated indentation of an optical-surgical device into the tissue under study without increasing its dimensions and dimensions of the investigated area, by ensuring the invariance of the method to the location of neurovascular structures in the investigated volume of biological tissue by using not less than two groups of emitters of an optical-surgical device and analysis of the intensity of backscattered radiation for each source;
- к расширению функциональных возможностей системы на единой методологической основе за счет контроля возможного спазмирования артериальных сосудов исследуемого объема биологической ткани или питающей крупной артерии и степени ишемизации кровоснабжаемых ими биологических тканей с помощью предложенного вектора признаков и соответствующих критериев оценки спазмирования и ишемизации;- to expand the functionality of the system on a unified methodological basis by controlling possible spasm of arterial vessels of the investigated volume of biological tissue or a feeding large artery and the degree of ischemia of the biological tissues supplied by them using the proposed vector of signs and the corresponding criteria for assessing spasm and ischemization;
- повышению качества оказываемой медицинской помощи ввиду снижения или предотвращения нередких в нейрохирургической практике случаев повреждения нейроваскулярных структур и внезапного неконтролируемого спазмирования крупных артерий при случайном резком механическом воздействии на них.- improving the quality of medical care due to the reduction or prevention of cases of damage to neurovascular structures and sudden uncontrolled spasm of large arteries in case of accidental sharp mechanical impact on them, which are not uncommon in neurosurgical practice.
Реализуемый с помощью предлагаемой системы алгоритм (способ) диагностики не имеет ограничений, если пространственное разрешение и минимальный зондируемый объем согласованы с характерными размерами нейроваскулярных структур, подлежащих обнаружению и распознаванию, и изменения оптических параметров, значимые для обнаружения и распознавания нейроваскулярных структур, минимум в 2 раза превосходят соответствующую шумовую характеристику.The diagnostic algorithm (method) implemented using the proposed system has no restrictions if the spatial resolution and the minimum probed volume are consistent with the characteristic dimensions of neurovascular structures to be detected and recognized, and changes in optical parameters that are significant for the detection and recognition of neurovascular structures are at least 2 times exceed the corresponding noise performance.
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
Изобретение поясняется иллюстративным материалом, где на фиг. 1 представлена блок-схема варианта реализации системы; на фиг. 2 представлены продольный разрез оптико-хирургического устройства (а), вид сверху варианта рабочего торца браншей круглого сечения (б), поперечное сечение оптико-хирургического устройства с группами оптоволокон и/или оптоволоконным жгутом (в), вариант элемента блока разведения браншей - в разрезе (г); на фиг. 3 отображены отдельные примеры схем расположения на рабочем торце оптико-хирургического устройства групп и подгрупп излучателей относительно приемника; на фиг. 4 отражены вариант выполнения рабочего торца малогабаритного оптико-хирургического устройства с секторным расположением приемника и излучателей в сомкнутом состоянии (а), устройство в режиме зондирования биологической ткани с разомкнутыми браншами (б) и вид сечения рабочей торцевой поверхности секторного типа (в); на фиг. 5 представлены варианты конструкций рабочего торца оптико-хирургического устройства, в поперечном сечении, когда равномерность зондирования обеспечивается увеличением количества точечных источников (а) и/или приемников (б), наличием линейки или матрицы приемников (в) или увеличением количества раздвижных браншей (г); на фиг. 6 представлена структура блока преобразования для реализации отражательной диффузионной спектроскопии с временным разрешением; на фиг. 7 отражен экспериментальный макет системы; на фиг. 8 представлены объект исследования (а): сосуды, нервы, мягкие ткани руки человека, - и результаты (б) правильного обнаружения и распознавания нейроваскулярных структур относительно мягких тканей, мышечной и кожно-жировой, по измеряемым методом спектроскопии с временным разрешением оптическим параметрам с реализацией возможности изменения глубины зондирования ткани; на фиг. 9 представлен возможный вид отображения информации на экране монитора блока управления и отображения; на фиг. 10 представлены результаты, получаемые с силомоментного датчика блока контроля положения.The invention is illustrated by illustrative material, where in FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of the system; in fig. 2 shows a longitudinal section of an optical-surgical device (a), a top view of a variant of the working end of circular jaws (b), a cross-section of an optical-surgical device with groups of optical fibers and / or a fiber-optic bundle (c), a variant of an element of the branching unit - in section (G); in fig. 3 shows individual examples of layouts on the working end of the opto-surgical device of groups and subgroups of emitters relative to the receiver; in fig. 4 shows an embodiment of the working end of a small-sized optical-surgical device with a sector arrangement of the receiver and emitters in a closed state (a), a device in the biological tissue sensing mode with open branches (b) and a sectional view of the working end surface of a sector type (c); in fig. 5 shows options for the design of the working end of the optical-surgical device, in cross-section, when the sounding uniformity is ensured by an increase in the number of point sources (a) and / or receivers (b), the presence of a ruler or matrix of receivers (c) or an increase in the number of sliding jaws (d) ; in fig. 6 shows the structure of a conversion unit for realizing time-resolved reflective diffusion spectroscopy; in fig. 7 shows the experimental layout of the system; in fig. 8 shows the object of study (a): blood vessels, nerves, soft tissues of a human hand, and the results (b) of correct detection and recognition of neurovascular structures relative to soft tissues, muscle and skin-fat, according to optical parameters measured by time-resolved spectroscopy with the implementation of the ability to change the depth of tissue sounding; in fig. 9 shows a possible view of information display on the monitor screen of the control and display unit; in fig. 10 shows the results obtained with the force-torque sensor of the position control unit.
В таблице 1 представлены примеры распознавания нейроваскулярных структур с помощью системы и по параметрам прототипа на основе критериальных значений параметров, соответствующих функциональной тканевой единице.Table 1 shows examples of recognition of neurovascular structures using the system and by the parameters of the prototype based on the criterion values of the parameters corresponding to the functional tissue unit.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Для более однозначного понимания сущности заявленного изобретения ниже представлены основные термины и определения, используемые в рамках настоящего описания.For a more unambiguous understanding of the essence of the claimed invention, below are the basic terms and definitions used in the framework of the present description.
Функциональная тканевая единица (ФТЕ) в размере исследуемого объема биологической ткани представляет собой комплекс специализированных клеток ткани, клеток и неклеточного компонента соединительной ткани, кровеносных и лимфатических микрососудов, окончаний нервных волокон и мельчайших артериальных и венозных сосудов диаметрами менее 0,5 мм. Основой ФТЕ определенного органа или ткани является микроциркуляторно-тканевая система, морфофункциональные особенности которой подробно рассматривают авторы работы [Крупаткин А.И., Сидоров В.В. Функциональная диагностика состояния микроциркуляторно-тканевых систем: Колебания, информация, нелинейность. Изд.2-е. - М.: ЛЕНАНД, 2016. - 496 с.]. Функциональные тканевые единицы разных органов имеют различия на структурном и функциональном уровнях: гистологические различия на уровне клеток разных тканей, различия в соединительнотканной структуре, в строении микрососудистой сети и на уровне кровеносных сосудов крупнее (диаметром более 250 мкм) сосудов микроциркуляторного уровня (диаметром 3 мкм - 250 мкм). В следствие указанных различий, ФТЕ имеют разные физические свойства: оптические, акустические, электрические. Оптические параметры определяемой таким образом ФТЕ, коэффициенты поглощения и транспортные коэффициенты рассеяния на разных длинах волн, характеризуются высокой биологической вариабельностью. Поэтому разработка способов обнаружения и распознавания в объеме ФТЕ таких структур, как нервы и цельная кровь в сосудах, имеющих значительно меньшую биологическую вариабельность морфофункциональных и физических свойств, требует предварительной оценки и учета измеряемых параметров ФТЕ в применяемых критериях.A functional tissue unit (FUU) in the size of the investigated volume of biological tissue is a complex of specialized tissue cells, cells and a non-cellular component of connective tissue, blood and lymphatic microvessels, endings of nerve fibers and the smallest arterial and venous vessels with diameters less than 0.5 mm. The basis of PTU of a certain organ or tissue is the microcirculatory-tissue system, the morphofunctional features of which are considered in detail by the authors of the work [Krupatkin A.I., Sidorov V.V. Functional diagnostics of the state of microcirculatory-tissue systems: Fluctuations, information, nonlinearity. 2nd edition. - M .: LENAND, 2016. - 496 p.]. Functional tissue units of different organs have differences at the structural and functional levels: histological differences at the level of cells of different tissues, differences in the connective tissue structure, in the structure of the microvascular network and at the level of blood vessels are larger (with a diameter of more than 250 μm) vessels of the microcirculatory level (with a diameter of 3 μm - 250 μm). As a result of these differences, FTE have different physical properties: optical, acoustic, electrical. The optical parameters of the FTU determined in this way, the absorption coefficients and the transport scattering coefficients at different wavelengths, are characterized by high biological variability. Therefore, the development of methods for detecting and recognizing in the volume of FTU such structures as nerves and whole blood in vessels, which have a significantly lower biological variability of morphofunctional and physical properties, requires a preliminary assessment and consideration of the measured parameters of the FTU in the applied criteria.
С учетом функциональных возможностей применяемого метода спектроскопии с временным разрешением для ФТЕ в размерах относительно малого исследуемого объема биологической ткани с указанной максимальной глубиной зондирования не менее 5 мм соотношение между калибром сосуда и его размером принято следующим:Taking into account the functionality of the applied time-resolved spectroscopy method for FTU in the size of a relatively small investigated volume of biological tissue with the specified maximum probing depth of at least 5 mm, the ratio between the vessel caliber and its size is taken as follows:
- крупный сосуд, артерия или вена определяется как сосуд с диаметром 2,0 мм и выше;- a large vessel, artery or vein is defined as a vessel with a diameter of 2.0 mm or more;
- малый сосуд, артерия или вена, имеет диаметр от 0,5 мм до 2,0 мм;- a small vessel, artery or vein, has a diameter of 0.5 mm to 2.0 mm;
распознаваемые нервы диаметром 1,5-5 мм и выше.recognizable nerves with a diameter of 1.5-5 mm and above.
В рамках настоящего изобретения исследования проведены для руки человека от кисти до середины предплечья. Функциональной тканевой единицей являлся объем ткани на внешней стороне середины предплечья, полученные значения параметров Ds0, [tHb]0, (StO2)0, (Ап/д)0, DIm0 и (Δ[tHb]п)0 рассматривались как пороговые.In the framework of the present invention, studies were carried out for a human hand from the hand to the middle of the forearm. The functional tissue unit was the volume of tissue on the outer side of the middle of the forearm, the obtained values of the parameters D s0 , [tHb] 0 , (S t O 2 ) 0 , (A / d) 0 , DI m0 and (Δ [tHb] n ) 0 were as thresholds.
