автоматизированное устройство для диагностики в онкологии

Формула изобретения

Автоматизированное устройство для диагностики в онкологии, включающее конструктивно объединенные канал освещения с окуляром и объективом и инструментальный канал эндоскопа, вход канала освещения через переключатель оптически связан с выходами источника видимого света и источника ультрафиолетового излучения, отличающееся тем, что оно содержит группу селективных спектрометрических датчиков, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, группу управляемых источников световых воздействий и персональную ЭВМ, две группы оптических волокон, входы оптических волокон первой группы являются оптическими входами устройства, а их выходы соответственно соединены с входами селективных спектрометрических датчиков группы, выходы которых через многоканальный аналого-цифровой преобразователь подключены к информационным входам персональной ЭВМ, информационный выход которой является информационным выходом устройства, а управляющие выходы персональных ЭВМ подключены соответственно к входам управляемых источников световых воздействий группы, выходы которых оптически связаны с входами соответствующих оптических волокон второй группы, выходы которых являются оптическими выходами устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для диагностики ранних стадий онкологических заболеваний, в том числе при эндоскопических и гастроэнтероскопических исследованиях.

Известно устройство для эндоскопических исследований, позволяющее обнаружить изъязвленные участки обследуемой полости внутренних органов при визуальном наблюдении обследуемых органов и их освещении в области видимого излучения (заявка Японии N 63-23776, кл. A 61 B 5/00).

Наиболее близким к предлагаемому является эндоскоп (авт. св. N 929050, кл. A 61 B 1/00, 1982, Б.И. N 19), содержащий в своем составе канал освещения, к которому через оптический переключатель поочередно подключается источник ультрафиолетового (УФ) освещения и источник видимого света, последовательно подсоединенные к выходу канала освещения окуляр, монохроматический фильтр и спектроскопический детектор, а вход канала освещения 1 через объектив 8 связан с обследуемой поверхностью внутреннего органа пациента.

Достоинством известного устройства является то, что в нем диагноз о наличии той или иной патологии производится на основе последовательного анализа спектра флюоресцентного свечения, возбуждаемого зондирующим УФ-излучением, не травмируя участки обследуемой слизистой.

Однако известное устройство обладает рядом недостатков:

во-первых, недостаточной точностью диагностики и недостаточной точностью локализации патологического очага, так как амплитуда сигнала на выходе спектрометрического датчика зависит от суммарной величины всего потока флюоресцентного свечения, возникающего на всей обследуемой поверхности 9 в пределах поля видимости объектива 8;

во-вторых, для поочередного проведения визуального наблюдения и спектрометрической диагностики обследуемой поверхности 9 необходимо периодически отстегивать и вновь пристегивать к окуляру 5 монохроматические фильтры 6 и спектрометрический детектор 7, что создает неудобство при эксплуатации и снижает надежность аппарата;

в-третьих, для квалификации вида патологии обследуемого участка 9 необходима поочередная смена монохроматических фильтров 6, устанавливаемых между окуляром 5 и спектрометрическим детектором 7, что создает дополнительные неудобства и снижает точность диагностики и надежность аппарата вследствие изменений характеристик фильтров в результате их постоянной перестыковки.

Цель изобретения разработка конструкции диагностического аппарата, обладающего улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками, повышение диагностики, точности локализации границ патологического очага, точности дозировки светового воздействия на патологический очаг, автоматизация процесса диагностики.

Цель достигается тем, что автоматизированный аппарат для диагностики в онкологии, включающий конструктивно объединенные канал освещения с окуляром и объективом и инструментальный канал эндоскопа, вход канала освещения через переключатель оптически связан с выходами источника видимого света и источника ультрафиолетового излучения, дополнительно содержит группу селективных спектрометрических датчиков, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, группу управляемых источников световых воздействий и персональную ЭВМ, две группы оптических волокон, входы оптических волокон первой группы являются оптическими входами аппарата, а их выходы соответственно соединены с входами селективных спектрометрических датчиков группы, выходы которых через многоканальный аналого-цифровой преобразователь подключены к информационным входам персональной ЭВМ, информационный выход которой является информационным выходом аппарата, а управляющие выходы персональной ЭВМ подключены соответственно к входам управляемых источников световых воздействий группы, выходы которых оптически связаны с входами соответствующих оптических волокон второй группы, выходы которых являются оптическими выходами.

