Способ и устройство для оценки плотности и неоднородности биологической ткани

Изобретение относится к медицине и медицинской технике, в частности к практике и технике патологоанатомического исследования биологической ткани. Способ оценки плотности и неоднородности биологической ткани состоит в том, что на образец биологической ткани воздействуют тактильным датчиком, контактная поверхность которого выполнена в виде множества упругих герметичных камер, регистрируют изменения во времени давлений в камерах, перемещения контактной поверхности и суммарной силы воздействия на образец и производят обработку записанной информации для получения объективных интегральных оценок плотности и неоднородности ткани. Устройство для реализации способа включает сервопривод, выходной вал которого через кривошипно-шатунную передачу соединен с подвижным концом шарнирно закрепленного на основании рычага, и к этому подвижному концу жестко прикреплены последовательно тензометрический однокомпонентный силоизмерительный датчик и контактирующий элемент, посредством которого осуществляется механическое воздействие на образец, при этом контактирующий элемент представляет собой тактильный датчик, содержащий множество герметичных камер, заполненных воспринимающей давление средой, пространство между которыми заполнено эластичным материалом, образующим плоскую контактирующую поверхность, а указанные камеры соединены с датчиками давления, показания которых вместе с показаниями датчиков силы и перемещения регистрируются управляющей вычислительной системой. Изобретение позволяет получить объективные оценки механических свойств тканей и расширить область применения способа и устройства для проведения патологоанатомических исследований и для экспресс-диагностики возрастных, физиологических и патологических изменений в удаленных участках тканей или непосредственно в процессе осуществления хирургического вмешательства. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Настоящее изобретение относится к медицине и медицинской технике, в частности к практике и технике патологоанатомического исследования биологической ткани.

Важным критерием оценки возрастных, физиологических и патологических изменений в биологических тканях является изменение их механических свойств последних по сравнению с нормой. В настоящее время наиболее распространенным методом оценки механических свойств тканей является их пальпаторное исследование (А.В.Струтынский, А.П.Баранов, Г.Е.Ройтберг, Ю.П.Гапоненков. Основы семиотики заболеваний внутренних органов. - РГМУ, 1997. - 224 с.). Пальпация проводится как при выполнении хирургических операций, так и при исследовании извлеченных образцов. При этом фиксируются субъективные ощущения конкретного исследователя, и заключения носят весьма общий характер типа «ткань ригидна», «плотноватая мягкая мышечная пластина со складкой» и т.п. Отсутствие объективных измерений свойств тканей делает затруднительной какую-либо систематизацию результатов исследований, в результате чего правильная постановка диагноза часто определяется субъективным опытом конкретного специалиста.

Настоящее изобретение позволяет получить объективные оценки механических свойств тканей и найдет эффективное применение при проведении патологоанатомических исследований и для экспресс-диагностики возрастных, физиологических и патологических изменений в удаленных участках тканей или непосредственно в процессе осуществления хирургического вмешательства.

Известны способы распознавания патологии тканей, основанные на анализе их отражающих и флуоресцентных свойств, в частности патенты РФ № 2152162, № 2088156. Способ, описанный в патенте РФ № 2002128728 (А) «Способ и система для определения параметров и картографирования поражений ткани», предполагает введение в ткань агента распознавания патологии, облучение ткани широкополосным непрерывным оптическим излучением и измерение динамического оптического свойства этой ткани, осуществляемое после взаимодействия ткани с указанным агентом распознавания патологии. Указанные способы используют изменение оптических, а не механических свойств тканей.

В патенте РФ № 2003108731 (А) описан оптический тактильный датчик, содержащий тактильную часть и средство формирования изображения, причем тактильная часть содержит прозрачный гибкий корпус, в котором заключено множество окрашенных маркеров, движение которых фиксируется с помощью средства формирования изображения, когда гибкий корпус приводится в контакт с объектом. Недостатком устройства является сложность изготовления, настройки и обработки изображений.

