Лазерооптические информационные технологии и устройства для их реализации широко используются для диагностики различных патологий, в том числе онкологических заболеваний. Методы пульсоксиметрии, флюоресцентной диагностики, спектрофотометрии и др. уже более 30ти лет используются для диагностики онкологических и других заболеваний.
В докладе рассмотрен предложенный и разработанный новый метод проведения диагностических процедур и аппаратура для его реализации, направленные на повышение достоверности диагностики онкологических заболеваний и показано, что внедрение многоволнового лазерного излучения для зондирования биоткани, сочетанное использование различных методов определения функционального состояния интактных и злокачественных участков биотканей и специализированного алгоритма для обработки результатов диагностических процедур существенно повышает достоверность оценки функционального состояния биотканей как в норме, так и при наличии злокачественной опухоли.
Материалы доклада базируются на НИР 20002007г.г. в рамках Международного научнотехнического центра (проект № 1001), тематики Роснауки (проект «Лаздиком») и др., в которых были выполнены теоретические, проектные и исследовательские работы по разработке новых лазерооптических методов и диагностических комплексов, направленных на повышение достоверности диагностических процедур.
Общий подход проведенных исследований базируется на принципе, что, apriori, диагностика функционального состояния злокачественных новообразований будет более достоверна, если диагностическая информация формируется при сочетанном использовании одновременно нескольких физических процессов взаимодействия лазерного излучения с биоканью при её зондировании в широком спектре волн оптического диапазона.
При этом исследование функционального состояния интактных или патологических участков биоткани осуществляется путем зондирования биоткани многоволновым лазерным излучением оптического диапазона l = (400,1100) мкм и получение диагностической информации от вторичного лазерного излучения от биоткани в реальном масштабе времени приемными информационными каналами, функционирование которых основано на использовании различных физических моделях взаимодействия лазерного излучения с биотканью. например, флюоресценции, биофотометрии, фотоплетизмографии, флоуметрии и т. д. Информационные каналы, функционирующие на основе биофотометрии, флюоресценции и локальной термотерапии, предназначены для выявления наиболее характерных компонентов биоткани патологических участков, так называемых «оптических маркеров», которые в наибольшей степени концентрируются в пораженных участках биоткани и присуще конкретной патологии, например, порфирин при раке, сахар при диабете, уровень температуры при воспалительных процессах и т. д. Информационные каналы, функционирующие на основе фотоплетизмографии, флуометрии и локальной пульсоксиметрии предназначены для определения наиболее характерных, интегральных параметров крови, например, средняя скорость капиллярного кровотока, показатель объемного кровенаполнения ткани, насыщение крови кислородом и т.д. Каналы интегральной термометрии и пульсоксиметрии предназначены для контроля общего состояния пациента по уровню насыщения биоткани кислородом и температуре.
Информация об указанных параметрах обрабатывается в четыре основных этапа:
- на первом этапе информация физического уровня (в виде тока, напряжения и т. д.) через фотоприемное устройство (ФПУ) после соответствующей фильтрации и обработки поступает для дальнейшей отработки и преобразований в ЭВМ;
- на втором этапе в ЭВМ происходит преобразование поступившей информации о физических параметрах в медикобиологические параметры (например, ток в уровень концентрации вещества компонента биоткани, скорость перемещения и т. д.);
- на третьем этапе с использованием метода многопараметрического анализа и различных математических преобразований определяется наиболее характерные для данной патологии (в нашем случае злокачественная опухоль) «оптические маркеры», т.е. увеличение концентрации порфирина при раке, сахара при диабете и интегральные динамические характеристики крови биоткани, например, скорость кровотока, показатель объёмного кровенаполнения, показатель оксигенации и др.;
- на четвертом этапе при наличии всего спектра медикобиологических характеристик и параметров всех компонентов биоткани по специальному медикобиологическому алгоритму вырабатываются рекомендации врачупользователю о функциональном состоянии биоткани, формируется заключение о качестве ранее проведенной терапевтической процедуры или хирургической операции, производится анализ хода протекания лечебного процесса в интраоперационном периоде и вырабатываются рекомендации врачупользователю о дальнейшей стратегии и методике лечения.
При разработке метода и создание диагностического комплекса были разработаны новые решения по техническим и программноалгоритмическим средствам:
1. Разработаны и экспериментально опробованы математические модели взаимодействия лазерного излучения с биотканью с учетом её многослойной интерпретации;
2. Многоволновый генератор зондирующего лазерного излучения l = (0,4,1,10) мкм оптического диапазона, регулируемой мощностью лазерного излучения в пределах (1,20) мВт с дискретностью и стабильностью поддержания в течение времени проведения диагностической процедуры на уровне 1 %;
3. Аппаратная реализация всех информационных приемных каналов диагностического комплекса, включая спектрофлюориметр, биофотометр, фотоплетизмограф, флуометр, пульсоксиметр с учетом особенностей их применения в составе диагностического комплекса, дистанционные неинвазивные и инвазивные датчики температуры для определения локальной и общей температуры биоткани и пациента;
4. Комплекты транспортирования зондирующего лазерного излучения от генератора до биоткани и вторичного лазерного излучения от биоткани к приемным информационным каналам комплекса. На основе многожильных волоконнооптических жгутов (ВОЖ), используемые при проведении диагностических процедур на поверхностных локализациях и локализациях, доступ к которым может быть осуществлен эндоскопическими методами;
5. Программноалгоритмические средства (ПАС) функционирования диагностического комплекса, включающие управление всеми входящими компонентами комплекса, в том числе зондирующим генератором лазерного излучения, приемными информационными каналами и контрольными средствами тестирования работоспособности комплекса;
6. Специализированный пакет ПАС, обеспечивающий:
- обмен информацией между центральным процессором и основными компонентами комплекса, в том числе формирование зондирующего лазерного излучения, прием, фильтрацию и обработку информации со всех информационных каналов;
- преобразование информации, поступающей в диагностический комплекс на физическом уровне, в параметры медикобиологического уровня;
- медикобиологический алгоритм и программное обеспечение для его реализации, формирующий врачупользователю рекомендации для принятия решения о диагнозе заболевания и методах лечения.