В результате введения оптических волокон обеспечивается точечный обход локальных участков облучаемой поверхности. Соединение волокон с селективными (узкополосными) фотометрическими датчиками обеспечивает одновременное (параллельное) измерение сигналов во всех поддиапазонах длин волн наблюдаемого спектра, а управляемые источники световых воздействий позволяют использовать аппарат для последующей световой терапии выявленных ранних стадий онкологических заболеваний без хирургического вмешательства.

На фиг. 1 дана схема предлагаемого устройства; на фиг.2, 3 графики, поясняющие принцип калибровки и диагностики с помощью аппарата.

Аппарат содержит канал 1 освещения эндоскопа, оптический вход которого соединен с выходом переключателя 2, входы которого соответственно оптически связаны с выходом источника 3 ультрафиолетового излучения и источника 4 видимого света. Канал 1 освещения имеет окуляр 5, предназначенный для визуального наблюдения исследуемой поверхности через объектив 8. Канал освещения 1 конструктивно объединен с инструментальным каналом 7, первую 8 и вторую 9 группы оптических волокон, многоканальный аналого-цифровой преобразователь 10, выходы которого соединены соответственно с информационными входами персональной ЭВМ 11, управляющие выходы которой соединены соответственно с входами управляющих источников 12 световых воздействий, выходы которых оптически связаны с входами оптических волокон 9 второй группы, входы селективных спектрометрических датчиков 13 оптически связаны с выходами оптических волокон 8 первой группы, а их выходы подключены соответственно к информационным входам многоканального аналого-цифрового преобразователя 10. Входы 14 оптических волокон 8 первой группы являются оптическими входами аппарата, а выходы 15 оптических волокон 9 второй группы являются оптическими выходами аппарата. На фиг.1 под позицией 16 обозначена обследуемая поверхность.

В качестве аналого-цифрового преобразователя может быть использован любой АЦП, работающий в режиме периодического опроса входной информации.

В качестве персональной ЭВМ 11 может быть использована любая совместимая ПЭВМ отечественного или зарубежного производства, например, PC AT 286/386/486.

Каждый из селективных спектрометрических датчиков 13 (измерительных преобразователей) предназначен для преобразования величины соответствующей спектральной составляющей сигналов флюоресцентного свечения в полосе спектра в соответствующий аналоговый электрический сигнал. В качестве таких датчиков могут быть использованы, например, сочетание узкополосных оптических фильтров, устанавливаемых на входе серийных широкополосных фотоприемников.

Управляемые источники 12 световых воздействий предназначены для формирования излучения в видимом диапазоне, ультрафиолетового излучения, инфракрасного излучения или их сочетаний, а параметры излучения (например, интенсивность излучения, спектр, доза облучения, продолжительность облучения), задаются от ПЭВМ.

В качестве управляемых источников могут быть использованы, например, ультрафиолетовый лазерный излучатель типа лазерные полупроводниковые диоды, светодиоды и другие управляемые серийные источники. Управление интенсивностью источников производится путем изменения управляющих воздействий (для лазерных диодов, светодиодов изменение уровня тока питания, для импульсных источников с нерегулируемой амплитудой путем изменения частоты и скважности излучаемых импульсов).

Устройство может работать в нескольких режимах: 1) визуального наблюдения; 2) диагностики; 3) калибровки; 4) терапевтического светового воздействия.

В режиме визуального наблюдения видимый свет от источника 4 через переключатель 2, канал освещения 1 и объектив 8 освещает участок обследуемой поверхности 16. Изображение освещенного участка через объектив 6, канал освещения 1 и окуляр 5 визуально наблюдают до обнаружения подозреваемого (изъязвленного) участка, требующего более точной диагностики.