В патенте РФ № 93008580 (А) описано устройство для определения механических свойств биологических тканей, в котором измерительный шток внедряется в ткань и производится измерение силы и глубины внедрения измерительного штока посредством ультразвуковых измерителей виброперемещений, причем сила определяется по деформации тарированной пружины. Аналогичное решение применено в патенте РФ № 2082312 (С1) с тем отличием, что устройство содержит датчик силы. Недостатками обоих устройств является невозможность оценки неоднородности ткани.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ и реализующее его устройство для исследования ткани молочной железы, описанные в патенте США US 006091981. Устройство содержит множество датчиков, размещенных на поверхности, контактирующей с исследуемой тканью, каждый из которых измеряет локальное давление, действующее на него со стороны ткани в ответ на силу, с которой врач прижимает устройство к исследуемой ткани. В зависимости от структуры подлежащей ткани изменяется распределение давлений между датчиками, что позволяет после соответствующей обработки сигналов выделить зоны с измененными физическими свойствами. Недостатком способа и устройства является отсутствие измерения перемещения контактной поверхности в направлении ткани и суммарной силы воздействия на ткань, что не позволяет оценить усредненные упруго-пластические свойства биологической ткани. Другим недостатком является выполнение контактной поверхности из слабодеформируемого материала, что при исследовании образцов тканей с выраженными локальными изменениями, такими как пузырьки в легких при пневмонии или наличие участков обызвествления, может приводить к быстрым необратимым изменениям в структуре ткани и искажению объективной информации.

Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение возможностей получения объективных данных о механических свойствах биологической ткани при ее исследовании на предмет однородности и плотности.

Указанный результат достигается тем, что на образец биологической ткани заданных размеров воздействуют тактильным датчиком, контактная поверхность которого выполнена в виде множества упругих герметичных камер, регистрируют изменения во времени давлений в камерах, перемещения контактной поверхности и суммарной силы воздействия на образец и производят обработку записанной информации для получения объективных интегральных оценок плотности и неоднородности ткани.

Техническая сущность устройства, реализующего заявляемый способ, поясняется фигурами 1-3. Фигуры 4-6 иллюстрируют примеры исследований, проведенных с использованием патентуемых способа и устройства. На фиг.7 представлена фотография реализованного устройства.

На фиг.1 представлена схема механической части устройства для реализации патентуемого способа. Выходной вал сервопривода 1 через кривошипно-шатунную передачу 2 соединен с подвижным правым концом рычага 3, левый конец которого шарнирно соединен с неподвижным основанием. К правому концу рычага жестко прикреплены последовательно тензометрический однокомпонентный силоизмерительный датчик 4 и тактильный датчик 5, содержащий множество герметичных камер, соединенных трубками с датчиками давления 6. Усилитель 7 осуществляет усиление слабых электрических сигналов датчиков давления и силоизмерительного датчика до величин, лежащих в рабочем диапазоне аналого-цифрового преобразователя контроллера, используемого в составе системы. Между контактной поверхностью тактильного датчика и опорной поверхностью помещается исследуемый образец биологической ткани 8. Устройство содержит также потенциометр 9, используемый для управления положением выходного вала сервопривода.

На фиг.2 показаны два варианта реализации тактильного датчика. Верхние рисунки представляют сечение, перпендикулярное плоскости фиг.1; нижние рисунки - вид снизу. Датчик, представленный на фиг.2а, имеет одномерную чувствительную структуру, в которой воздушные полости 10 выполнены из мягких полимерных трубок, запаянных с одной стороны, а с другой их стороны выведены более жесткие трубки 13 меньшего диаметра для соединения с датчиками давления. Такое исполнение оправдано в том случае, когда исследуются образцы стандартных размеров вытянутой формы. Датчик, представленный на фиг.2б, имеет двумерную чувствительную структуру, в которой воздушные полости 10 имеют сферическую форму. Такое исполнение позволяет исследовать образцы произвольной геометрической формы. Для обоих вариантов воздушные полости зафиксированы на опорной пластине 11, имеющей резьбовую часть 12 для соединения с силовым датчиком. Пространство между полостями заполнено упругим материалом, который образует плоскую чувствительную поверхность 14. Размеры воздушных полостей выбираются таким образом, чтобы обеспечить нужную разрешающую способность датчика.

На фиг.3 приведена структура системы управления устройства. Ее центральным элементом является контроллер 15, обеспечивающий связь с аппаратурой и персональным компьютером (ПК) 16. Контроллер имеет аналого-цифровой преобразователь 17, к которому подключены выходы датчиков давления 5, силы 4 и задающего потенциометра 9, и широтно-импульсный модулятор 18, на выходе которого формируется задающий сигнал для серводвигателя 1.