Возможность осуществления функций заявленной системы продемонстрирована с помощью устройства, обобщенная структурная схема которого представлена на фиг. 1 и фиг. 6. Схема включает в себя следующие конструктивные единицы:The possibility of performing the functions of the claimed system is demonstrated using a device, the generalized block diagram of which is shown in Fig. 1 and FIG. 6. The scheme includes the following structural units:
1 - блок преобразования сигналов, реализующий метод диффузионной спектроскопии с временным разрешением на основе частотного подхода (FD, frequency domain) или подхода (TD, time domain), содержащий 1.1 - радиочастотный генератор, 1.2 - блок формирования излучения с мультиплексированием по времени для зондирования биологической ткани, как минимум, на двух длинах волн, 1.3 - блок приема излучения, рассеянного в исследуемой биологической ткани (5) в обратном направлении, 1.4 - блок аналоговой обработки сигнала, регистрируемого блоком приема излучения (1.3);1 - signal conversion unit that implements the method of diffusion spectroscopy with time resolution based on the frequency approach (FD, frequency domain), or approach (TD, time domain), containing 1.1 - a radio frequency generator, 1.2 - a radiation formation unit with time multiplexing for sensing biological tissue at least at two wavelengths, 1.3 - a unit for receiving radiation scattered in the biological tissue under study (5) in the opposite direction, 1.4 - block for analog processing of the signal recorded by the unit for receiving radiation (1.3);
2 - оптико-хирургическое устройство для отражательной диффузионной спектроскопии, с помощью которого осуществляют подповерхностное картирование исследуемого объема биологической ткани необходимым количеством длин волн указанного красного и ближнего инфракрасного (КБИК) диапазона на необходимую глубину с необходимым пространственным разрешением, имеющий необходимый вариант технического исполнения, содержащий (фиг. 2): 2.1 - бранши, 2.2 - рабочий торец. 2.3 - блок разведения браншей, 2.4 - группы оптоволокон и/или оптоволоконный жгут;2 - an optical-surgical device for reflective diffusion spectroscopy, with the help of which the subsurface mapping of the investigated volume of biological tissue is carried out with the required number of wavelengths of the indicated red and near infrared (KBIR) range to the required depth with the required spatial resolution, having the required technical version containing ( fig. 2): 2.1 - branches, 2.2 - working end. 2.3 - branching unit for jaws, 2.4 - fiber optic groups and / or fiber optic bundle;
3 - блок контроля положения для позиционирования оптико-хирургического устройства относительно исследуемой биологической ткани, оснащенный датчиком силы или силомоментным датчиком 3.1 и датчиком перемещения 3.2 и имеющее узел крепления оптико-хирургического устройства 3.3;3 - position control unit for positioning the optical-surgical device relative to the biological tissue under study, equipped with a force sensor or force-torque sensor 3.1 and a displacement sensor 3.2 and having a attachment point for the optical-surgical device 3.3;
4 - блок управления структурными элементами 1-3 системы, включающий микроконтроллерный блок управления и цифровой обработки сигналов 4.1 и персональный компьютер с программным обеспечением и блоком отображения и хранения информации 4.2;4 - control unit for structural elements 1-3 of the system, including a microcontroller unit for control and digital signal processing 4.1 and a personal computer with software and a unit for displaying and storing information 4.2;
5 - исследуемая биологическая ткань;5 - investigated biological tissue;
6 - видеорегистратор для освещения и регистрации изображения операционного пространства, поверхности исследуемого объема биологической ткани.6 - video recorder for illumination and registration of the image of the operating space, the surface of the investigated volume of biological tissue.
Устройством, представленным на фиг. 1, управляет оператор (и/или врач).The device shown in FIG. 1 is operated by an operator (and / or physician).
Конструкция оптико-хирургического устройства 2 определяется медицинской задачей, типом доступа к исследуемому объему биологической ткани 5, размером операционного поля доступного для проведения зондирования, свойствами исследуемого объема биологической ткани (размерами, формой поверхности, биомеханическими и оптическими свойствами), необходимым количеством зондирующих длин волн КБИК диапазона, необходимой глубиной зондирования, необходимой чувствительностью и необходимым пространственным разрешением. Пример конструкции оптико-хирургического устройства для отражательной диффузионной спектроскопии и реализации функций системы представлен на фиг. 2, указанные позиции основных элементов расшифрованы выше. В литературных данных представлены также варианты выполнения оптических датчиков, которые могут быть модернизированы и использованы при реализации заявляемой системы [Utzinger U., Richards-Kortum R.R. Fiber optic probes for biomedical optical spectroscopy // Journal of Biomedical Optics. - 2003. - Vol. 8. - No. 1. - P. 121-147].The design of the optical-
Для интраоперационного обнаружения и распознавания нейроваскулярных структур в объеме биологической ткани оптико-хирургическим устройством 2 для отражательной диффузионной спектроскопии осуществляют подповерхностное зондирование исследуемого объема биологической ткани 5, например, опухолевой.For intraoperative detection and recognition of neurovascular structures in the volume of biological tissue, an optical-
Подповерхностное зондирование исследуемого объема биологической ткани 5 осуществляют на основе спектроскопического метода с временным разрешением на максимальную глубину не менее 5 мм, как минимум, первой длиной волны (λ1) и второй длиной волны (λ2), λ1 < λ2, из КБИК диапазона от 650 нм до 950 нм, таких, что обеспечиваются стандартные требования к выбору длин волн для отражательной диффузионной спектроскопии:Subsurface sounding of the investigated volume of
- глубина зондирования биоткани z при одинаковых расстояниях r между источниками и приемником на разных длинах волн не должна существенно различаться [Choi J.H., Wolf M., Toronov V., et al. Noninvasive determination of the optical properties of adult brain: near-infrared spectroscopy approach // Journal of Biomedical Optics. - 2004, vol. 9, No. 1, p. 221-229]:- the depth of sensing biological tissue z at the same distance r between the sources and the receiver at different wavelengths should not differ significantly [Choi J.H., Wolf M., Toronov V., et al. Noninvasive determination of the optical properties of adult brain: near-infrared spectroscopy approach // Journal of Biomedical Optics. - 2004, vol. 9, No. 1, p. 221-229]:
; ;
- физиологически значимые минимальные изменения [HbO2] и [HHb] должны быть различимы при измерениях, и погрешности определения [HbO2] и [HHb] должны быть минимальны при выбранных длинах волн с учетом шумовых характеристик используемого средства измерения. Рекомендуемые комбинации длин волн, применяемые в спектроскопии биотканей для диапазона 650 - 950 нм, приведены в [Scholkmann F., Kleiser S., Metz A. J., Zimmermann R., Pavia J. M., Wolf U., Wolf M. A review on continuous wave functional near-infrared spectroscopy and imaging instrumentation and methodology // NeuroImage. - 2014, vol. 85, Part 1, p. 6-27].- physiologically significant minimum changes in [HbO 2 ] and [HHb] should be distinguishable during measurements, and the errors in determination of [HbO 2 ] and [HHb] should be minimal at the selected wavelengths, taking into account the noise characteristics of the measuring instrument used. Recommended combinations of wavelengths used in spectroscopy of biological tissues for the range 650-950 nm are given in [Scholkmann F., Kleiser S., Metz AJ, Zimmermann R., Pavia JM, Wolf U., Wolf M. Review on continuous wave functional near-infrared spectroscopy and imaging instrumentation and methodology // NeuroImage. - 2014, vol. 85,
Указанным критериям при выборе двух длин волн, например, соответствуют 690±10 нм и 830±10 нм.The specified criteria when choosing two wavelengths, for example, correspond to 690 ± 10 nm and 830 ± 10 nm.
Подробно спектроскопический метод с временным разрешением и варианты его технической реализации в виде частотного (FD) или временного (TD) подходов рассмотрены, соответственно, в [Оптическая биомедицинская диагностика. В 2 т. Т. 1 / Пер. с англ. под ред. В. В. Тучина. - М.: Физматлит, 2007. - 560 с.; Wolf, M., Ferrari, M., Quaresima, V. Progress of near-infrared spectroscopy and topography for brain and muscle clinical applications // Journal of Biomedical Optics. - 2007, vol. 12, N 6, p. 062104 (1-14); Fantini S., Franceschini M.A., and Gratton E. Semi-infinite-geometry boundary problem for light migration in highly scattering media: a frequency-domain study in the diffusion approximation // Journal of Optical Society of America. - 1994. Vol. 11. N 10. p. 2128; Fantini, S., Franceschini, M.A., Maier, J.S., et.al. Frequency-domain multichannel optical detector for non-invasive tissue spectroscopy and oximetry // Optical engineering. - 1995, Vol. 34, No. 1, p.32-42; US6,216,021 B1] - для FD и [Оптическая биомедицинская диагностика. В 2 т. Т. 1 / Пер. с англ. под ред. В.В. Тучина. - М.: Физматлит, 2007. - 560 с.; Wolf, M., Ferrari, M., Quaresima, V. Progress of near-infrared spectroscopy and topography for brain and muscle clinical applications // Journal of Biomedical Optics. - 2007, vol. 12, N 6, p. 062104 (1-14); Torricelli, A., Contini, D., Pifferi, A., et.al. Time domain functional NIRS imaging for human brain mapping // NeuroImage. - 2014, Vol. 85, p. 28-50] - для TD.The spectroscopic method with time resolution and the options for its technical implementation in the form of frequency (FD) or time (TD) approaches are discussed in detail, respectively, in [Optical biomedical diagnostics. In 2 volumes.Vol. 1 / Per. from English ed. V.V. Tuchin. - M .: Fizmatlit, 2007 .-- 560 p .; Wolf, M., Ferrari, M., Quaresima, V. Progress of near-infrared spectroscopy and topography for brain and muscle clinical applications // Journal of Biomedical Optics. - 2007, vol. 12, No. 6, p. 062104 (1-14); Fantini S., Franceschini M.A., and Gratton E. Semi-infinite-geometry boundary problem for light migration in highly scattering media: a frequency-domain study in the diffusion approximation // Journal of Optical Society of America. - 1994. Vol. 11.N 10.p. 2128; Fantini, S., Franceschini, M.A., Maier, J.S., et.al. Frequency-domain multichannel optical detector for non-invasive tissue spectroscopy and oximetry // Optical engineering. - 1995, Vol. 34, No. 1, p. 32-42; US6,216,021 B1] - for FD and [Optical Biomedical Diagnostics. In 2 volumes.Vol. 1 / Per. from English ed. V.V. Tuchina. - M .: Fizmatlit, 2007 .-- 560 p .; Wolf, M., Ferrari, M., Quaresima, V. Progress of near-infrared spectroscopy and topography for brain and muscle clinical applications // Journal of Biomedical Optics. - 2007, vol. 12, No. 6, p. 062104 (1-14); Torricelli, A., Contini, D., Pifferi, A., et.al. Time domain functional NIRS imaging for human brain mapping // NeuroImage. - 2014, Vol. 85, p. 28-50] - for TD.
Перед применением оптико-хирургического устройства, в зависимости от технической реализации способа, может потребоваться калибровка датчика в соответствии с инструкцией по эксплуатации спектрометра в условиях необходимого уровня засветки операционного поля, допустимого для реализации предлагаемого способа, и на блоках с известными оптическими свойствами, близкими к оптическим свойствам исследуемого объема биологической ткани, как, например, для тканей головного мозга, μa ~ 0,1 (см-1) и μs' ~ 10 (см-1). Допустимый уровень засветки зависит от конструкции оптико-хирургического устройства, условий калибровки, типа приемника диффузно рассеянного в обратном направлении излучения, аппаратно-программной реализации способа.Before using the optical-surgical device, depending on the technical implementation of the method, it may be necessary to calibrate the sensor in accordance with the operating instructions for the spectrometer under conditions of the required illumination level of the operating field, acceptable for the implementation of the proposed method, and on blocks with known optical properties close to optical properties of the investigated volume of biological tissue, such as for brain tissue, μ a ~ 0.1 (cm -1 ) and μ s ' ~ 10 (cm -1 ). The permissible level of illumination depends on the design of the optical-surgical device, the calibration conditions, the type of the receiver for radiation diffusely scattered in the opposite direction, and the hardware-software implementation of the method.
