Научный журнал

Современные наукоемкие технологии

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

• Авторы
• Файлы

Свирин В.Н.

Статья в формате PDF

153 KB

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:

1. 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;
2. 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.);
3. 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.;
4. 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:

1. 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;
2. преобразование информации, поступающей в диагностический комплекс на физическом уров­не, в параметры медикобиологического уровня;
3. медикобиологический алгоритм и про­граммное обеспечение для его реализации, форми­рующий врачупользователю рекомендации для принятия решения о диагнозе заболевания и мето­дах лечения.
4. 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.

Библиографическая ссылка