матричное светодиодное устройство для флуоресцентной диагностики и фототерапии патологических участков

Формула изобретения

1. Устройство для фототерапии и флуоресцентной диагностики патологических участков, включающее корпус, по крайней мере одну матрицу светодиодов, расположенную на корпусе, телекамеру со спектрально-селективной оптической системой, расположенную в центре корпуса, и систему отображения видеоинформации, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде сегмента сферической поверхности, светодиоды расположены на корпусе таким образом, что оптические оси излучения светодиодов пересекаются в одной точке, спектральный диапазон излучения светодиодов лежит в диапазоне длин волн поглощения фотосенсибилизатора, плоскость оптимальной фокусировки спектрально-селективной оптической системы проходит через точку пересечения оптических осей излучения светодиодов, спектрально-селективная оптическая система устройства имеет нулевое светопропускание в спектральном диапазоне излучения светодиодов и окно прозрачности на длинах волн, превышающих длины волн спектрального диапазона излучения светодиодов, а радиус сферической поверхности, радиус корпуса, радиус облучаемой светодиодами зоны и угол расходимости диаграммы направленности излучения светодиодов связаны соотношением



где R - радиус сферической поверхности;

- радиус корпуса;

- угол расходимости диаграммы направленности излучения светодиода;

r_о - радиус облучаемой зоны.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что спектральный диапазон излучения светодиодов лежит в диапазоне длин волн максимального поглощения фотосенсибилизатора.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит матрицу светодиодов, спектральный диапазон излучения которых лежит в диапазоне длин волн спектрального окна прозрачности спектрально-селективной оптической системы.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит матрицу светодиодов, спектральный диапазон излучения которых лежит в диапазоне длин волн максимального светопропускания спектрально-селективной оптической системы.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит матрицу светодиодов, спектральный диапазон излучения которых лежит в диапазоне длин волн спектрального окна прозрачности биологических тканей и жидкостей.

6. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит направленный измеритель плотности световой мощности, расположенный на корпусе устройства в непосредственной близости от телекамеры и направленный на точку пересечения оптических осей излучения светодиодов.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что выход сигнала направленного измерителя плотности световой мощности соединен со входом индикатора максимального уровня сигнала.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к медицинской технике, а более конкретно к аппаратуре для осуществления спектрально-флуоресцентной диагностики и фототерапии патологических участков биологической ткани, в частности новообразований и участков с патогенной микрофлорой.

При проведении фототерапии и флуоресцентной диагностики в организм пациента вводится препарат - фотосенсибилизатор, селективно накапливающийся в патологических тканях. Облучение патологического участка излучением, поглощаемым фотосенсибилизатором, приводит к флуоресценции патологических тканей, а также вследствие фотодинамического или гипертермического эффектов к разрушению клеток патологических тканей, в которых накопился фотосенсибилизатор.

Известно устройство для фототерапии и флуоресцентной диагностики патологических участков, включающее источник возбуждающего света для облучения патологического участка (лазер), телекамеру со спектрально-селективной оптической системой и системой отображения видеоинформации [Loschenov V.B., R. Steiner. Working out of early diagnostic and control for the cancer treatment method with the use of photosensitiser of modelling action. Proceeding of SPIE, Vol. 2325, p. 144, 1994].

Однако использование в известном устройстве лазера приводит к неоднородности возбуждения, вызванной неоднородностью пространственного распределения излучения лазера, а также неоднородности распределения излучения по облучаемой поверхности в виде "муаровой" картины, вызванной спекл-эффектом (из-за высокой когерентности излучения лазера) и теневыми эффектами при терапии и диагностике участков с развитой поверхностью.

Известно устройство для фототерапии новообразований [Патент США N 5698866, US С1. 257/99, приоритет 28 мая 1996 г.], включающее в качестве источника света матрицу светодиодов на плоской подложке. Это устройство обладает достаточно равномерным пространственным распределением излучения, что позволяет облучать с приемлемой однородностью плоские патологические участки со значительной поверхностью излучения из-за низкой когерентности излучения светодиодов. Оно также не приводит к спекл-эффекту и, соответственно, к неоднородности типа "муаровой картины".

Однако в этом устройстве не решен вопрос с неоднородностью облучения, обусловленной теневыми эффектами при облучении патологических участков с развитой поверхностью. Кроме того, оно не содержит телекамеры и вследствие этого не может быть использовано для флуоресцентной диагностики.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство, включающее матрицу светодиодов на плоском корпусе, телекамеру со спектрально-селективной оптической системой, находящуюся в центре корпуса, и систему отображения видеоинформации [Infrared camera. International Automation & Security, vol. 2, N 11, 1998]. Оно в принципе может быть использовано и для фототерапии, и для флуоресцентной диагностики патологических участков.

