RU2804287C2 - Способ регистрации и обработки данных оптической биопсии в динамическом режиме - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к медицинской технике и информационно-компьютерным технологиям для медицинской диагностики, в частности к оптическим методам диагностики онкологических заболеваний, конкретно к способам анализа состояния биологических тканей по спектрам диффузного рассеяния и поглощения в широком спектральном диапазоне, спектрам флуоресценции и комбинационного рассеяния. Способ регистрации и обработки данных оптической биопсии в динамическом режиме заключается в постепенном введении в тело пациента иглы оптического зонда для освещения локального участка ткани и передачи отраженного излучения в спектрометрическую систему посредством оптоволоконной связи одновременно с регистрацией текущего положения кончика иглы и силы давления, оказываемого иглой на ткань. Показания датчиков положения и силы используют для автоматической фильтрации и корректировки наблюдаемых спектров в режиме реального времени. С помощью датчика положения определяют значение моментальной скорости, которое совместно с показанием датчика силы используют для коррекции приводящего усилия моторизованного ввода иглы в тело пациента. В трехмерной системе координат используемым устройством визуального контроля определяют текущее положение кончика иглы и производят корректировку направления ввода. Достигается повышение точности и надежности оптической диагностики за счет корректировки результатов при анализе спектров с использованием показаний датчиков положения и силы для компенсации искажений, вносимых неравномерностью движения и давлением иглы оптического зонда на ткань. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к области медицинской техники и информационно-компьютерным технологиям для медицинской диагностики, в частности, к оптическим методам диагностики онкологических заболеваний, конкретно, к способам анализа состояния биологических тканей по спектрам диффузного рассеяния и поглощения в широком спектральном диапазоне, спектрам флуоресценции и комбинационного рассеяния.

Изобретение может применяться при осуществлении оптическим зондом функции навигации для рутинной процедуры биопсии (аспирационной, вакуумной, core- и др.) и при использовании оптической биопсии в качестве самостоятельного средства для диагностики онкологических заболеваний in vivo, в режиме реального времени. С его помощью можно повысить точность исследований кислородного статуса опухоли и степени кровенасыщенности тканей.

Изобретение может быть использовано при проведении исследований на различных органах: молочная железа, щитовидная железа, легкие, печень, простата и др. -во всех случаях, когда показана традиционная биопсия. Применение на различных органах требует минимальной адаптации оборудования, например, изменение длины и диаметра игл, в которых находится оптоволокно, доставляющее свет от источника к исследуемому участку ткани и собирающее отраженное излучение. Для изучения труднодоступных новообразований возможно объединение устройства оптической биопсии с эндоскопическим или лапараскопическим оборудованием.

Несмотря на достигнутый прогресс, своевременная и надежная диагностика новообразований остается одной из актуальных задач онкологии. Анализ спектров диффузного рассеяния и поглощения, спектров флуоресценции и комбинационного рассеяния в биологических тканях позволяет отследить изменения в химическом составе и структуре ткани при развитии патологии.

Известен способ оптического зондирования биоткани, основанный на процессе флюоресценции, описанный в патенте RU 2529629 C1 (публик. 27.09.2014) "Устройство для биопсии паренхиматозных органов с одновременным спектроскопическим контролем". В данном устройстве в качестве источника освещения используют He-Ne лазер с длиной волны 632,8 нм, запускающий флюоресценцию на максимуме 695-705 нм. Устройство позволяет за одну процедуру выполнять пункцию в нескольких положениях кончика канюли. Навигационная функция обеспечивается предварительным введением в тело пациента фотосенсибилизатора. Благодаря тому, что здоровая ткань, граница и тело опухоли по-разному накапливают опухлевый маркер, границы новообразования могут быть определены по интенсивности флюоресцентного сигнала, связанной с локальной концентрацией фотосенсибилизатора.

Недостатком устройства, на наш взгляд, является отсутствие количественных данных о местоположении кончика канюли, что снижает точность описания структуры опухоли. Кроме того, отдельное от анализа рассеивающих и поглощающих свойств биоткани использование процесса флуоресценции может дать существенное искажение наблюдаемых спектров.