В режиме диагностики объектив 6 остается ориентированным на подозреваемый участок обследуемой поверхности. С помощью переключателя 2 к каналу освещения 1 подключают источник 3 ультрафиолетового излучения. Подают ультрафиолетовое излучение от источника 3 через переключатель 2, канал освещения 1 и объектив 6 на подозреваемый участок поверхности, где возникает вторичное (флюоресцентное) свечение. Наблюдают изображение освещенного участка обследуемой поверхности в флюоресцентном свете через объектив 6, канал освещения 1 и окуляр 5 и уточняют область подозреваемого участка для последующей точечной диагностики.

Для проведения точечной диагностики выбранного подозреваемого участка обследуемой поверхности 4 через инструментальный канал 7 к точкам этого участка обследуемой поверхности поочередно подводят вход 14 оптических волокон 8. В процессе точечной диагностики последовательно обходят входом 14 все подозреваемые точки подозреваемого участка обследуемой поверхности. Флюоресцентные сигналы, возбуждаемые на поверхности под воздействием ультрафиолетового освещения, через оптические волокна 8 поступают на входы соответствующих узкополосных спектрометрических датчиков 13, которые преобразуют амплитуды соответствующей спектральной составляющей сигналов флюоресцентного свечения в полосе спектра _i вторичного свечения, которая является наиболее информативной для анализа того или иного вида патологии, в электрический сигнал. Сигналы с выхода каждого спектрометрического датчика поступают на соответствующий вход многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 10, где преобразуются в цифровую форму и в виде цифровых кодов поступают на вход персональной ЭВМ 10.

Принцип формирования диагностических сигналов и алгоритм работы ЭВМ в этом режиме состоит в следующем.

Весь диапазон флюоресцентного свечения разбивается на поддиапазоны В каждом поддиапазоне обследуемого участка для повышения точности диагностирования и повышения статистической достоверности измерений осуществляется N измерений. Числа A_ik, где i номер поддиапазона, k - номер измерения поступают на ЭВМ, где определяется их математическое ожидание по известному алгоритму



После окончания обследования подозреваемого участка и получения всей совокупности значений A_i ЭВМ также по известному алгоритму

A_max sup A_i (2)

определяет максимальное значение амплитуды сигнала и нормирует все результаты измерений по соотношению

A_{i отн} A_i/A_max (3)

В результате получают совокупность относительных значений амплитуд сигналов

A_1отн A₁/A_max,

A_iотн A_i/A_max,

A_nотн A_n/A_max (3)

которые характеризуют распределение уровней флюоресцентного излучения по всему измеряемому спектру (_{1 i n}.).

Достоинство перехода к относительным значениям амплитуд сигналов состоит в повышении объективности и достоверности оценки состояния локального участка обследуемой поверхности 9. Абсолютные значения сигналов A_i в поддиапазонах спектра _i будут зависеть не только от состояния облучаемых тканей (от наличия патологии и вида патологии), но и от ряда других специальных факторов:

от расстояния между открытым концом волоконно-оптического жгута 18 и обследуемой поверхностью в процессе измерений вторичного (флюоресцентного) излучения;

от интенсивного потока УФ-излучения (мощности Руф) источника 13, воздействующего на облучаемую поверхность;

от интенсивности вторичного (флюоресцентного) излучения с облучаемой поверхности, которая может быть искусственно увеличена введением в органические ткани на облучаемой поверхности специальных сенсибилизирующих веществ.

При переходе к относительным значениям влияние этих факторов исключается.

На фиг. 2, 3 приведены примеры кривой, построенной по соотношению (3), характерным для нее является, что хотя бы в одном из поддиапазонов значение A_отн равно 1. Реальные распределения могут быть произвольной формы и зависят от вида патологии исследуемого участка.