- представление выходной информации врачупользователю в наиболее воспринимаемом виде, например, графики, цветовое изображение процессов в патологических областях и т. д.
Сущность разработанного медикобиологического алгоритма основана на векторном совпадении в реальном масштабе времени градиентов изменения всех получаемых параметров, свидетельствующих о наличии злокачественного заболевания, например, повышенное содержание порфирина, повышение температуры и уменьшения оксигенации, изменения параметров спектров действий на пораженном участке и т. д.
Показано, что разработанный диагностический комплекс в полном объёме целесообразно использовать для исследования появления злокачественных заболеваний на ранних этапах, в интраоперационный период в процессе мониторинга динамики лечебного процесса для контроля и принятии решения о положительном результате проведенных терапевтических процедурах.
Основные параметры диагностического комплекса:
Выходная мощность лазерного излучения, регулируемая в диапазоне (1,20) мВт и дискретностью 1 %;
Спектральный диапазон лазерного излучения (0,4,1,06) мкм;
Режимы формирования мощности лазерного излучения непрерывный, квазистатический импульснопериодический;
Точность измерения температуры биоткани ± 0,2°С в диапазоне (30,50)°С;
Визуализация медикобиологической информации и результатов диагностических процедур в виде: графики, панорамного изображения, таблицы, формулы и т. д.;
Спектральное разрешение -≤ (3÷5) нм;
Быстродействие комплекса 1 измерение за время не более 2 сек.;
Транспортирование излучения к биоткани оптический жгут (многоканальный световод);
Габариты, мм 500´400´300,
Масса ≤ 25 кг;
Потребляемая мощность ≤ 100 Вт;
Управление комплекса обеспечивается ПАС на основе ЭВМ и микропроцессоров в автономном, дистанционном режимах с визуализацией диагностической информации.
Проведенный анализ результатов диагностики, полученных в различных медицинских учреждениях и первый этап экспериментальных исследований разработанного метода и экспериментальных образцов диагностического комплекса показали хорошие результаты при идентификации здоровых пациентов и имеющих злокачественные заболевания. Общее число обследуемых пациентов ~ 100 человек.
К особенностям разработанного метода лазерооптической диагностики можно отнести: сочетанное использование различных лазерооптических методов; многопараметрический анализ вторичного лазерного излучения; использование зондирующего лазерного излучения в широком спектре оптического диапазона; одновременный контроль статических (наиболее характерных компонентов биоткани) и динамических (параметры кровообращения) характеристик биоткани; использование специального медикобиологического алгоритма обработки параметров вторичного лазерного излучения; многоуровневую систему обработки диагностической информации.
Результаты разработки метода и устройства для его реализации защищены патентами РФ № 50836 приоритетом от 13.06.2000г., № 2234242 приоритетом от 20.08.2004г., международной заявкой РСТЯШОЗ/00048 от 14.02.2003г., опубликованы в отчете ISTC по проекту № 1001, на конференциях SPIE и различных статьях.
Анализ различных зарубежных и отечественных источников показывает, что разработанный метод, наряду с онкологией, может использоваться в других областях медицины, в том числе в кардиологии, профпатологии, гастроэнтерологии, реаниматологии, в дерматологии (косметологии), диабетологии, травматологии (ожоги, раны, травмы) и др.
Выполненные работы по разработке метода и созданию диагностического комплекса показывают, что их внедрение в клиническую медицину позволит существенно повысить достоверность диагностических процедур и расширить области применения лазерооптических методов диагностики в медицине. Представляется, что совершенствование разработанных методов и аппаратуры на последующих этапах работ должно быть сосредоточено на следующих направлениях: проведение исследований по получению аналитических моделей взаимодействия лазерного излучения с биотканью при их многослойной интерпретации; проведение исследований в областях медицины, где предложенный метод наиболее эффективен для реализации неинвазивной оперативной диагностики различных патологий.
Первый этап медикобиологических исследований предложенного и разработанного метода лазерооптической диагностики и полученные результаты испытаний показывают, что на современном этапе предложенный подход по созданию лазерооптической диагностики различных патологий является магистральным направлением дальнейшего развития лазерооптических методов диагностики в медицине, а диагностические комплексы для их реализации могут стать основными техническими средствами при дальнейшем внедрении лазерооптических методов в медицину, т.е. новых технологий XXI века.
Работа представлена на международную научную конференцию «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники», 2027 ноября 2008г., Шармэльшейх (Египет). Поступила в редакцию 17.10.2008г.