Программа работы контроллера загружается с персонального компьютера и обеспечивает циклическое с заданным периодом выполнение следующих операций: 1) аналого-цифровое преобразование сигналов с потенциометра, силового датчика и датчиков давления; 2) пересылка полученной информации на ПК; 3) формирование управляющего сигнала на двигатель в соответствии с положением потенциометра. Программа регистрации и визуализации данных, работающая на ПК, обеспечивает следующие функции: 1) текущий вывод цифровой информации с датчиков для проверки их функционирования и настройки; 2) регистрация информации в течение времени, достаточного для проведения исследования и ее запись в файл; 3) графическое представление записанной информации в виде развертки по времени сигналов со всех упомянутых датчиков, их обработка и вывод числовых оценок плотности и неоднородности испытанного образца.

Патентуемый способ оценки плотности и неоднородности биологической ткани осуществляют с использованием разработанного устройства следующим образом. Исследуемый образец помещается между опорной поверхностью и контактной поверхностью тактильного датчика, после чего осуществляется вращение выходного вала сервопривода по заданной программе или исследователем с помощью задающего потенциометра. Длина рычага велика по сравнению с размером кривошипа, рычаг находится вблизи горизонтального положения, поэтому близко к вертикальному движение его правого (рабочего) конца и тактильного датчика, через который осуществляется механическая деформация образца. Давления в полостях датчика определяются их деформацией, которая, в свою очередь, зависит от структуры объекта исследования. В частности, если эластичный объект содержит твердое включение размера, соизмеримого с размером полости, то при деформации объекта в полостях, контактирующих с этим включением, возникает большее изменение давления, чем в остальных. По достижении желаемого значения приложенной к образцу силы осуществляется возврат механизма в исходное состояние. При этом на всем протяжении исследования регистрируются давления в полостях тактильного датчика и вертикальная компонента силы, приложенной к объекту. После представления записанной информации в виде графиков она сохраняется в файл для последующего анализа и статистической обработки.

Один из вариантов обработки записанной информации состоит в том, что на участке времени, когда тактильный датчик находится в контакте с объектом исследования, вычисляется отношение величины возникающей силы к величине вертикального перемещения тактильного датчика и далее это отношение усредняется по времени. Данный критерий позволяет получить усредненную оценку плотности образца. Аналогичное усреднение по времени дисперсии показаний датчиков давления дает оценку неоднородности ткани.

Заявленный способ и устройство иллюстрируются на конкретных примерах исследования образцов тканей. В этом исследовании было осуществлено сравнение объективных данных, зарегистрированных патентуемым устройством, с субъективными данными, полученными при осязании исследователем. Записанные данные приведены на фиг.4-6 в виде развертки во времени угла поворота вала сервопривода, показаний датчика силы (в верхней части графиков) и пяти датчиков давлений (в нижней части графиков). В приведенных примерах даны также оценки плотности и неоднородности, полученные в результате обработки полученных данных. На фиг.7 приведена фотография устройства, посредством которого проведены указанные исследования. При этом тактильный датчик реализован в соответствии с фиг.2а.

Пример 1

Правая, левая доля и перешеек щитовидной железы удалены по Николаеву.

Участок железы пропальпирован исследователем. Случай идентифицирован как равномерная дольчатая структура. Участок железы помещен в патентуемое устройство, осуществлено измерение № 1, представленное на графике (фиг.4а). Участки, расположенные под двумя полостями тактильного датчика, более плотные. Эти графики свидетельствуют о средней жесткости и неоднородности материала (плотность 18, неоднородность 29).

Участок железы с имеющейся в ней аденомой пропальпирован исследователем. Случай идентифицирован как плотноватый узел диаметром 4 мм на фоне дольчатой структуры. Участок железы помещен в патентуемое устройство, осуществлено измерение № 2. На представленном графике (фиг.4б) ниже горизонтальной линии видно, что линии существенно расходятся между собой, что свидетельствует о включении в образец объекта значительных размеров (плотность 34, неоднородность 39).

Пример 2

Участки аорты извлечены из организма острым путем.