Близкое решение предложено в патенте RU 2709830 C1 (публик. 23.12.2019) "Устройство флуоресцентно-отражательной спектроскопии для диагностики очаговых и диффузных новообразований при проведении тонкоигольной пункционно-аспирационной биопсии". Описано устройство, позволяющее получать спектры диффузного рассеяния и флюоресценции при поочередном включении широкополосного источника света с диапазоном длин волн 360-2400 нм, лазерного излучателя с длиной волны 450 нм и светодиода с длиной волны 365 нм. При этом не указано, в каком интервале длин волн регистрируется спектр рассеянного излучения. Устройство предназначено для оптической диагностики локальной зоны и обеспечивает возможность получения образца ткани методом тонкоигольной биопсии.

Недостаток данного решения связан с локальностью измерений, что не обеспечивает сбора достаточного количества информации, чтобы повысить надежность диагностики.

В международной публикации WO 2006/116163 А2 "Ultrasound guided tissue measurement system" автор предлагает проводить процедуру оптической биопсии под контролем УЗИ. В настоящее время это является общепринятой практикой. Современные 3D и 4D аппараты УЗИ дают качественное изображение тканей и траектории движения иглы зонда на заданной глубине. Многие из них оснащены специальными насадками для биопсийных инструментов и алгоритмами расчета углов для направления иглы в исследуемую область. Однако, быстродействие аппаратов УЗИ (~1 кадр в секунду) и точность определения координат кончика иглы по изображению (не более десятых долей миллиметра) не дает достаточной точности для позиционной привязки спектров. В этом же патенте автор упоминает возможность моторизованного ввода иглы с заданной скоростью. Очевидно, это подходит не для всех органов и конкретных медицинских случаев, и зона интереса, вообще говоря, может смещаться в ходе процедуры, например, из-за дыхания пациента. Кроме того, заданная скорость иглы не может быть выдержана в среде с переменной плотностью. Воплощение этой идеи требует обратной связи, которая в данном случае состоит в непрерывном контроле координаты и силы давления кончика иглы на ткань и коррекции направления и скорости перемещения иглы в течении всей процедуры.

Похожее решение было предложено в патенте RU 2544457 C2 (публик. 20.03.2015) "Оптический зонд с коррекцией посредством обратной связи". Недостатком данного решения является отсутствие датчика силы, что уменьшает точность компенсации спектральных искажений, связанных с давлением иглы зонда на ткань, и точность коррекции управляющего напряжения на устройстве автоматической подачи иглы.

В патенте RU 2535605 C2 (20.12.2014) "Повторная калибровка предварительно записанных изображений во время вмешательства с использованием игольчатого устройства" описан способ диагностики, при котором на этапе предварительного обследования снимается трехмерное изображение исследуемого объема ткани с высоким пространственным разрешением (рентген, МРТ). Далее, в ходе процедуры оптической биопсии, проводящейся под контролем устройства с более низким разрешением, но позволяющем контролировать положение иглы внутри тела в динамике (рентген, УЗИ), записываются оптические данные и трехмерная траектория движения иглы. На этапе постобработки полученные динамические данные накладывают на исходное изображение, позволяя сопоставить спектральную информацию с визуализированными особенностями зоны интереса: крупные сосуды, близость кости и т.д., которые могут вносить искажения в наблюдаемые спектры.

Недостатком этого решения, также как и предыдущего является отсутствие датчика силы, что не позволяет правильно учесть деформацию спектров за счет колебаний давления иглы при изменении плотности ткани.

В работе [Effects of probe contact pressure on in vivo optical spectroscopy, Yalin Ti and Wei-Chiang Lin, Department of Biomedical Engineering, Florida International University, Miami, Florida 33199, USA, OPTICS EXPRESS, Vol. 16, No. 6, p. 4250] приведены результаты исследований, доказавшие искажение наблюдаемых оптических спектров при механическом давлении на ткань, при котором происходит временное локальное увеличение плотности и отток крови с последующим изменением метаболизма.