В процессе зондирования исследуемого объема биологической ткани 5 регистрируют параметры обратно рассеянного излучения, соответствующие спектроскопическому методу с временным разрешением, с частотой дискретизации не менее 20 Гц. Для частотного подхода такими параметрами являются средний уровень интенсивности, амплитуда модуляции и сдвиг фаз регистрируемого модулированного сигнала по отношению к опорному сигналу [Оптическая биомедицинская диагностика. В 2 т. Т. 1 / Пер. с англ. под ред. В. В. Тучина. - М.: Физматлит, 2007. - 560 с.; Wolf, M., Ferrari, M., Quaresima, V. Progress of near-infrared spectroscopy and topography for brain and muscle clinical applications // Journal of Biomedical Optics. - 2007, vol. 12, N 6, p. 062104 (1-14); Fantini S., Franceschini M.A., and Gratton E. Semi-infinite-geometry boundary problem for light migration in highly scattering media: a frequency-domain study in the diffusion approximation // Journal of Optical Society of America. - 1994. Vol. 11. N 10. p. 2128; Fantini, S., Franceschini, M.A., Maier, J.S., et.al. Frequency-domain multichannel optical detector for non-invasive tissue spectroscopy and oximetry // Optical engineering. - 1995, Vol. 34, No. 1, p. 32-42; US 6,216,021 B1]. Определяют значения оптических параметров, как минимум, для двух длин волн КБИК диапазона: коэффициентов поглощения для первой длины волны μa(λ1) и для второй длины волны μa(λ2), λ1 < λ2, с поправкой на содержание воды в единице объема биологической ткани (5), и коэффициентов транспортного рассеяния μs'(λ1) для первой длины волны и μs'(λ2) для второй длины волны, допуская, что основными поглотителями излучения КБИК диапазона в исследуемом объеме биологической ткани являются вода, оксигенированный и дезоксигенированный гемоглобин. Определение оптических параметров осуществляют спектрометром (1) с временным разрешением, например, с фазово-модуляционным частотным режимом (frequency domain, FD), как в ”OxiplexTS“ (ISS, Inc., США), со специализированным программным обеспечением, как, например, “OxiTS”, реализующим расчет оптических параметров, коэффициентов поглощения μa(λ1) и μa(λ2) и транспортных коэффициентов рассеяния μs'(λ1) и μs'(λ2), по параметрам обратно рассеянного излучения и известным из литературы уравнениям [Оптическая биомедицинская диагностика. В 2 т. Т. 1 / Пер. с англ. под ред. В.В. Тучина. - М.: Физматлит, 2007. - 560 с.; Fantini S., Franceschini M.A., and Gratton E. Semi-infinite-geometry boundary problem for light migration in highly scattering media: a frequency-domain study in the diffusion approximation // Journal of Optical Society of America. - 1994. Vol. 11. N 10. p. 2128; Fantini, S., Franceschini, M.A., Maier, J.S., et.al. Frequency-domain multichannel optical detector for non-invasive tissue spectroscopy and oximetry // Optical engineering. - 1995, Vol. 34, No. 1, p. 32-42; US6,216,021 B1]. Дополнительные примеры спектрометров, реализующих подход с временным разрешением, приведены в [Оптическая биомедицинская диагностика. В 2 т. Т. 1 / Пер. с англ. под ред. В.В. Тучина. - М.: Физматлит, 2007. - 560 с.; Wolf, M., Ferrari, M., Quaresima, V. Progress of near-infrared spectroscopy and topography for brain and muscle clinical applications // Journal of Biomedical Optics. - 2007, vol. 12, N 6, p. 062104 (1-14); Torricelli, A., Contini, D., Pifferi, A., et.al. Time domain functional NIRS imaging for human brain mapping // NeuroImage. - 2014, Vol. 85, p. 28-50; Spichtig S., Hornung R., Brown D.W., Haensse D., and Wolf M. Multifrequency frequency-domain spectrometer for tissue analysis // Review of scientific instruments. - 2009, Vol. 80, p. 024301(1-7)]. Перечень спектрометров, обеспечивающих измерение абсолютных значений оптических параметров μa и μs', как минимум, на двух длинах волн, представлен в [Wolf, M., Ferrari, M., Quaresima, V. Progress of near-infrared spectroscopy and topography for brain and muscle clinical applications // Journal of Biomedical Optics. - 2007, vol. 12, N 6, p. 062104 (1-14)].In the process of probing the investigated volume of
На основании указанных оптических параметров в блоке управления и обработки (4) оценивают производный параметр (Ds) в виде отношения и по известным соотношениям, представленным в [Сафонова Л.П., Орлова В.Г., Шкарубо А.Н. Исследование нейроваскулярных структур с помощью фазово-модуляционной спектрофотометрии [Электронный ресурс]/ //Оптика и спектроскопия. - 2019. -том 126. №6. - С. 822-833. (DOI: 10.21883/OS.2019.06.47778.58-19). Версия на английском языке: Safonova L.P., Orlova V.G., Shkarubo A.N. The neurovascular structures research by phase modulation spectrophotometry // Optics and Spectroscopy, 2019, Vol. 126, No. 6, pp. 745-757 (https://rdcu.be/bM7sz); Оптическая биомедицинская диагностика. В 2 т. Т. 1 / Пер. с англ. под ред. В. В. Тучина. - М.: Физматлит, 2007. - 560 с.], рассчитывают физиологические параметры, такие как концентрации оксигенированного гемоглобина ([HbO2]), дезоксигенированного гемоглобина ([HHb]) и общего гемоглобина ([tHb] = [HbO2] + [HHb]) в единице исследуемого объема биологической ткани и тканевая сатурация (StO2 = 100*[HbO2] / [tHb]).Based on the indicated optical parameters in the control and processing unit (4), the derived parameter (D s ) is estimated in the form of the ratio and according to the known ratios presented in [Safonov LP, Orlova VG, Shkarubo AN. Study of neurovascular structures using phase-modulation spectrophotometry [Electronic resource] / // Optics and Spectroscopy. - 2019. -vol. 126. No. 6. - S. 822-833. (DOI: 10.21883 / OS.2019.06.47778.58-19). English version: Safonova LP, Orlova VG, Shkarubo AN The neurovascular structures research by phase modulation spectrophotometry // Optics and Spectroscopy, 2019, Vol. 126, No. 6, pp. 745-757 (https://rdcu.be/bM7sz); Optical biomedical diagnostics. In 2 volumes.Vol. 1 / Per. from English ed. V.V. Tuchin. - M .: Fizmatlit, 2007. - 560 p.], Calculate the physiological parameters, such as the concentration of oxygenated hemoglobin ([HbO 2 ]), deoxygenated hemoglobin ([HHb]) and total hemoglobin ([tHb] = [HbO 2 ] + [HHb]) per unit of the investigated volume of biological tissue and tissue saturation (S t O 2 = 100 * [HbO 2 ] / [tHb]).
Регистрацию и расчет параметров выполняют в автоматизированном режиме посредством программного обеспечения, установленного на персональном компьютере, как, например, “OxiTS” для спектрометра ”OxiplexTS“.Registration and calculation of parameters is carried out in an automated mode by means of software installed on a personal computer, such as, for example, “OxiTS” for the “OxiplexTS” spectrometer.
В общем случае применения не менее двух длин зондирующих волн λi, i=1,2,…,n, физиологические параметры оценивают по измеренным коэффициентам поглощения:In the general case of using at least two probing wavelengths λ i , i = 1,2, ..., n, physiological parameters are evaluated by the measured absorption coefficients:
, (1) , (1)
где - молярные коэффициенты экстинкции, мкМ-1⋅ см-1; - соответствующие концентрации, мкМ=мкмоль/л, основных учитываемых биологических хромофоров: воды, оксигенированного (HbO2) и дезоксигенированного (HHb) гемоглобина, липидов и др. В случае двух зондирующих длин волн λ1 и λ2, λ1 < λ2, предполагают процент водонасыщения исследуемого объема биологической ткани (70-80%), пренебрегают вкладом липидов, если λ2 < 900 нм, и на основании соотношения (1) по измеренным значениям μa с поправкой на содержание воды оценивают [HbO2] и [HHb], [tHb]=[HbO2]+[HHb] и StO2=([HbO2]/[tHb])⋅100%. Применение трех и более зондирующих длин волн позволяет повысить точность оценки физиологических параметров [tHb] и StO2, но существенно повышает сложность и стоимость технической реализации. Ошибка при учете концентрации воды в диапазоне водонасыщения ткани от 70 до 80% не превышает десятых долей процента, в широком диапазоне водонасыщения от 50 до 90% максимальная ошибка - менее 2%.where - molar extinction coefficients, μM -1 ⋅ cm -1 ; - appropriate concentration, M = mol / l, basic accounted biological chromophores: water, oxygenated (HbO 2) and deoxygenated (HHb) hemoglobin, lipids, etc. In the case of two probe wavelengths λ 1 and λ 2, λ 1 <λ 2. , assume the percentage of water saturation of the investigated volume of biological tissue (70-80%), neglect the contribution of lipids, if λ 2 <900 nm, and based on relationship (1), according to the measured values of μ a corrected for the water content, [HbO 2 ] and [ HHb], [tHb] = [HbO 2 ] + [HHb] and S t O 2 = ([HbO 2 ] / [tHb]) 100%. The use of three or more probing wavelengths makes it possible to increase the accuracy of evaluating the physiological parameters [tHb] and S t O 2 , but significantly increases the complexity and cost of technical implementation. The error when taking into account the concentration of water in the range of tissue water saturation from 70 to 80% does not exceed tenths of a percent, in a wide range of water saturation from 50 to 90% the maximum error is less than 2%.
Производный параметр Ds, см-1/мкм, играет ключевую роль в обнаружении крупных сосудов и нервов. При наличии измеренных значений μs' на трех и более длинах волн Ds оценивают как тангенс угла линейного наклона аппроксимирующей зависимости μs'(λ) в силу специфики уменьшения μs' биологических тканей с увеличением λ [Оптическая биомедицинская диагностика. В 2 т. Т. 1 / Пер. с англ. под ред. В.В. Тучина. - М.: Физматлит, 2007. - 560 с.; Jacques S. L. Topical Review. Optical properties of biological tissues: a review // Phys. Med. Biol. - 2013, Vol. 58, p. R37-R61].Derived parameter D s , cm -1 / μm, plays a key role in the detection of large vessels and nerves. In the presence of measured values of μ s ' at three or more wavelengths, D s is estimated as the tangent of the linear slope of the approximating dependence μ s ' (λ) due to the specific decrease in μ s ' of biological tissues with increasing λ [Optical biomedical diagnostics. In 2 volumes.Vol. 1 / Per. from English ed. V.V. Tuchina. - M .: Fizmatlit, 2007 .-- 560 p .; Jacques SL Topical Review. Optical properties of biological tissues: a review // Phys. Med. Biol. - 2013, Vol. 58, p. R37-R61].