Неизмененный участок аорты пропальпирован исследователем. Случай идентифицирован как плотная эластическая пластина с участками мягкого уплотнения диаметром 1-2 мм. Участок аорты помещен в патентуемое устройство, осуществлено измерение № 3. На представленном графике (фиг.5а) ниже горизонтальной линии видно, что линии существенно между собой не расходятся, что свидетельствует об однородности объекта. Материал объекта имеет умеренную жесткость (плотность 20, неоднородность 21).

Участок аорты с небольшим участком обызвествления пропальпирован исследователем. Случай идентифицирован как плотная эластическая пластина с участками жесткого уплотнения диаметром 1-2 мм. Участок аорты помещен в патентуемое устройство, осуществлено измерение № 4. На представленном графике (фиг.5б) ниже горизонтальной линии видно, что линии существенно расходятся, что свидетельствует о включении в образец небольшого объекта с высокой плотностью. Материал объекта имеет жесткость, близкую к предыдущему, но отличается большей неоднородностью (плотность 22, неоднородность 66).

Пример 3

Участки легкого извлечены из организма острым путем.

Неизмененный участок легкого пропальпирован исследователем. Случай идентифицирован как мягкая равномерно размазанная студнеобразная пластичная структура. Образец помещен в патентуемое устройство, осуществлено измерение №5. На представленном графике (фиг.6а) ниже горизонтальной линии видно, что линии существенно между собой не расходятся, что свидетельствует об однородности объекта. Материал объекта мягкий (плотность 19, неоднородность 31).

Участок легкого с признаками пневмонии пропальпирован исследователем. Случай идентифицирован как неравномерно уплотненная размазанная студнеобразная пластичная структура. Образец помещен в патентуемое устройство, осуществлено измерение №6. На представленном графике (фиг.6б) ниже горизонтальной линии видно различие в показаниях датчиков давления на начальном этапе измерения, обусловленное наличием пузырькового образования, которое в дальнейшем разрушилось. Оценки свойств ткани, полученные по начальному этапу, показывают отличие от предыдущего случая (плотность 31, неоднородность 57).

Проведенные исследования показали возможность получения эффекта осязания биологической ткани путем оценки ее однородности и плотности с созданием объективного («цифрового») портрета. Вместе с тем, предложенная система относительно проста, способна к дальнейшему совершенствованию и сочетанию с различными биологическими и медицинскими методиками.

1. Способ оценки плотности и неоднородности биологической ткани, состоящий в механическом воздействии контактирующим элементом на образец ткани, определении датчиками давления изменения давления ткани образца во времени за счет ее деформации, регистрации перемещения контактирующего элемента и обработке регистрируемой информации, отличающийся тем, что в качестве контактирующего элемента используют тактильный датчик с множеством герметичных камер, при регистрации учитывают показания датчиков давления об изменении давления в полостях камер тактильного датчика во времени и суммарную силу воздействия на образец, а при обработке информации вычисляют отношение величины суммарной силы воздействия к величине перемещения тактильного датчика, усредненное по времени значение вычисленного отношения оценивают как усредненное значение плотности биологической ткани образца, а по усредненному по времени значению дисперсии показаний датчиков давления оценивают неоднородность ткани.

2. Устройство для оценки плотности и неоднородности биологической ткани, включающее контактирующий элемент, выполненный с возможностью его перемещения, датчики давления и устройство обработки информации, отличающееся тем, что в него введены неподвижное основание для размещения образца ткани, тензометрический силоизмерительный датчик, усилитель, система управления, сервопривод для обеспечения перемещения контактирующего элемента, а контактирующий элемент выполнен в виде тактильного датчика, содержащего множество герметичных камер, заполненных воспринимающей давление средой, пространство между которыми заполнено эластичным материалом, камеры тактильного датчика соединены с датчиками давления, при этом выходной вал сервопривода через кривошипно-шатунную передачу соединен с подвижным концом рычага, другой конец которого шарнирно соединен с неподвижным основанием, к подвижному концу рычага жестко прикреплены тензометрический силоизмерительный датчик и тактильный датчик, причем датчики давления и тензометрический силоизмерительный датчики через усилитель и систему управления связаны с устройством обработки информации.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что содержит потенциометр, выполненный с возможностью управления положением выходного вала сервопривода, подключенный к системе управления.