Для предварительного получения диагностических критериев в аппарате предусмотрен режим калибровки. Сущность диагностических критериев заключается в том, что совокупность (3) значений относительных амплитуд сигналов A_{i отн} для всех поддиапазонов длин волн _i спектра вторичного (флюоресцентного) свечения представляет собой объективную оценку состояния органических тканей облучаемой поверхности. При калибровке аппарата в качестве обследуемой (облучаемой) поверхности используют образцы пораженных и нормальных тканей, полученных в результате хирургических операций онкологических больных. Патология образцов тканей предварительно подтверждается гистологическими и цитологическими исследованиями.

В результате многократных облучений калибровочных образцов тканей с различными видами патологии получают устойчивые сочетания относительных значений амплитуд сигналов флюоресцентного свечения для каждого характерного (явно выраженного) вида патологии и для нормы:



где A_{ij отн}(_i) относительные значения амплитуд сигналов для поддиапазона;

K_патj классификационный признак, означающий, что конкретное полученное устойчивое сочетание значений A_ij(_i) является признаком конкретного состояния обследуемой поверхности (норма, язва, полип, рак, j=4)).

Алгоритмом работы ЭВМ 11 в этом режиме также являются соотношения 1-3. Отличием является то, что в качестве образцов используются здоровые и пораженные ткани.

На фиг. 3 приведен пример, характеризующий принцип получения классификационных признаков, где цифрами обозначено: 1 норма, 2 язва, 3 - полип, 4 рак. Главным является то, что для каждой из патологий максимумы расположены в различных поддиапазонах и форма кривой различна. Для правильной диагностики необходимо правильное отождествление коэффициентов относительных значений, полученных от исследуемой ткани (фиг. 2), с одной из кривых, характеризующих классификационный признак (соотношение 4, фиг.3).

После калибровки аппарата и получения диагностических критериев K_патj по соотношению (4) для каждого вида патологии и для нормы аппарат пригоден к применению для диагностики. В процессе диагностики облучаемой поверхностью является подозреваемый участок внутреннего органа пациента. В результате воздействия УФ-излучением на поверхность получают совокупность (3) отсчетов относительных значений A_iотн(_i) амплитуд сигналов флюоресцентного излучения. Полученную совокупность отсчетов A_iотн(_i), сравнивают поочередно с характерными сочетаниями (4). При этом характерные сочетания (4) используются в качестве критериев оценки состояния облучаемой поверхности. Сравнение полученной при измерениях совокупности отсчетов A_iотн(_i) с критериями (4) производят по принципу наибольшего правдоподобия. Среди диагностических критериев (4) определяется тот критерий K_патi, в котором сочетание (3) отсчетов A_iотн(_i) наиболее близко к совокупности отсчетов (1), полученных при измерениях в процессе диагностики.

На основании выбранного наиболее близкого критерия (обладающего наибольшим правдоподобием) делается заключение о соответствующем состоянии исследуемого локального участка облучаемой поверхности, т.е. формируют диагноз состояния данного участка. Диагноз формируется автоматически с помощью ЭВМ 15.

Алгоритм работы ЭВМ в этом режиме может быть, например, представлен в следующем виде.

Вычисляется квадрат отклонения относительных значений амплитуд для исследуемой поверхности A_iотн от значений A_ijотн по соотношению



где j 1, 2, 3, 4 соответствуют норме и виду патологии,

i номер частотного поддиапазона,

а после определяется номер патологии, соответствующий минимальному квадрату отклонения

j min E_j

После установления диагноза состояния очередного локального участка облучаемой поверхности вход 14 перемещают (ориентируют) на другой точечный локальный участок обозреваемой поверхности 9. Перенацеливание контролируется визуально через окуляр 5, как и в ранее рассмотренном случае калибровки аппарата. Диагностика очередного локального участка обозреваемой области поверхности производится аналогичным образом.

После обхода всех интересующих точек подозреваемого участка поверхности, наблюдаемого в зоне видимости объектива 6, формируется полный диагноз состояния наблюдаемого участка внутреннего органа пациента. Результаты диагноза выдаются на дисплей ПЭВМ и могут быть выведены на печать в виде диагностического заключения.