Для крупного кровеносного сосуда в исследуемом объеме биологической ткани Δμs' > 0 или Ds > 0, что определяется существенным отличием значений фактора анизотропии большинства мягких биологических тканей (мышечной, тканей мозга и др.), находящихся в диапазоне от 0,7 до 0,95 от значений фактора анизотропии для цельной крови 0,997-0,999, и изменением характера распространения зондирующего излучения в исследуемом объеме биологической ткани [Оптическая биомедицинская диагностика. В 2 т. Т. 1 / Пер. с англ. под ред. В. В. Тучина. - М.: Физматлит, 2007. - 560 с.].For a large blood vessel in the studied volume of biological tissue, Δμ s '> 0 or D s > 0, which is determined by a significant difference in the values of the anisotropy factor of most soft biological tissues (muscle, brain tissue, etc.), which are in the range from 0.7 to 0 , 95 from the values of the anisotropy factor for whole blood 0.997-0.999, and a change in the nature of the propagation of probing radiation in the investigated volume of biological tissue [Optical biomedical diagnostics. In 2 volumes.Vol. 1 / Per. from English ed. V.V. Tuchin. - M .: Fizmatlit, 2007. - 560 p.].
Используемые для обнаружения и распознавания нейроваскулярных структур по соответствующим критериям значения параметров Ds, StO2 и [tHb] определяют усреднением за период регистрации не менее 15 с. The values of the parameters D s , S t O 2 and [tHb] used for the detection and recognition of neurovascular structures according to the appropriate criteria are determined by averaging over a registration period of at least 15 s.
Методы кратно-масштабного анализа применяют к регистрируемому сигналу интенсивности обратно рассеянного излучения, например, к среднему уровню или амплитуде модуляции в случае применения спектроскопии с частотным режимом, ко всем реализуемым с помощью оптико-хирургического устройства длинам волн и расстояниям от излучателей до приемника. Выполняют вейвлет-декомпозицию сигнала и последующий Фурье-анализ выделенных частотных составляющих [Крупаткин А.И., Сидоров В.В. Функциональная диагностика состояния микроциркуляторно-тканевых систем: Колебания, информация, нелинейность. Изд. 2-е. - М.: ЛЕНАНД, 2016. - 496, C. 167-229] с выделением максимальных пиков, соответствующих пульсовому (0,8-3,0 Гц) и дыхательному (0,2-0,4 Гц) диапазонам.Methods of multiple-scale analysis are applied to the recorded signal of the intensity of backscattered radiation, for example, to the average level or amplitude of modulation in the case of using spectroscopy with a frequency mode, to all wavelengths and distances from the emitters to the receiver realized using an optical-surgical device. Wavelet decomposition of the signal and subsequent Fourier analysis of the selected frequency components are performed [Krupatkin A.I., Sidorov V.V. Functional diagnostics of the state of microcirculatory-tissue systems: Fluctuations, information, nonlinearity. Ed. 2nd. - M .: LENAND, 2016. - 496, C. 167-229] with the allocation of the maximum peaks corresponding to the pulse (0.8-3.0 Hz) and respiratory (0.2-0.4 Hz) ranges.
Таким образом формируют характеристику наличия или отсутствия выраженных пульсовых колебаний, наличия или отсутствия дыхательных колебаний в исследуемом объеме биологической ткани и определяют амплитуды пульсовых (Ап) и дыхательных (Ад) колебаний, и их отношение Ап/д = Ап/Ад. Определяют вектор формы (), представляющий собой набор значений, характеризующих форму пульсовой волны, соответствующую крупному или малому артериальному сосуду , крупному венозному сосуду , или функциональной тканевой единице в размерах исследуемого объема биологической ткани . В одном из вариантов осуществления изобретения вектор формы пульсовых колебаний определяют тремя переменными {N, AvCork, DIm}i,j , гдеThus, a characteristic of the presence or absence of pronounced pulse oscillations, the presence or absence of respiratory oscillations in the investigated volume of biological tissue is formed, and the amplitudes of pulse (Ap) and respiratory (Ap) oscillations are determined, and their ratio Ap / d = Ap / Ar. Define a vector of the form ( ), which is a set of values characterizing the pulse waveform corresponding to a large or small arterial vessel , a large venous vessel , or a functional tissue unit in the size of the investigated volume of biological tissue ... In one embodiment, the pulse waveform vector are determined by three variables {N, AvCor k , DI m } i, j , where
N - количество компонент фурье-спектра автокорреляционной функции пульсовой составляющей регистрируемой интенсивности обратно рассеянного излучения, амплитуда которых не менее 0,2 отн.ед.;N is the number of components of the Fourier spectrum of the autocorrelation function of the pulse component of the recorded intensity of backscattered radiation, the amplitude of which is not less than 0.2 rel. Units;
AvCork, k = 1…N - амплитуды этих компонент фурье-спектра автокорреляционной функции;AvCor k , k = 1 ... N are the amplitudes of these components of the Fourier spectrum of the autocorrelation function;
- среднее за период регистрации абсолютное значение локальных минимумов производной пульсовой составляющей регистрируемой интенсивности обратно рассеянного излучения по времени с шагом 0,2±0,003 с. - the average over the registration period the absolute value of the local minima of the derivative of the pulse component of the recorded intensity of backscattered radiation in time with a step of 0.2 ± 0.003 s.
При этом форму пульсовой волны определяют как соответствующую функциональной тканевой единице исследуемой биологической ткани в размерах исследуемого объема при получении следующих значений вектора формы:In this case, the shape of the pulse wave is determined as corresponding to the functional tissue unit of the investigated biological tissue in the dimensions of the investigated volume when the following values of the shape vector are obtained:
= : N = 1; 0,6 ≤ AvCor1 ≤ 1; ; = : N = 1; 0.6 ≤ AvCor 1 ≤ 1; ;
- как соответствующую крупной артерии в исследуемом объеме биологической ткани при получении следующих значений вектора формы:- as corresponding to a large artery in the investigated volume of biological tissue when obtaining the following values of the shape vector:
= : N = 1; 0,6 ≤ AvCor1 ≤ 1; DIm > 4DIm0; = : N = 1; 0.6 ≤ AvCor 1 ≤ 1; DI m > 4DIm 0 ;
- как соответствующую крупной вене в исследуемом объеме биологической ткани при получении следующих значений вектора формы:- as corresponding to a large vein in the investigated volume of biological tissue when the following values of the shape vector are obtained:
= : N = 1 или N = 2; AvCork < 0,6, k = 1...N; DIm < DIm0, = : N = 1 or N = 2; AvCor k <0.6, k = 1 ... N; DI m <DIm 0 ,
где DIm0 - пороговое значение DIm, определяемое для функциональной тканевой единицы в размерах исследуемого объема биологической ткани.where DI m0 is the threshold value of DI m , determined for a functional tissue unit in the size of the investigated volume of biological tissue.
Формы пульсовой волны, соответствующие крупной артерии, малой артерии и вынужденным пульсовым колебаниям венозного объема крови при выраженной дикротической фазе и удвоении частоты колебаний или слабо выраженным вынужденным пульсовым колебаниям микроциркуляторного объема крови, могут быть определены качественно в соответствии с публикациями [Физиология человека. В 3-х томах. Т. 2. Пер. с англ./ Под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. - М.: Мир, 1996. - С. 556-559, 626-639; Лелюк В.Г., Лелюк С.Э. Церебральное кровообращение и артериальное давление. - М.: Реальное время, 2004. - 304 с.].The pulse waveforms corresponding to a large artery, a small artery and forced pulse fluctuations of the venous blood volume with a pronounced dicrotic phase and doubling of the oscillation frequency or weakly expressed forced pulse fluctuations of the microcirculatory blood volume can be determined qualitatively in accordance with the publications [Human Physiology. In 3 volumes. T. 2. Per. from English / Ed. R. Schmidt and G. Tevs. - M .: Mir, 1996. - S. 556-559, 626-639; Lelyuk V.G., Lelyuk S.E. Cerebral circulation and blood pressure. - M .: Realnoe Vremya, 2004. - 304 p.].
В одном из вариантов осуществления изобретения определяют локальную амплитуду пульсовых колебаний концентрации общего гемоглобина (Δ[tHb]п) для каждой подгруппы источников и соответствующего расстояния (r) от приемника, как минимум, по двум длинам волн из указанного диапазона. При этом Δ[tHb]п определяют по регистрируемым сигналам интенсивности обратно рассеянного излучения I(λi) с использованием известных соотношений: модифицированного закона Бугера-Ламберта-Бера [Оптическая биомедицинская диагностика. В 2 т. Т. 1 / Пер. с англ. под ред. В.В. Тучина. - М.: Физматлит, 2007. - 560 с.], выражения для суммарного коэффициента поглощения на каждой длине волны с учетом соответствующего количества анализируемых хромофоров, расчетной формулы для дифференциального фактора длины (DPF) на основе измеряемых в статическом режиме для соответствующей группы излучателей оптических параметров μa(λi) и μs'(λi) и формул для определения концентраций оксигенированного и дезоксигенированного гемоглобина по μa(λi):In one embodiment of the invention, the local amplitude of the pulse fluctuations in the total hemoglobin concentration (Δ [tHb] p ) is determined for each subgroup of sources and the corresponding distance (r) from the receiver, at least two wavelengths from the specified range. In this case, Δ [tHb] p is determined by the recorded signals of the intensity of backscattered radiation I (λ i ) using the known relations: modified Bouguer-Lambert-Beer law [Optical biomedical diagnostics. In 2 volumes.Vol. 1 / Per. from English ed. V.V. Tuchina. - M .: Fizmatlit, 2007. - 560 p.], Expressions for the total absorption coefficient at each wavelength, taking into account the corresponding number of analyzed chromophores, the calculation formula for the differential length factor (DPF) based on those measured in static mode for the corresponding group of optical emitters parameters μ a (λ i ) and μ s ' (λ i ) and formulas for determining the concentrations of oxygenated and deoxygenated hemoglobin by μ a (λ i ):
, ,
где и соответственно максимальное и минимальное значение интенсивности обратно рассеянного излучения, соответствующее пульсовому изменению.where and respectively, the maximum and minimum value of the intensity of the backscattered radiation corresponding to the pulse change.
При этом перечисленные параметры измеряют в статическом режиме, при котором давление оптико-хирургического устройства P на поверхность исследуемого объема биологической ткани составляет P ≤ 0,2 мм рт.ст.In this case, the listed parameters are measured in a static mode, in which the pressure of the opto-surgical device P on the surface of the investigated volume of biological tissue is P ≤ 0.2 mm Hg.