В исследовании, описанном в [Gregory М. Palmer, Hengtao Zhang, Chen-Ting Lee, Husam Mikati, Joseph A. Herbert, Marlee Krieger, Jesko von Windheim, Dave Koester, Daniel Stevenson, Daniel J. Rocke, Ramon Esclamado, Alaatin Erkanli, Nirmala Ramanujam, Mark W. Dewhirst, Walter T. Lee, Assessing effects of pressure on tumor and normal tissue physiology using an automated self-calibrated, pressure sensing probe for diffuse reflectance spectroscopy, Journal of Biomedical Optics 23(5), 057004 (May 2018)], также наблюдалось существенное влияние случайного неконтролируемого увеличения давления на наблюдаемые параметры биоткани, особенно на насыщение гемоглобином, что говорит о нарушении кровотока. Это обстоятельство может существенно влиять на результаты диагностики и прогностики, где гипоксия является важным показателем патологии и отклика на проводимую терапию. Отличием описанного в этой статье метода и оборудования является неинвазивный способ диагностики, основанный на прямом контакте оптоволоконного зонда с исследуемым участком ткани, что с практической точки зрения применимо для определения границ опухоли в ходе операционного вмешательства для ее удаления. Предлагаемый в данном патенте способ регистрации данных подразумевает динамический характер процедуры: непрерывный сбор информации в ходе плавного продвижения иглы зонда от точки ввода в тело пациента до зоны патологии.

Наиболее близкое решение, выбранное в качестве прототипа, представлено в описании к заявке на изобретение US 2010/0292582 А1 (публик. 18.11.2010) «Зонд для биоткани с контролем скорости». Описан способ получения и обработки оптических спектров биоткани с помощью игольчатого зонда со сменными одноразовыми иглами. Для исследования локального участка ткани свет от источника по оптоволокну подается на кончик иглы, несколько других рядом расположенных оптоволокон передают излучение, отраженное от биоткани, в измерительный блок. Полученная спектральная информация используется для определения типа и состояние изучаемой ткани. Для каждого спектрального измерения фиксируются показания датчика положения, отслеживающего перемещения кончика иглы и датчика силы, контролирующего давление кончика иглы на ткань. Запись данных ведется по мере продвижения иглы зонда от точки ввода до подозрительного участка ткани, позволяя таким образом исследовать протяженные области.

В материалах заявки приведены рисунки рукоятки зонда, в которой расположены датчики положения и силы. Указывается, что датчик силы может зафиксировать резкую смену плотности ткани, что часто имеет место на границе опухоли.

Однако, в патенте нет указания на то, что изменение давления иглы зонда на ткань приводит к искажению наблюдаемых спектров и должно, таким образом, учитываться в алгоритмах корректировки спектров. Особо отмечается, что трудность контроля скорости введения иглы накладывает ограничения на достоверность получаемых данных. В качестве средства контроля скорости предлагается снабдить рукоятку зонда шок-адсорбером - устройством, ограничивающим максимальное значение скорости перемещения иглы для заданного значения приложенной силы.

Недостатком прототипа является то, что при анализе спектров не производится корректировка результатов с использованием показаний датчиков положения и силы для компенсации искажений, вносимых неравномерностью движения и давлением иглы оптического зонда на ткань, что уменьшает достоверность диагностики.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности и надежности оптической диагностики.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом способе получения и обработки данных оптической биопсии в динамическом режиме при постепенном введении в тело пациента иглы оптического зонда для освещения локального участка ткани и передачи отраженного излучения в спектрометрическую систему посредством оптоволоконной связи одновременно проводится регистрация текущего положения кончика иглы и силы давления, оказываемого иглой на ткань, при этом новизной метода является то, что показания датчиков силы и положения используются для автоматической фильтрации и корректировки наблюдаемых спектров в режиме реального времени с целью устранения искажений, вносимых неравномерностью ввода иглы и давлением, оказываемым кончиком иглы на ткань.

В заявляемом способе анализируется не только локальная площадка, но и вся последовательность тканей, через которую проходит игла оптического зонда при выполнении процедуры. Перемещение иглы проводится под контролем аппарата УЗИ или другого средства визуализации.