Однако это устройство также не решает до конца проблему неоднородности из-за теневых эффектов при терапии и диагностике участков с развитой поверхностью. Кроме того, оно не дает возможности осуществлять облучение локальных патологических участков без воздействия на соседние здоровые ткани и не позволяет достичь высокой плотности световой мощности на облучаемом участке за счет концентрации излучения всей матрицы на этом участке. Все это снижает эффективность и диагностики, и фототерапии.

В настоящем изобретении решается задача повышения эффективности флуоресцентной диагностики и фототерапии патологических участков за счет повышения плотности световой мощности и однородности облучения на этих участках.

Указанная задача решается тем, что в устройстве для фототерапии и флуоресцентной диагностики новообразований, включающем корпус, по крайней мере одну матрицу светодиодов, расположенную на корпусе, телекамеру со спектрально-селективной оптической системой, расположенную в центре корпуса, и систему отображения видеоинформации, корпус выполнен в виде сегмента сферической поверхности, светодиоды расположены на корпусе таким образом, что оптические оси излучения светодиодов пересекаются в одной точке, спектральный диапазон излучения светодиодов лежит в диапазоне длин волн поглощения фотосенсибилизатора, плоскость оптимальной фокусировки спектрально-селективной оптической системы проходит через точку пересечения оптических осей излучения светодиодов, спектрально-селективная оптическая система устройства имеет нулевое светопропускание в спектральном диапазоне излучения светодиодов и окно прозрачности на длинах волн, превышающих длины волн спектрального диапазона излучения светодиодов, а радиус сферической поверхности, радиус корпуса, радиус облучаемой светодиодами зоны и угол расходимости диаграммы направленности излучения светодиодов связаны соотношением



где R-радиус сферической поверхности;

- радиус корпуса;

- угол расходимости диаграммы направленности излучения светодиодов;

r_о - радиус облучаемой зоны.

Указанная задача решается также тем, что спектральный диапазон излучения светодиодов лежит в диапазоне длин волн максимального поглощения фотосенсибилизатора.

Указанная задача решается также тем, что устройство дополнительно содержит расположенную на корпусе устройства матрицу светодиодов, спектральный диапазон излучения которых лежит в диапазоне длин волн спектрального окна прозрачности спектрально-селективной оптической системы.

Указанная задача решается также тем, что устройство дополнительно содержит расположенную на корпусе устройства матрицу светодиодов, спектральный диапазон излучения которых лежит в диапазоне длин волн максимального светопропускания спектрально-селективной оптической системы.

Указанная задача решается также тем, что устройство дополнительно содержит расположенную на корпусе устройства матрицу светодиодов, спектральный диапазон излучения которых лежит в диапазоне длин волн спектрального окна прозрачности биологических тканей и жидкостей.

Указанная задача решается также тем, что устройство дополнительно содержит направленный измеритель плотности световой мощности, расположенный на корпусе устройства в непосредственной близости от телекамеры и направленный на точку пересечения оптических осей излучения светодиодов.

Указанная задача решается также тем, что устройство дополнительно содержит индикатор максимального уровня сигнала, вход которого соединен с выходом сигнала упомянутого направленного измерителя плотности световой мощности.

Сущность устройства поясняется чертежом, на котором схематически изображено в разрезе предлагаемое устройство, где

1 - матрица светодиодов;

2 - корпус устройства;

3 - телекамера;

4 - спектрально-селективная оптическая система;

5 - система отображения видеоинформации;

6 - направленный измеритель плотности световой мощности;

7 - индикатор максимального уровня сигнала.

Устройство содержит матрицу светодиодов 1, расположенную на сферическом корпусе 2 устройства, телекамеру 3 со спектрально-селективной оптической системой 4, систему отображения видеоинформации 5, направленный измеритель плотности световой мощности 6 и индикатор максимального уровня сигнала 7.