Вывод о наличии определенных нейроваскулярных структур делают по получению следующих совокупностей измеренных параметров:The conclusion about the presence of certain neurovascular structures is made by obtaining the following sets of measured parameters:
- при {Ds > 0; [tHb] > [tHb]0; StO2 > (StO2)0; Ап/д > (Ап/д)0; =; Δ[tHb]п > (Δ[tHb]п)0} (1) - о наличии в исследуемом объеме биологической ткани крупной артерии;- for {D s >0;[tHb]> [tHb] 0 ; S t O 2 > (S t O 2 ) 0 ; A / d> (A / d) 0 ; = ; Δ [tHb] n > (Δ [tHb] n ) 0 } (1) - about the presence of a large artery in the studied volume of biological tissue;
- при {Ds > 0; [tHb] > [tHb]0; StO2 ≤ (StO2)0 или StO2 > (StO2)0; Ап/д < (Ап/д)0; =; Δ[tHb]п ≤ (Δ[tHb]п)0} (2) - о наличии в исследуемом объеме биологической ткани крупной вены;- for {D s >0;[tHb]> [tHb] 0 ; S t O 2 ≤ (S t O 2 ) 0 or S t O 2 > (S t O 2 ) 0 ; A / d <(A / d) 0 ; = ; Δ [tHb] n ≤ (Δ [tHb] n ) 0 } (2) - about the presence of a large vein in the studied volume of biological tissue;
- при {Ds0 < Ds < 0; [tHb] ≤ [tHb]0; StO2 ≤ (StO2)0; Ап/д ≤ (Ап/д)0; =; Δ[tHb]п < (Δ[tHb]п)0} (3) - о наличии в исследуемом объеме биологической ткани нерва диаметром от 1,5 мм и более;- for {D s0 <D s <0; [tHb] ≤ [tHb] 0 ; S t O 2 ≤ (S t O 2 ) 0 ; A / d ≤ (A / d) 0 ; = ; Δ [tHb] n <(Δ [tHb] n ) 0 } (3) - on the presence of a nerve with a diameter of 1.5 mm or more in the studied volume of biological tissue;
- при {Ds ≤ Ds0; [tHb] ≥ [tHb]0; StO2 ≥ (StO2)0; Ап/д ≥ (Ап/д)0; =; Δ[tHb]п ≥ (Δ[tHb]п)0} (4) - о наличии в исследуемом объеме биологической ткани, по меньшей мере, одной малой артерии;- for {D s ≤ D s0 ; [tHb] ≥ [tHb] 0 ; S t O 2 ≥ (S t O 2 ) 0 ; A / d ≥ (A / d) 0 ; = ; Δ [tHb] n ≥ (Δ [tHb] n ) 0 } (4) - the presence of at least one small artery in the investigated volume of biological tissue;
- при { Ds0 < Ds < 0; [tHb] > [tHb]0; StO2 ≥ (StO2)0; Ап/д > (Ап/д)0; =; Δ[tHb]п > (Δ[tHb]п)0} (5) - о наличии в исследуемом объеме биологической ткани части крупной артерии, когда объем цельной крови сосуда в исследуемом объеме биологической ткани не приводит к изменениям Δμs'(λ) > 0;- for {D s0 <D s <0;[tHb]> [tHb] 0 ; S t O 2 ≥ (S t O 2 ) 0 ; A / d> (A / d) 0 ; = ; Δ [tHb] p > (Δ [tHb] p ) 0 } (5) - about the presence in the investigated volume of biological tissue of a part of a large artery, when the volume of whole blood of the vessel in the investigated volume of biological tissue does not lead to changes in Δμ s ' (λ) >0;
- при { Ds0 ≤ Ds < 0; [tHb] > [tHb]0; StO2 ≤ (StO2)0; Ап/д ≤ (Ап/д)0; =; Δ[tHb]п ≤ (Δ[tHb]п)0} (6) - о наличии в исследуемом объеме биологической ткани, по меньшей мере, одной малой вены,- for {D s0 ≤ D s <0;[tHb]> [tHb] 0 ; S t O 2 ≤ (S t O 2 ) 0 ; A / d ≤ (A / d) 0 ; = ; Δ [tHb] p ≤ (Δ [tHb] p ) 0 } (6) - about the presence of at least one small vein in the studied volume of biological tissue,
где [tHb]0, Ds0, (StO2)0, (Ап/д)0, (Δ[tHb]п)0 - пороговые значения упомянутых параметров, измеренные для функциональной тканевой единицы в размерах исследуемого объема биологической ткани,where [tHb] 0 , D s0 , (S t O 2 ) 0 , (A / d) 0 , (Δ [tHb] p ) 0 are the threshold values of the above parameters, measured for a functional tissue unit in the dimensions of the investigated volume of biological tissue,
причем значения параметров Ds, [tHb] и StO2 определяют для каждой группы излучателей и соответствующего приемника.moreover, the values of the parameters D s , [tHb] and S t O 2 are determined for each group of emitters and the corresponding receiver.
Для распознавания нейроваскулярной структуры в исследуемом объеме биологической ткани необходимо и достаточно выполнения критериев для Ds, [tHb] и StO2 хотя бы для одной группы излучателей и соответствующего приемника и выполнения критериев для Ап/д, и Δ[tHb]п хотя бы для одной подгруппы излучателей этой группы.To recognize the neurovascular structure in the investigated volume of biological tissue, it is necessary and sufficient to fulfill the criteria for D s , [tHb] and S t O 2 for at least one group of emitters and the corresponding receiver and fulfill the criteria for A / d, and Δ [tHb] п for at least one subgroup of emitters of this group.
Величина Ds0 зависит от типа, состава и строения исследуемой биологической ткани, например, типа, состава и строения опухолевой ткани. Пороговое значение [tHb]0 для исследуемой ткани без нервов и крупных сосудов, оценивают по известным зависимостям [Сафонова Л.П., Орлова В.Г., Шкарубо А.Н. Исследование нейроваскулярных структур с помощью фазово-модуляционной спектрофотометрии [Электронный ресурс]//Оптика и спектроскопия. - 2019. -том 126. №6. - С. 822-833. (DOI: 10.21883/OS.2019.06.47778.58-19). Версия на английском языке: Safonova L.P., Orlova V.G., Shkarubo A.N. The neurovascular structures research by phase modulation spectrophotometry // Optics and Spectroscopy, 2019, Vol. 126, No. 6, pp. 745-757 (https://rdcu.be/bM7sz); Оптическая биомедицинская диагностика. В 2 т. Т. 1 / Пер. с англ. под ред. В.В. Тучина. - М.: Физматлит, 2007. - C. 468] через кровенаполнение или объемный кровоток, соответствующие физиологической норме или с учетом увеличенной перфузии биологической ткани, например, опухолевой, что выявляется на этапе предоперационной диагностики, например, с помощью рентгеновской компьютерной томографии. Значения параметров [tHb]0 и Ds0 < 0, соответствующие типу исследуемой биологической ткани по клеточному составу и структуре и характеру кровоснабжения на микроциркуляторном уровне, но без нейроваскулярных включений, можно оценивать по данным спектроскопических измерений с временным разрешением непосредственно в начале операции на исследуемой биологической ткани, например, подлежащей иссечению, и/или с привлечением априорной/предоперационной диагностической информации об исследуемой биологической ткани.The value of D s0 depends on the type, composition and structure of the biological tissue under study, for example, the type, composition and structure of tumor tissue. The threshold value [tHb] 0 for the tissue under study without nerves and large vessels is assessed by the known dependencies [Safonova LP, Orlova VG, Shkarubo AN. Study of neurovascular structures using phase-modulation spectrophotometry [Electronic resource] // Optics and Spectroscopy. - 2019. -vol. 126. No. 6. - S. 822-833. (DOI: 10.21883 / OS.2019.06.47778.58-19). English version: Safonova LP, Orlova VG, Shkarubo AN The neurovascular structures research by phase modulation spectrophotometry // Optics and Spectroscopy, 2019, Vol. 126, No. 6, pp. 745-757 (https://rdcu.be/bM7sz); Optical biomedical diagnostics. In 2 volumes.Vol. 1 / Per. from English ed. V.V. Tuchina. - M .: Fizmatlit, 2007. - P. 468] through blood filling or volumetric blood flow corresponding to the physiological norm or taking into account the increased perfusion of biological tissue, for example, tumor, which is detected at the stage of preoperative diagnosis, for example, using X-ray computed tomography. The values of the parameters [tHb] 0 and D s0 <0, corresponding to the type of biological tissue under study in terms of cellular composition and structure and the nature of blood supply at the microcirculatory level, but without neurovascular inclusions, can be estimated from the data of spectroscopic measurements with time resolution immediately at the beginning of the operation on the studied biological tissue, for example, to be excised, and / or with the involvement of a priori / preoperative diagnostic information about the biological tissue under study.
Наличие нерва в исследуемом объеме биологической ткани будет характеризоваться меньшими значениями [tHb] и StO2 по сравнению с аналогичными значениями типового объема ткани без нервов и крупных сосудов, что определяется характерным строением и молекулярным составом нерва, с высоким содержанием липидов (порядка 70%). При наличии нерва, Ds принимает значения Ds0 < Ds < 0 по сравнению с величиной Ds0 для исследуемой ткани, например, аденомы гипофиза, опухолевой ткани, структура жировой ткани характеризуется значениями Ds0 < 0, близкими к нулю.The presence of nerve in the volume of the biological tissue is characterized by small values [tHb] and StO 2 compared with the same values of typical volume of tissue without nerves and large vessels that determined by the characteristic structure and molecular nerve composition with a high content of lipids (about 70%). In the presence of a nerve, D s takes values D s0 <D s <0 in comparison with the value of D s0 for the studied tissue, for example, pituitary adenoma, tumor tissue, the structure of adipose tissue is characterized by D s0 <0 values close to zero.
Предлагаемые критерии обнаружения и распознавания нейроваскулярных структур в исследуемом объеме биологической ткани инвариантны к выбору подхода (временного или частотного) спектроскопического метода с временным разрешением и доступны для интерпретации и анализа, т.к. отражают физиологические процессы в исследуемом объеме биологической ткани.The proposed criteria for the detection and recognition of neurovascular structures in the investigated volume of biological tissue are invariant to the choice of the approach (time or frequency) spectroscopic method with time resolution and are available for interpretation and analysis, since reflect physiological processes in the investigated volume of biological tissue.
Систему осуществляют с автоматизированным контролем позиционирования и/или силы прижатия используемого оптико-хирургического устройства (2) к поверхности исследуемого объема биологической ткани (5), с помощью устройства позиционирования (3), оснащенного датчиками силы (3.1) и перемещения (3.2) и узлом крепления (3.3) оптико-хирургического устройства. Это происходит следующим образом. Оптико-хирургическое устройство вставляют и жестко закрепляют в узле крепления (3.3) блока позиционирования (3), в котором встроены датчики силы (3.1) и перемещения (3.2). Регистрация и отображение текущих значений силы и перемещения происходит с помощью блока управления (4) и соответствующего программного обеспечения. Примерами устройства позиционирования являются используемые в нейрохирургии устройства [Chan S., Conti F., Salisbury K., Blevins N.H. Virtual Reality Simulation in Neurosurgery: Technologies and Evolution // Neurosurgery. - 2013. - Vol. 72: A154-A164] или универсальные коллаборативные роботы типа настольных миниманипуляторов [Каталог промышленных роботов. Настольные минироботы [Электронный ресурс] Режим доступа: http://robotforum.ru/promyishlennyie-robotyi.html]. Датчики силы и перемещений (силомоментные датчики), используемые в подобных устройствах позиционирования [Силомоментные датчики. ForceKit от Weiss-Robotics. [Электронный ресурс] Режим доступа: http://ant-company.ru/catalog/forcesensor/forcekit/] применимы для реализации предлагаемой системы.The system is carried out with automated control of positioning and / or pressing force of the used optical-surgical device (2) to the surface of the investigated volume of biological tissue (5), using a positioning device (3) equipped with force sensors (3.1) and displacement (3.2) and a node attachments (3.3) of the opto-surgical device. It happens in the following way. The opto-surgical device is inserted and rigidly fixed in the attachment point (3.3) of the positioning unit (3), in which the force (3.1) and displacement (3.2) sensors are embedded. Registration and display of the current values of force and displacement occurs using the control unit (4) and the corresponding software. Examples of positioning devices are devices used in neurosurgery [Chan S., Conti F., Salisbury K., Blevins N.H. Virtual Reality Simulation in Neurosurgery: Technologies and Evolution // Neurosurgery. - 2013. - Vol. 72: A154-A164] or universal collaborative robots such as desktop mini-manipulators [Industrial robots catalog. Desktop minibots [Electronic resource] Access mode: http://robotforum.ru/promyishlennyie-robotyi.html]. Force and displacement sensors (force-torque sensors) used in similar positioning devices [Force-torque sensors. ForceKit from Weiss-Robotics. [Electronic resource] Access mode: http://ant-company.ru/catalog/forcesensor/forcekit/] are applicable for the implementation of the proposed system.