При проведении оптической биопсии под визуальным контролем (например, УЗИ, рентгенография) возможно разработать алгоритмы комплексного анализа всей получаемой информации, привязывающие траекторию движения кончика иглы к 3D образу исследуемого участка тела для сопоставления наблюдаемых спектров с картами плотности, кровотока, химического состава и т.д.

При применении моторизованного ввода иглы в тело пациента в трехмерной системе координат, связанной с используемым устройством визуального контроля, определяют текущее положение кончика иглы и производят корректировку направления ввода и приводящего усилия, используя точное значение моментальной скорости, которое вычисляют с помощью показаний датчика положения, совместно с текущим показанием датчика силы.

В заявляемом способе показания датчиков положения и силы используют для автоматической фильтрации и корректировки наблюдаемых спектров в режиме реального времени с целью устранения искажений, вносимых неравномерностью движения и давлением иглы оптического зонда на ткань. Показания датчика положения и вычисленные по ним значения локальной скорости движения зонда используют для автоматической фильтрации собираемой спектральной информации, что повышает точность и надежность оптической диагностики.

Для пояснения заявляемого способа с помощью фиг. 1-4 проиллюстрирован принцип работы устройства оптической биопсии на основе регистрации спектров диффузного рассеяния и поглощения. На фиг. 1 представлен эскиз устройства оптической биопсии со встроенным аппаратом УЗИ для визуального контроля. На фиг. 2 показан срез иглы, содержащей в данном случае 4 оптоволоконных жилы, где:

1 - срез иглы;

2 - оптоволоконная жила.

Принципиальная схема функционирования устройства приведена на фиг. 3.

Устройство состоит из широкополосного источника света, измерительной системы и уникального зонда с одноразовыми иглами, содержащими оптоволокно. По одному из них свет от источника доставляется к исследуемому участку ткани, по другим отраженное излучение передается в спектрометрический блок. На фиг. 4 схематически изображен разрез рукоятки зонда, внутри которого заключены датчики положения и давления, где:

3 - оптоволоконный жгут подключения;

4 - электрический жгут подключения;

5 - датчик силы давления;

6 - датчик положения;

7 - игла одноразовая;

8 - головная часть;

9 - корпус зонда.

В комплект оборудования входит компьютер для записи данных и анализа результатов в режиме реального времени.

Отличительной чертой предлагаемой методики является динамический характер проведения процедуры. Спектры диффузного рассеяния и поглощения записываются вдоль всей траектории движения кончика иглы 7 оптического зонда 9 к подозрительному участку ткани, позволяя таким образом сравнивать оптические характеристики здоровых и патологических тканей. В определении момента, когда игла 7 попадает в область ткани с измененными оптическими свойствами, состоит навигационная функция устройства.

Глубину проникновения кончика иглы 7 фиксирует датчик положения 6, который, как и датчик силы 5, являются особенностью предлагаемого технического решения.

Динамические показания датчиков силы 5 и положения 6 вместе с соответствующими спектральными кривыми составляют массив входных данных для автоматического анализа и постановки диагноза.

Как отмечалось в ряде работ, большой проблемой при проведении оптической биопсии является кровь, натекающая из поврежденных сосудов. Датчик положения 6 позволяет зафиксировать и исключить из рассмотрения спектры, полученные во время остановки иглы 7, и анализировать только спектральные кривые, относящиеся к движению, когда происходит естественная очистка кончика иглы.

Для проведения процедуры оптической биопсии в динамическом режиме рекомендуется плавное и равномерное введение иглы с примерной скоростью 1 см/сек.

Реальное значение этой скорости может быть определено по показаниям датчика положения 6. Количество спектров на 1 см зависит от быстродействия регистрирующей аппаратуры, и в нашем случае, при времени накопления ~ 1 мсек, примерно равно 1000, что является достаточно подробной прописью последовательности тканей, через которую проходит игла.

Для большинства органов оптическая биопсия может проводиться под контролем УЗИ, МРТ или рентгена. В этом случае алгоритмы комплексного анализа всей получаемой информации привязывают траекторию движения кончика иглы к 3D образу исследуемого участка тела и сопоставляют наблюдаемые спектры с картами плотности, кровотока, химического состава и т.д.