В случае недостаточной чувствительности облучаемой поверхности к УФ-излучению от источника 3 в процессе калибровки и диагностики на обследуемый участок поверхности через волокна 9 может быть подано дополнительное УФ-излучение от управляемого источника УФ-излучения, входящего в комплект управляемых источников световых воздействий 12, которые в этом случае включаются от ПЭВМ 11.

Режим светового терапевтического воздействия является дополнительным и используется в тех случаях, когда выявлены ранние стадии патологии (незначительные язвенные образования, локальные образования недоброкачественных тканей и т.п.), которые доступны для терапевтического светового лечения. Аппарат предусматривает терапевтическое лечение направленным видимым светом, ультрафиолетовым излучением, инфракрасным излучением и их сочетаниями. На основе полученного диагностического заключения по известным методикам световой терапии для каждого выявленного вида патологии задается индивидуальный режим светового воздействия (интенсивность облучения, спектр светового воздействия, вид модуляции излучения, продолжительность сеанса или доза облучения и т.п.). Далее рассмотренным ранее способом повторяется обход волокна 8 точек наблюдаемого участка обследуемой поверхности. По результатам диагностики состояния каждого локального участка (точки) поверхности, на основе заданных в ПЭВМ 11 параметров светового терапевтического воздействия, от ПЭВМ 11 на управляемые источники 12 подаются соответствующие управляющие сигналы. Под действием этих сигналов заданное от ПЭВМ 11 излучение от источников 12 через соответствующие дополнительные оптические волокна 9 воздействует на локальный участок поверхности, являющийся объектом светового терапевтического лечения.

Задание дозы светового терапевтического воздействия включает в себя, например, установку продолжительности светового воздействия t_k и установку интенсивности потока светового воздействия П в каждом диапазоне светового воздействия. В соответствии с этими предварительно заданными (лечащим врачом) воздействиями, по командам от ПЭВМ в начальной период t производится включение соответствующего (ультрафиолетового, видимого света, инфракрасного) источника светового воздействия и задается уровень П_i потока светового излучения (мощность излучения). В течение сеанса ПЭВМ излучает текущее время t_i, определяет текущую продолжительность излучения (t_i-t₀) и в момент ее совпадения с заданной продолжительностью t_k включает источники излучения, т.е.

t_k (t_i t₀) выключение

Параметры светового воздействия на облучаемый локальный участок поверхности контролируются по амплитудам сигналов A_i(_i), отсчитываемым в процессе сеанса световой терапии с выходов датчиков 13 с помощью АЦП 10. Этим обеспечивается высокая точность дозировки светового воздействия и эффективность терапевтического лечения различных язвенных и онкологических заболеваний на ранних стадиях их появления. Благодаря дополнительному применению в устройстве оптических волокон 8 и 9 обеспечивается точечный обход локальных участков облучаемой поверхности. Соединение волокон 8 с селективными спектрометрическими датчиками 13 обеспечивает одновременное (параллельное) измерение сигналов во всех поддиапазонах длин волн наблюдаемого спектра. Использование относительных цифровых отсчетов амплитуд сигналов, получаемых с помощью АЦП и ПЭВМ, позволяет получить устойчивые диагностические критерии (4) и значительно уменьшить роль субъективного фактора в установлении диагноза. Применение управляемых источников световых воздействий 12 позволяет повысить чувствительность аппарата при диагностике и позволяет использовать аппарат для световой терапии ранних стадий онкологических заболеваний, сразу же после их выявления в процессе диагностики. Последнее обстоятельство значительно повышает эффективность аппарата, не травмируя пациента необходимостью проведения дополнительных процедур, неизбежных при других методиках лечения.

Полученный эффект не является простой суммой эффектов от вновь введенных составных частей аппарата, а является результатом их совместной работы по единой методике, рассмотренной ранее.