При этом определяют и контролируют зависимости силы прижатия (F) от перемещения оптико-хирургического устройства (x) и силы прижатия от времени (t) с частотой дискретизации не менее 20 Гц в двух режимах:At the same time, the dependence of the pressing force (F) on the movement of the optical-surgical device (x) and the pressing force on time (t) with a sampling frequency of at least 20 Hz in two modes is determined and controlled:
1) статическом, когда сила прижатия соответствует нулевому или минимальному давлению (P ≤ 0,2 мм рт.ст.) датчика на поверхность исследуемого объема биологической ткани с учетом площади поверхности контакта (S), или1) static, when the pressing force corresponds to zero or minimum pressure (P ≤ 0.2 mm Hg) of the sensor on the surface of the investigated volume of biological tissue, taking into account the contact surface area (S), or
2) динамическом, когда реализуют метод вдавливания оптико-хирургического устройства в исследуемый объем биологической ткани с заданной постоянной скоростью (VL ≤ 10 мм/мин) при изменении силы от 0 до Fmax, соответствующей максимально допустимому для исследуемой биологической ткани уровню давления (Pmax = Fmax/S, мм рт.ст.), или при двухэтапном изменении давления от 0 до 20 мм рт.ст. и от 20 мм рт.ст. до Pmax.2) dynamic, when the method of pressing the optical-surgical device into the investigated volume of biological tissue at a given constant speed (V L ≤ 10 mm / min) is implemented when the force changes from 0 to F max , corresponding to the maximum allowable pressure level for the biological tissue under study (P max = F max / S, mm Hg), or with a two-stage pressure change from 0 to 20 mm Hg. and from 20 mm Hg. up to P max .
В статическом режиме на основании спектроскопических измерений формируют и применяют расширенный набор критериев обнаружения и распознавания нейроваскулярных структур на основе параметров Ds, [tHb], StO2, Ап/д, и Δ[tHb]п.In the static mode, on the basis of spectroscopic measurements, an extended set of criteria for the detection and recognition of neurovascular structures is formed and applied based on the parameters D s , [tHb], S t O 2 , A / d, and Δ [tHb] p .
Затем выполняют двухэтапные измерения в динамическом режиме. На первом этапе осуществляют начальное нагружение, увеличивая силу прижатия оптико-хирургического устройства к поверхности исследуемого объема биологической ткани от 0 до 20 мм рт.ст. с заданной постоянной скоростью VL. При этом при выполнении критериев обнаружения венозного сосуда в статическом режиме и при наличии на первом этапе нагружения относительно резкого, более 25 %, уменьшения параметров μa(λi) и [tHb], отражающего снижение кровенаполнения исследуемого объема биологической ткани, и при прекращении дыхательных колебаний в регистрируемых сигналах дополнительно подтверждают наличие крупного венозного сосуда в исследуемом объеме биологической ткани.Then, two-stage measurements are performed in dynamic mode. At the first stage, the initial loading is carried out, increasing the pressing force of the optical-surgical device to the surface of the investigated volume of biological tissue from 0 to 20 mm Hg. with a given constant speed V L. At the same time, when the criteria for the detection of a venous vessel in a static mode are fulfilled and in the presence of a relatively sharp, more than 25%, decrease in the parameters μ a (λ i ) and [tHb] at the first stage of loading, reflecting a decrease in the blood filling of the studied volume of biological tissue, and when respiratory fluctuations in the recorded signals additionally confirm the presence of a large venous vessel in the investigated volume of biological tissue.
На втором этапе динамического режима проводят дальнейшее нагружение с заданной постоянной скоростью VL до максимально допустимого для исследуемой биологической ткани давления Pmax, где Pmax принимает значения от 70 мм рт.ст. для тканей головного мозга до 200 мм рт.ст. для тканей нижних конечностей, что определяется локализацией артериальных сосудов исследуемого объема биологической ткани по отношению к сердцу и величиной давления в них с учетом гидростатического давления [Лелюк В.Г., Лелюк С.Э. Церебральное кровообращение и артериальное давление. - М.: Реальное время, 2004. - 304 с.].At the second stage of the dynamic mode, further loading is carried out at a given constant speed V L up to the maximum allowable pressure P max for the studied biological tissue, where P max takes values from 70 mm Hg. for brain tissue up to 200 mm Hg for the tissues of the lower extremities, which is determined by the localization of arterial vessels of the investigated volume of biological tissue in relation to the heart and the magnitude of the pressure in them, taking into account the hydrostatic pressure [Lelyuk V.G., Lelyuk S.E. Cerebral circulation and blood pressure. - M .: Realnoe Vremya, 2004. - 304 p.].
Проводят регистрацию зависимостей силы прижатия (F) от перемещения оптико-хирургического устройства (x) и силы прижатия (F) от времени (t) с частотой дискретизации не менее 20 Гц, на основании которых выявляют наличие артериального сосуда на глубине, большей максимальной глубины зондирования в статическом режиме, а также оценивают величину сосуда по значению давления в сосуде. Вывод о наличии артериального сосуда на глубине, большей максимальной глубины зондирования в статическом режиме, делают при выявлении пульсовых колебаний силы F(t) с максимумом в диапазоне частот сердечных сокращений от 0,8 до 3,0 Гц с использованием методов кратно-масштабного анализа дискретных сигналов в реальном времени, включая метод оконного преобразования Фурье и вейвлет-преобразование. Значение давления (P) артериального сосуда определяют по формуле P = F/S , где F - значение силы прижатия оптико-хирургического устройства в момент времени tк, соответствующий концу пульсовых колебаний или Fmax, если пульсовые колебания не прекратились, S - площадь контакта оптико-хирургического устройства с поверхностью исследуемого объема биологической ткани. При получении значения 70≤P≤90 мм рт.ст. делают вывод о наличии малой артерии на глубине, большей максимальной глубины зондирования в статическом режиме; при получении P > 90 мм рт.ст. делают вывод о наличии крупной артерии на глубине, большей максимальной глубины зондирования в статическом режиме.The registration of the dependences of the pressing force (F) on the movement of the optical-surgical device (x) and the pressing force (F) on time (t) with a sampling frequency of at least 20 Hz is carried out, on the basis of which the presence of an arterial vessel is detected at a depth greater than the maximum sounding depth in a static mode, and also estimate the size of the vessel by the value of the pressure in the vessel. The conclusion about the presence of an arterial vessel at a depth greater than the maximum sounding depth in a static mode is made when detecting pulse fluctuations of the force F (t) with a maximum in the heart rate range from 0.8 to 3.0 Hz using methods of multiple-scale analysis of discrete signals in real time, including windowed Fourier transform and wavelet transform. The pressure value (P) of the arterial vessel is determined by the formula P = F / S, where F is the value of the pressing force of the optical-surgical device at time t to , corresponding to the end of the pulse oscillations or F max , if the pulse oscillations have not stopped, S is the contact area an optical-surgical device with the surface of the investigated volume of biological tissue. When receiving a value of 70≤P≤90 mm Hg. make a conclusion about the presence of a small artery at a depth greater than the maximum sounding depth in a static mode; when receiving P> 90 mm Hg. conclude that there is a large artery at a depth greater than the maximum sounding depth in static mode.
При уменьшении на первом и втором этапах двухэтапного динамического режима параметров μa(λi) и [tHb], характеризующих кровенаполнение исследуемого объема биологической ткани, менее чем на 25% по сравнению со значениями, полученными в статическом режиме, для всех групп источников, дополнительно подтверждают отсутствие в исследуемой области биологической ткани крупных сосудов. With a decrease in the parameters μ a (λ i ) and [tHb] at the first and second stages of the two-stage dynamic regime, which characterize the blood filling of the studied volume of biological tissue, by less than 25% compared to the values obtained in the static regime for all groups of sources, in addition confirm the absence of large vessels in the study area of biological tissue.
Одной из наиболее простых конструкций рабочего торца (Фиг. 2, а, б) оптико-хирургического устройства 2, удовлетворяющей условию повышения равномерности зондирования по сравнению с прототипом, является секторный вариант с одним приемником и восемью источниками (Фиг. 3, Фиг. 4, в), реализующий два линейных варианта минимальной конфигурации - по два расстояния от приемника до подгрупп излучателей и по две длины волны из КБИК диапазона в каждой подгруппе. В сомкнутом состоянии датчик имеет минимальные габариты для ввода в операционное поле (Фиг. 2, а, Фиг. 4, а), в рабочем состоянии с разведенными браншами (Фиг. 4, б) обеспечивает необходимую глубину зондирования исследуемого объема. Допустимый диапазон углов раскрытия браншей определяется конструкцией оптико-хирургического устройства с требуемым доступом к операционному полю с учетом размеров операционного пространства. Угол раскрытия определяет величину зондируемого объема биологической ткани.One of the simplest designs of the working end (Fig. 2, a, b) of the optical-
Отдельный линейный вариант размещения приемников и источника на торце оптико-хирургического устройства, соответствующий прототипу [Сафонова Л.П., Орлова В.Г., Шкарубо А.Н. Исследование нейроваскулярных структур с помощью фазово-модуляционной спектрофотометрии [Электронный ресурс]/ //Оптика и спектроскопия. - 2019. - том 126. №6. - С. 822-833. (DOI: 10.21883/OS.2019.06.47778.58-19). Версия на английском языке: Safonova L.P., Orlova V.G., Shkarubo A.N. The neurovascular structures research by phase modulation spectrophotometry // Optics and Spectroscopy, 2019, Vol. 126, No. 6, pp. 745-757 (https://rdcu.be/bM7sz)], не обеспечивает равномерности зондирования исследуемого объема и не реализуем для эндоскопической трансназальной нейрохирургии ввиду использования датчика с большими габаритными размерами, в два с половиной раза превышающими допустимые, например, для эндоназальной нейрохирургии, где максимальный поперечный диаметр не превышает 6 мм, и отсутствием возможности использования раздвижных браншей с источниками и приемниками оптического излучения.A separate linear version of the placement of the receivers and the source at the end of the optical-surgical device, corresponding to the prototype [Safonova LP, Orlova VG, Shkarubo AN. Study of neurovascular structures using phase-modulation spectrophotometry [Electronic resource] / // Optics and Spectroscopy. - 2019. - Volume 126. No. 6. - S. 822-833. (DOI: 10.21883 / OS.2019.06.47778.58-19). English version: Safonova L.P., Orlova V.G., Shkarubo A.N. The neurovascular structures research by phase modulation spectrophotometry // Optics and Spectroscopy, 2019, Vol. 126, No. 6, pp. 745-757 (https://rdcu.be/bM7sz)], does not ensure the uniformity of probing of the investigated volume and is not feasible for endoscopic transnasal neurosurgery due to the use of a sensor with large dimensions, two and a half times exceeding the permissible ones, for example, for endonasal neurosurgery , where the maximum transverse diameter does not exceed 6 mm, and the lack of the possibility of using sliding jaws with sources and receivers of optical radiation.