Устройство может содержать также расположенную на корпусе 2 дополнительную матрицу светодиодов.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Матрица светодиодов 1, расположенных на поверхности ее сферического корпуса 2, осуществляет облучение исследуемой поверхности патологического участка или органа излучением светодиодов, длины волн которого лежат в спектральном диапазоне поглощения фотосенсибилизатора, спектрально-селективная оптическая система 4 устройства имеет нулевое светопропускание в спектральном диапазоне излучения светодиодов и окно прозрачности на длинах волн, превышающих длины волн спектрального диапазона излучения светодиодов. Устройство располагается над исследуемой поверхностью таким образом, что точка пересечения оптических осей излучения светодиодов расположена на этой поверхности или вблизи ее. Благодаря такому расположению устройства облучение исследуемого участка поверхности осуществляется равномерно и не имеет затененных зон, а низкая когерентность излучения светодиодов позволяет, к тому же, избежать микронеоднородности излучения, связанной со спекл-эффектом (присущей, например, лазерным источникам облучения). Диаметр облучаемой области определяется шириной диаграммы направленности излучения светодиодов и составляет обычно 3-5 см. Оптимальный выбор соотношения между геометрическими размерами (радиусами сферической поверхности и корпуса) и углом расходимости излучения светодиодов согласно настоящему изобретению обеспечивает максимальную плотность световой мощности в плоскости, проходящей через точку пересечения оптических осей излучения светодиодов, и наиболее однородное ее распределение в пределах облучаемой зоны радиусом r_о. Флуоресценция патологического участка регистрируется телекамерой 3 со спектрально-селективной оптической системой 4. Поскольку при проведении флуоресцентной диагностики и фототерапии с использованием предлагаемого устройства плоскость оптимальной фокусировки спектрально-селективной оптической системы проходит через точку пересечения оптических осей излучения светодиодов и в исследуемой зоне реализуется распределение светового потока матрицы светодиодов с максимальной однородностью и плотностью мощности, в системе отображения видеоинформации 5 формируется яркое и контрастное флуоресцентное изображение опухоли, которое будет наиболее ярким и контрастным, если длина волны излучения светодиодов лежит в области максимального поглощения фотосенсибилизатора.

Использование дополнительной матрицы светодиодов с излучением в диапазоне длин волн спектрального окна прозрачности, а особенно - в спектральном диапазоне максимального светопропускания спектрально-селективной оптической системы позволяет обеспечить визуальный контроль патологического участка как при первоначальной (перед началом процедуры) установке устройства над патологическим участком, так и в процессе диагностики и фототерапии. Эффективность такого контроля повышается, если длина волны дополнительной матрицы светодиодов лежит в диапазоне длин волн окна прозрачности биологических тканей и жидкостей, в частности крови, что позволяет применять предлагаемое устройство интраоперационно, когда некоторые фрагменты исследуемого патологического участка могут иметь следы крови.

Процесс оптимальной установки устройства над исследуемым патологическим участком становится более точным с использованием направленного измерителя 6 плотности световой мощности и значительно упрощается с использованием индикатора максимального уровня сигнала 7.

Ниже приведен пример конкретного выполнения предлагаемого устройства и его работы.

Устройство представляет собой матрицу из 280 светодиодов с излучением в спектральном диапазоне 664-678 нм, расположенную на внутренней поверхности корпуса устройства (радиус сферической поверхности 25 см, радиус корпуса 10 см). Матрица равномерно облучает участок поверхности радиусом 3 см, плотность мощности облучающего излучения составляет примерно 30 мВт/см². Регистрацию интенсивности флуоресценции осуществляют высокочувствительной черно-белой видеокамерой WAT-902А с объективом и фильтром КС-19, смонтированной в центре сферического сегмента. Светопропускание фильтра равно 0 в спектральном диапазоне 400-690 нм, возрастает до 82% в диапазоне 680-695 нм и равно 82% в спектральном диапазоне 695-900 нм. Отображение интенсивности флуоресценции осуществляют на мониторе персонального компьютера.

Пациенту с предполагаемым патологическим новообразованием тканей щеки внутривенно капельно вводят 500 мл раствора сульфофталоцианина алюминия (область максимального поглощения в красной области - 665-680 нм), с общим количеством сульфофталоцианина алюминия 60 мг (из расчета 0,8 мг/кг веса тела). На экране монитора отображается ярко флуоресцирующее пятно неправильной формы размером ориентировочно 1,5 х 2,5 см², с интенсивностью, соответствующей концентрации фотосенсибилизатора примерно 510^-4 мг/см³, на фоне слабо флуоресцирующих окружающих тканей, интенсивность флуоресценции которых соответствует концентрации 110^-4 мг/см³ (пунктирование и цитолого-морфологические исследования тканей этого участка подтвердили наличие базальноклеточного рака с площадью поражения 1,5 х 2,5 см², глубиной 3-6 мм в разных точках). Последующее облучение патологического участка излучением вышеописанного устройства в течение 20 мин привело к фотодинамическому разрушению опухоли.

Предлагаемое устройство обеспечивает высокую эффективность при проведении флуоресцентной диагностики, фотодинамической терапии, фотоиндуцированной гипертермии патологических образований, в частности новообразований и участков с патогенной микрофлорой.