В некоторых медицинских ситуациях для обеспечения плавности и равномерности движения иглы 5 оптического зонда в тело пациента можно применить моторизованный ввод иглы. Чтобы обеспечить заданную скорость иглы в среде с переменной плотностью, требуется обратная связь, которая в данном случае состоит в непрерывном контроле координаты и силы давления кончика иглы на ткань и коррекции направления и скорости перемещения иглы 7 в течении всей процедуры. В предлагаемой разработке встроенный датчик положения 6 обеспечит точное значение моментальной скорости, датчик силы 5 может быть использован для коррекции приводящего усилия, а текущее положение иглы 7 будет определяться в трехмерной системе координат используемым устройством визуального контроля (УЗИ, рентгенограф).

Т.о., способ получения и обработки данных оптической биопсии в динамическом режиме состоит в следующем:

- регистрации спектров оптического рассеяния и поглощения в широком диапазоне частот по мере ввода иглы 7 оптического зонда в тело пациента и подведения ее к зоне интереса;

- одновременным фиксированием показаний датчика положения кончика иглы 6 оптического зонда;

- одновременным фиксированием показаний датчика силы давления 5, оказываемого иглой 7 на ткань;

- использовании показаний датчика положения 6 для автоматической фильтрации данных с целью исключения спектров, соответствующих остановке иглы;

- наборе статистического материала;

- разработке алгоритмов автоматической коррекции наблюдаемых спектров в режиме реального времени с целью устранения искажений, вносимых неравномерностью движения и давлением иглы оптического зонда на ткань;

- при проведении оптической биопсии под визуальным контролем каждый вид устройства (УЗИ, рентгенография) обеспечивается алгоритмами привязки траектории движения кончика иглы к 3D образу исследуемого участка тела, а также алгоритмами совмещения наблюдаемых спектров с картами плотности, кровотока, химического состава и т.д.;

- при применении моторизованного ввода иглы 7 в тело пациента разрабатываются алгоритмы коррекции приводящего усилия по значениям моментальной скорости, вычисляемым по показаниям датчика положения, совместно с показаниями датчика силы, при этом для каждого вида устройства визуального контроля разрабатываются алгоритмы определения текущего положения кончика иглы и корректировки направления ввода.

Устройство оптической биопсии может быть независимым диагностическим средством (для лабораторных целей или для исследования небольших новообразований), а также может объединяться с традиционными видами биопсии, что позволяет за одну процедуру получить данные оптического исследования и осуществить забор материала для стандартного анализа. В зависимости от конструкции оптического зонда и иглы, содержащей оптоволокно, возможно объединение оптической биопсии с аспирационной (всасывание ткани) или core-биопсией (вырезание столбика ткани). Такой подход облегчит продвижение оптической биопсии в медицинскую практику, поскольку не будет дополнительной нагрузки как на врача, выполняющего процедуру, так и на пациента. С точки зрения надежности получаемых результатов появляется уверенность, что оба анализа будут взяты из одной зоны, что практически невозможно осуществить при последовательном проведении процедур.

Claims (2)

1. Способ регистрации и обработки данных оптической биопсии в динамическом режиме, заключающийся в постепенном введении в тело пациента иглы оптического зонда для освещения локального участка ткани и передачи отраженного излучения в спектрометрическую систему посредством оптоволоконной связи одновременно с регистрацией текущего положения кончика иглы и силы давления, оказываемого иглой на ткань, отличающийся тем, что показания датчиков положения и силы используют для автоматической фильтрации и корректировки наблюдаемых спектров в режиме реального времени, с помощью датчика положения определяют значение моментальной скорости, которое совместно с показанием датчика силы используют для коррекции приводящего усилия моторизованного ввода иглы в тело пациента, при этом в трехмерной системе координат используемым устройством визуального контроля определяют текущее положение кончика иглы и производят корректировку направления ввода.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при проведении оптической биопсии под визуальным контролем (например, УЗИ, рентгенография) включает функцию привязки траектории движения кончика иглы к 3D-образу исследуемого участка тела, при этом сопоставляют наблюдаемые спектры с картами плотности, кровотока, химического состава.