Более сложные варианты конструкций рабочего торца оптико-хирургического устройства представлены на Фиг. 5, где равномерность зондирования обеспечивается увеличением количества источников (Фиг. 5, а) и/или приемников (Фиг. 5, б), наличием линейки приемников (Фиг. 5, в) или увеличением количества раздвижных браншей (Фиг. 5, г). Распределенные, а не точечные, источники с равномерной засветкой исследуемого объема не обеспечивают пространственного разрешения и пространственной чувствительности к нейроваскулярным структурам в исследуемом объеме.More complex variants of the design of the working end of the optical-surgical device are presented in Fig. 5, where the sounding uniformity is provided by an increase in the number of sources (Fig. 5, a) and / or receivers (Fig. 5, b), the presence of a line of receivers (Fig. 5, c) or an increase in the number of sliding jaws (Fig. 5, d) ... Distributed rather than point sources with uniform illumination of the investigated volume do not provide spatial resolution and spatial sensitivity to neurovascular structures in the investigated volume.
Инвариантность способа к расположению нейроваскулярных структур при их наличии в исследуемом объеме биологический ткани обеспечивают за счет подповерхностного картирования исследуемого объема, предполагающего распределение по поверхности рабочего торца оптико-хирургического устройства (2) источников зондирующего излучения используемых длин волн КБИК диапазона и приемников обратно рассеянного в биологической ткани излучения для повышения или обеспечения равномерности зондирования исследуемого объема и пространственной чувствительности к нейроваскулярным структурам, максимально возможными для используемой технической реализации метода КБИК спектроскопии с временным разрешением с определенным количеством источников длин волн λi , i=1…N, N≥2 и требуемым количеством подгрупп излучателей с расстояниями rj, j=1…M, M≥2, от приемника, обеспечивающими максимальную глубину зондирования, не менее 5 мм, для каждой группы излучателей.The invariance of the method to the location of neurovascular structures, if they are present in the investigated volume of biological tissue, is ensured by subsurface mapping of the investigated volume, which assumes the distribution over the surface of the working end of the optical-surgical device (2) of the sources of probing radiation of the used wavelengths of the CIRC range and receivers of the backscattered in biological tissue radiation to increase or ensure the uniformity of probing of the investigated volume and spatial sensitivity to neurovascular structures, the maximum possible for the used technical implementation of the KBIR spectroscopy method with time resolution with a certain number of sources of wavelengths λ i , i = 1 ... N, N≥2 and the required number of subgroups emitters with distances r j , j = 1 ... M, M≥2, from the receiver, providing the maximum sounding depth, not less than 5 mm, for each group of emitters.
Примеры схем расположения групп и подгрупп излучателей относительно приемника приведены на фиг. 3 и фиг. 5.Examples of layouts of groups and subgroups of emitters relative to the receiver are shown in Fig. 3 and FIG. 5.
Пространственное разрешение и чувствительность системы определяются величиной минимально необходимого для реализации спектроскопического метода с временным разрешением [Оптическая биомедицинская диагностика. В 2 т. Т. 1 / Пер. с англ. под ред. В.В. Тучина. - М.: Физматлит, 2007. - 560 с., Гл. 3, Гл. 7] исследуемого объема биологической ткани, обеспечиваемого при расстояниях от излучателей до приемника не менее 5 мм, и количеством каналов измерения спектрометра.The spatial resolution and sensitivity of the system are determined by the value of the minimum required for the implementation of the spectroscopic method with time resolution [Optical biomedical diagnostics. In 2 volumes.Vol. 1 / Per. from English ed. V.V. Tuchina. - M .: Fizmatlit, 2007 .-- 560 p., Ch. 3, Ch. 7] of the investigated volume of biological tissue, provided at a distance from the emitters to the receiver of at least 5 mm, and the number of measurement channels of the spectrometer.
Кроме того, заявляемая система позволяет контролировать наличие возможного спазмирования крупных артерий и степень ишемизации кровоснабжаемых ими биологических тканей по отклонениям контролируемых физиологических параметров от их начальных значений, регистрируемых интраоперационно, в сторону выраженной гипоксии тканей, StO2 < (StO2)0, и сниженного кровотока [tHb] < [tHb]0. Для этого тем же устройством (2) для отражательной диффузионной спектроскопии с необходимой периодичностью мониторируют в статическом режиме участки органа или ткани, подлежащие контролю на предмет возможной ишемизации вследствие спазмирования артериальных сосудов исследуемого объема или кровоснабжающей их магистральной артерии, снижения локального кровотока и тканевой сатурации до критического уровня и ниже. Регистрируемые значения StO2 и [tHb] не должны быть меньше критических для биологических тканей значений: StO2 ≤ 55%, что определяется соотношением между поставкой кислорода кровью, адекватной потреблению кислорода в тканях [Физиология человека. В 3-х томах. Т.2. Пер. с англ./ Под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. - М.: Мир, 1996. - С. 556-559, 626-639]; критическое значение [tHb] определяется допустимым для исследуемой ткани уровнем кровотока, для оценки можно использовать известные соотношения [Оптическая биомедицинская диагностика. В 2 т. Т. 1 / Пер. с англ. под ред. В.В. Тучина. - М.: Физматлит, 2007. - 560 с.; Физиология человека. В 3-х томах. Т. 2. Пер. с англ. / Под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. - М.: Мир, 1996. - С. 556-559, 626-639].In addition, the claimed system allows you to control the presence of possible spasm of large arteries and the degree of ischemia of the biological tissues supplied by them by deviations of the controlled physiological parameters from their initial values recorded intraoperatively towards pronounced tissue hypoxia, S t O 2 <(S t O 2 ) 0 , and decreased blood flow [tHb] <[tHb] 0 . For this, the same device (2) for reflection diffusion spectroscopy with the required frequency monitors in a static mode the areas of an organ or tissue to be monitored for possible ischemia due to spasm of arterial vessels of the studied volume or the main artery supplying them, a decrease in local blood flow and tissue saturation to critical level and below. The recorded values of S t O 2 and [tHb] should not be less than the critical values for biological tissues: S t O 2 ≤ 55%, which is determined by the ratio between the supply of oxygen by the blood, adequate to the consumption of oxygen in the tissues [Human physiology. In 3 volumes. T.2. Per. from English / Ed. R. Schmidt and G. Tevs. - M .: Mir, 1996. - S. 556-559, 626-639]; the critical value [tHb] is determined by the level of blood flow that is acceptable for the tissue under study; for the assessment, you can use the well-known ratios [Optical biomedical diagnostics. In 2 volumes.Vol. 1 / Per. from English ed. V.V. Tuchina. - M .: Fizmatlit, 2007 .-- 560 p .; Human physiology. In 3 volumes. T. 2. Per. from English / Ed. R. Schmidt and G. Tevs. - M .: Mir, 1996. - S. 556-559, 626-639].
При реализации способа с количеством длин волн больше двух предпочтитетльно выполнение следующих условий: 1) как минимум две из применяемых длин волн должны соответствовать критерию λ1 < 806 нм и λ2 > 806 нм при выполнении указанных выше требований к глубине зондирования и точности оценки определяемых концентраций биологических хромофоров; 2) λ3 = (930±5) нм, что соответствует спектральному пику поглощения липидов, оценка концентрации которых будет дополнительным критерием для обнаружения и распознавания нервов; 3) одна из длин волн может быть выбрана из диапазона 900-950 нм, дополнительно к λ3~930 нм, что позволит количественно оценивать концентрацию воды в исследуемом объеме биологической ткани, повысить точность определения концентраций оксигенированного и дезоксигенированного гемоглобина, липидов, воды и других определяемых хромофоров (например, цитохром-оксидазы, коллагена, миоглобина и др.) в зависимости от практического применения способа и общего количества используемых длин волн, отличных от указанных; 4) остальные длины волн могут быть выбираны из диапазона 650-950 отличными от уже выбранных.When implementing the method with the number of wavelengths more than two, it is preferable to fulfill the following conditions: 1) at least two of the applied wavelengths must meet the criterion λ 1 <806 nm and λ 2 > 806 nm if the above requirements for the sounding depth and the accuracy of the determination of the determined concentrations are met biological chromophores; 2) λ 3 = (930 ± 5) nm, which corresponds to the spectral absorption peak of lipids, the assessment of the concentration of which will be an additional criterion for the detection and recognition of nerves; 3) one of the wavelengths can be selected from the range of 900-950 nm, in addition to λ 3 ~ 930 nm, which will allow to quantify the concentration of water in the investigated volume of biological tissue, improve the accuracy of determining the concentrations of oxygenated and deoxygenated hemoglobin, lipids, water and others detectable chromophores (for example, cytochrome oxidase, collagen, myoglobin, etc.) depending on the practical application of the method and the total number of used wavelengths other than those indicated; 4) other wavelengths can be selected from the range 650-950 different from those already selected.
Возможность использования разработанной системы, а также достижение технического результата, продемонстрировано на представленных ниже данных.The possibility of using the developed system, as well as the achievement of the technical result, is demonstrated in the data presented below.
Исследования нейроваскулярных структур проводились с помощью спектрофотометрического прибора «OxiplexTS» (ISS, Inc., USA) с двухволновым (692 нм и 834 нм) фазово-модуляционным режимом измерений (FD-режим) (Фиг. 7) с использованием минимальной секторной конфигурации макета оптико-хирургического устройства диаметром 12 мм и рабочими расстояниями от излучателей до приемника 6 мм и 9 мм, изготовленного ООО «НТЦ Волоконно-оптических устройств» (г. Москва, РФ).Studies of neurovascular structures were carried out using a spectrophotometric device "OxiplexTS" (ISS, Inc., USA) with a two-wavelength (692 nm and 834 nm) phase-modulation measurement mode (FD-mode) (Fig. 7) using the minimum sector configuration of the optical -surgical device with a diameter of 12 mm and a working distance from the emitters to the receiver of 6 mm and 9 mm, manufactured by LLC STC Fiber Optic Devices (Moscow, RF).
С целью обнаружения и распознавания крупных венозных и артериальных сосудов исследовались in vivo области с различной анатомией сосудистого русла и нервов на руке и предплечье добровольцев (Фиг. 8, а). Для кожных покровов и мягких мышечных тканей руки максимальная сила прижатия Fmax не превышает 10 Н.In order to detect and recognize large venous and arterial vessels, areas with different anatomy of the vascular bed and nerves on the arm and forearm of volunteers were examined in vivo (Fig. 8, a). For the skin and soft muscle tissues of the hand, the maximum pressing force F max does not exceed 10 N.
Для верификации полученных результатов при распознавании крупных сосудов одновременно со спектроскопией применялся метод ультразвуковой допплерографии сосудов. Верификация наличия нерва в исследуемом объеме применялась ультразвуковая визуализация исследуемой конечности.To verify the results obtained in the recognition of large vessels, the method of ultrasound Doppler ultrasonography of vessels was used simultaneously with spectroscopy. Verification of the presence of a nerve in the investigated volume was performed using ultrasound imaging of the investigated limb.
Автоматизированный контроль перемещений оптико-хирургического устройства и силы прижатия осуществлялся с помощью силомоментной установки «Инстрон» (Фиг. 7, б) при одномоментной регистрации данных спектроскопии с помощью «OxiplexTS» (Фиг.7, в) на руке и предплечье испытуемого.Automated control of the movements of the opto-surgical device and the pressing force was carried out using the Instron force-moment unit (Fig. 7, b) with simultaneous registration of spectroscopic data using the OxiplexTS (Fig. 7, c) on the subject's arm and forearm.
Результаты применения кратно-масштабного анализа, вейвлет преобразования и спектрального фурье-анализа для выделения и анализа пульсовой и дыхательной компонент в сигналах интенсивности обратно рассеянного излучения, регистрируемых для отдельных источников, представлены на Фиг. 9.The results of the application of multiple-scale analysis, wavelet transform and spectral Fourier analysis to isolate and analyze the pulse and respiratory components in the backscattered radiation intensity signals recorded for individual sources are shown in Fig. nine.
Примеры анализа формы пульсовых колебаний и определения соответствующих векторов формы представлены в Таблице 1.Examples of pulse waveform analysis and determination of the corresponding waveform vectors are presented in Table 1.
Работоспособность, значимость и эффективность введенного комплекса показателей и критериев обнаружения и распознавания артерий, вен и нервов подтверждают результаты исследований, представленные в Таблице 1. Примеры распознавания приведены для предлагаемого способа в сравнении с прототипом. Пороговые значения соответствуют функциональной тканевой единице исследуемого объема ткани наружной поверхности середины предплечья. Расширение вектора признаков параметрами , и Δ[tHb]п позволяет, в отличие от прототипа, распознавать малые артерии и вены и наличие малого объема крови крупной артерии в исследуемом объеме биологической ткани, а также состояние спазмирования артерий в исследуемом объеме или спазмирования питающей магистральной артерии.The performance, significance and effectiveness of the introduced set of indicators and criteria for the detection and recognition of arteries, veins and nerves are confirmed by the research results presented in Table 1. Examples of recognition are given for the proposed method in comparison with the prototype. The threshold values correspond to the functional tissue unit of the investigated tissue volume of the outer surface of the middle of the forearm. Expansion of the feature vector with parameters , and Δ [tHb] n allows, in contrast to the prototype, to recognize small arteries and veins and the presence of a small blood volume of a large artery in the investigated volume of biological tissue, as well as the state of spasm of arteries in the investigated volume or spasm of the supplying main artery.
Эффективность контроля перемещений и силы прижатия в процессе динамического режима измерений демонстрируют результаты, представленные на Фиг. 10. Для исследуемой области с крупным венозным сосудом, локтевой веной (диаметром более 2 мм) на этапе статических измерений условие Ds < 0 не выполнялось. На первом этапе динамического режима измерений, при нагружении от 0 до 20 мм рт.ст. обнаруживается наличие крупной вены с малым давлением в сосуде (менее 20 мм рт.ст.), о чем свидетельствует и уменьшение параметров μa(692), μa(834) и [tHb], характеризующих кровенаполнение исследуемого объема биологической ткани, более чем на 25% от значений в статическом режиме измерений. На втором этапе нагружения в динамическом режиме обнаруживается наличие крупной артерии - локтевой - в исследуемой области, что подтверждается появлением пульсаций силы прижатия F(t), сохраняющихся до Fmax, что соответствует давлению в сосуде более 90 мм рт.ст. При этом изменения μs'(834) и μs'(692) соответствовали Ds > 0.The effectiveness of the control of displacements and the pressing force in the process of a dynamic measurement mode is demonstrated by the results presented in Fig. 10. For the investigated area with a large venous vessel, an ulnar vein (with a diameter of more than 2 mm) at the stage of static measurements, the condition D s <0 was not fulfilled. At the first stage of the dynamic measurement mode, under loading from 0 to 20 mm Hg. the presence of a large vein with a low pressure in the vessel (less than 20 mm Hg) is detected, as evidenced by a decrease in the parameters μ a (692), μ a (834) and [tHb], characterizing the blood filling of the studied volume of biological tissue, more than by 25% of the values in the static measurement mode. At the second stage of loading in the dynamic mode, the presence of a large artery - ulnar - in the area under study is detected, which is confirmed by the appearance of pulsations of the pressing force F (t), which persist up to F max , which corresponds to a pressure in the vessel of more than 90 mm Hg. In this case, the changes in μ s '(834) and μ s ' (692) corresponded to D s > 0.
Повышение чувствительности секторного оптико-хирургического устройства к локальным неоднородностям исследуемого объема биологической ткани по сравнению с линейным датчиком прототипа подтверждается разной локальной динамикой (пульсовой и дыхательной) для излучателей разных подгрупп и результатами измерений, проводимых на неоднородных фантомах биологических тканей с включениями, имитирующими крупные сосуды по оптическим параметрам.An increase in the sensitivity of a sectoral opto-surgical device to local inhomogeneities of the investigated volume of biological tissue in comparison with the linear sensor of the prototype is confirmed by different local dynamics (pulse and respiratory) for emitters of different subgroups and by the results of measurements carried out on inhomogeneous phantoms of biological tissues with inclusions imitating large vessels according to optical parameters.
Таким образом, проведенные исследования продемонстрировали возможность осуществления изобретения с достижением заявляемого результата.Thus, the conducted studies have demonstrated the possibility of implementing the invention with the achievement of the claimed result.
Claims (37)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021113660A RU2758868C1 (en) | 2021-05-13 | 2021-05-13 | System for intraoperative detection and recognition of neurovascular structures in the volume of biological tissue |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021113660A RU2758868C1 (en) | 2021-05-13 | 2021-05-13 | System for intraoperative detection and recognition of neurovascular structures in the volume of biological tissue |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2758868C1 true RU2758868C1 (en) | 2021-11-02 |
Family
ID=78466530
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021113660A RU2758868C1 (en) | 2021-05-13 | 2021-05-13 | System for intraoperative detection and recognition of neurovascular structures in the volume of biological tissue |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2758868C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU211213U1 (en) * | 2022-02-08 | 2022-05-25 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования "Российская медицинская академия непрерывного профессионального образования" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБОУ ДПО РМАНПО Минздрава России) | Device for photometric examination of the intestine |
| CN116189247A (en) * | 2022-10-09 | 2023-05-30 | 浙江大学 | A multi-modal identity authentication system and authentication method based on multiple pulse waves and veins |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2661029C1 (en) * | 2017-03-17 | 2018-07-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Медицинские видеосистемы" (ООО "МедВис") | Fluorescent navigation device for neurosurgery |
| WO2019023584A1 (en) * | 2017-07-27 | 2019-01-31 | Cornell University | Fixation and retention of extracellular vesicles |
-
2021
- 2021-05-13 RU RU2021113660A patent/RU2758868C1/en active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2661029C1 (en) * | 2017-03-17 | 2018-07-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Медицинские видеосистемы" (ООО "МедВис") | Fluorescent navigation device for neurosurgery |
| WO2019023584A1 (en) * | 2017-07-27 | 2019-01-31 | Cornell University | Fixation and retention of extracellular vesicles |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| Utzinger U. et al. Fiber optic probes for biomedical optical spectroscopy. Journal of Biomedical Optics. 2003, volume 8, number 1, pp. 121-147. * |
| Valdes P. A. et al. Optical technologies for intraoperative neurosurgical guidance. Neurosurg Focus. 2016, 40 (3), E8. * |
| Возможности спектрофотометрии для обнаружения и распознавания нейроваскулярных структур / Л.П. Сафонова и др. // Медицинская техника. - 2018. - Том 52. * |
| Сафонова Л.П. Исследование нейроваскулярных структур с помощью фазово-модуляционной спектрофотометрии. Оптика и спектроскопия. 2019, том 126, номер 6, стр. 822-833. * |
| Сафонова Л.П. Исследование нейроваскулярных структур с помощью фазово-модуляционной спектрофотометрии. Оптика и спектроскопия. 2019, том 126, номер 6, стр. 822-833. Возможности спектрофотометрии для обнаружения и распознавания нейроваскулярных структур / Л.П. Сафонова и др. // Медицинская техника. - 2018. - Том 52. Valdes P. A. et al. Optical technologies for intraoperative neurosurgical guidance. Neurosurg Focus. 2016, 40 (3), E8. Utzinger U. et al. Fiber optic probes for biomedical optical spectroscopy. Journal of Biomedical Optics. 2003, volume 8, number 1, pp. 121-147. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU211213U1 (en) * | 2022-02-08 | 2022-05-25 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования "Российская медицинская академия непрерывного профессионального образования" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБОУ ДПО РМАНПО Минздрава России) | Device for photometric examination of the intestine |
| CN116189247A (en) * | 2022-10-09 | 2023-05-30 | 浙江大学 | A multi-modal identity authentication system and authentication method based on multiple pulse waves and veins |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11033207B2 (en) | Dynamic optical tomographic imaging devices methods and systems | |
| Franceschini et al. | Noninvasive measurement of neuronal activity with near-infrared optical imaging | |
| JP5749164B2 (en) | Quantitative multispectral photoacoustic tomography of tissue biomarkers | |
| JP2011528923A5 (en) | ||
| CA2481518A1 (en) | A system and method for quantifying the dynamic response of a target system | |
| Dremin et al. | Laser Doppler flowmetry in blood and lymph monitoring, technical aspects and analysis | |
| US20240268717A1 (en) | Ultrasound-guided optoacoustic monitoring of oxygen saturation | |
| Liu et al. | Toward wearable healthcare: a miniaturized 3d imager with coherent frequency-domain photoacoustics | |
| US20240130709A1 (en) | Sequential adaptor for combined ultrasound and optoacoustic diagnostic interrogation of the left innominate vein | |
| RU2758868C1 (en) | System for intraoperative detection and recognition of neurovascular structures in the volume of biological tissue | |
| Safonova et al. | Investigation of neurovascular structures using phase-modulation spectrophotometry | |
| RU2736307C1 (en) | Method for intraoperative detection and recognition of neurovascular structures in the volume of biological tissue | |
| Petrov et al. | Transmission (forward) mode, transcranial, noninvasive optoacoustic measurements for brain monitoring, imaging, and sensing | |
| Manwar et al. | Cerebral blood oxygenation measurement in sheep brain in-vivo using transfontanelle photoacoustic spectroscopy | |
| US11883236B2 (en) | Methods and systems for detecting sub-tissue anomalies | |
| Petrov et al. | Noninvasive optoacoustic monitoring of cerebral venous blood oxygenation in newborns | |
| Petrov et al. | Optoacoustic mapping of cerebral blood oxygenation in humans | |
| Sdobnov et al. | Dynamic light scattering imaging: foundations of non-invasive blood flow imaging | |
| Lara et al. | Tumor assessment system using high frequency ultrasound and photoacoustic imaging: system development | |
| Porfirieva et al. | Features of the use of esCCO technology for the diagnosis of human condition | |
| Petrov et al. | Simultaneous measurements of total hemoglobin concentration and blood oxygenation with laser diode-based optoacoustic system | |
| Xie et al. | Investigation of the Effect of Compression Pressure in Contact OCT Imaging on the Measurement of Epidermis Thickness | |
| RU2767895C1 (en) | Optical-surgical device for detection and recognition of neurovascular structures in the volume of biological tissue | |
| Liu et al. | Photoacoustic Imaging Tools for Neurological Applications | |
| Sekmeneva et al. | Optically Probed Local Tissue Hemodynamics Depending on a Vascular Structures |