Система для резекции биологических тканей сапфировым лезвием с одновременной оптической диагностикой их злокачественности

Изобретение относится к области медицины, а именно к хирургическим медицинским инструментам, и может быть использовано для проведения хирургических операций удаления злокачественной опухоли, а именно для оценки распространенности опухоли и правильности выбора объема резецируемой ткани. Система для резекции биологических тканей сапфировым лезвием с одновременной оптической диагностикой их злокачественности включает в себя источник излучения, средство, регистрирующее флуоресцентное излучение, скальпель, включающий изготовленное из сапфира лезвие, закрепленное в держателе. В теле лезвия скальпеля выполнены, по меньшей мере, два канала, расположенные вдоль кромки лезвия, в которых размещены оптические волокна, при этом одно из волокон соединено с источником излучения, возбуждающим флуоресценцию, другое волокно соединено со средством, регистрирующим флуоресцентное излучение. Технический результат - расширение функциональных возможностей хирургического инструмента, повышение механической надежности излучающего узла. 21 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к области медицины, а именно к хирургическим медицинским инструментам, и может быть использовано для проведения хирургических операций удаления злокачественной опухоли, а именно резекции тканей с оценкой распространенности опухоли и правильности выбора объема резицируемой ткани.

Известна волоконно-оптическая система обратной связи для извлечения информации о прилегающей или подвергающейся воздействию ткани, работающая с лазерными волоконными коагулирующими скальпелями. Волоконный жгут идет к спектрометру и ЭВМ, где происходят обработка информации и формирование сигнала управления лазером [международная заявка WO 200703122 А1, публ. 2007-03-22]. Недостатком применения таких систем является потеря для хирурга информации по плотности, степени измененности ткани и т.д. при проведении разреза при бесконтактном выпаривании.

Известен компактный хирургический инструмент, обеспечивающий одновременную диагностику, включающий скальпель, состоящий из металлического лезвия с размещенными в нем датчиками давления, температуры, плотности, а также акселерометром и гироскопами, снимающими информацию о состоянии лезвия, окружающей среды или биоткани с целью идентификации разрезаемой ткани - жировой, мускульной, нервов или сосудов, и держателя для крепления лезвия и удерживания рукой инструмента с электрическими контактами для лезвия, причем скальпель электрически или беспроводным способом связан с компьютером [патент US 6,494,882 В1, US 2002/0116022 А1, публ. 2002-08-22]. Применение данной системы предполагает снижение риска повреждения нервов во время проведения разреза, при этом записанная информация может быть в дальнейшем полезна для медицинских систем слежения.

В качестве ближайшего аналога по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату может быть принят фотокоагуллирующий аппарат (прототип), который включает в себя лазер, скальпель с сапфировым лезвием, соединенный с лазером посредством оптического волокна [патент GB 1504496А, публ. 1978-03-22]. В данном аппарате реализовано использование сапфирового лезвия в качестве волновода и показана возможность получения высокой концентрации энергии в районе режущей кромки лезвия, достаточной для произведения коагуляции прилегающих сосудов. Для плавного управления мощностью лазера на ручке есть кнопка-датчик, при этом большему усилию нажатия соответствует максимальная мощность излучения лазера.

Аппарат не обеспечивает возможность проведения диагностики методами спектроскопии непосредственно в процессе проведения хирургической операции, что снижает его функциональные возможности.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании системы для резекции биологических тканей сапфировым лезвием с одновременной оптической диагностикой их злокачественности, обеспечивающих возможность проведения флуоресцентной диагностики во время проведения хирургической операции, например по удалению злокачественных опухолей.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей хирургического инструмента во время проведения хирургической операции, когда одновременно с резекцией ткани обеспечивается спектроскопическая диагностика ткани с применением фотосенсибилизаторов, что позволяет объективно оценивать степень кровенаполненности органов для планирования коагуляции и определять наличие раковой ткани для оценки распространенности опухоли и правильности выбора объема резецируемой ткани, в снижении потерь лазерного излучения, в возможности получения достаточного для целей спектральной диагностики захвата регистрирующим волокном энергии флуоресцентного излучения от прилегающих тканей и одновременно эффективной концентрации энергии излучения в области режущей кромки лезвия от излучающего волокна для фотодинамического воздействия или коагуляции, в повышении механической и химической надежности облучающего узла.

Указанные заявителем технические результаты достигаются за счет того, что система для резекции биологических тканей сапфировым лезвием с одновременной оптической диагностикой их злокачественности включает лазер, скальпель с сапфировым лезвием, соединенный с лазером посредством оптического волокна, причем в объеме сапфирового лезвия имеются два канала, торцы которых примыкают к режущей кромке и каналы используются для размещения оптических волокон, причем одно из волокон предназначено для подачи излучения, возбуждающего флуоресценцию, или коагулирующего излучения в зону резекции ткани, другое волокно предназначено для передачи излучения флуоресценции на средство, регистрирующее это излучение, при этом оптические волокна расположены в каналах таким образом, что их дистальные концы находятся к режущей кромке лезвия на расстоянии, обеспечивающим возможность регистрации флуоресцентного излучения.

Отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что в теле лезвия выполнены, по меньшей мере, два канала, расположенные вдоль лезвия, в которых размещены оптические волокна, причем одно из волокон предназначено для подачи излучения, возбуждающего флуоресценцию или коагулирующего излучения, а другое волокно предназначено для передачи излучения флуоресценции.

Выполнение лезвия, по меньшей мере, с двумя каналами для подачи лазерного излучения в зону резекции ткани и регистрации флуоресцентного излучения обеспечивает расширение фукнциональных возможностей хирургического инструмента, позволяющего во время проведения хирургической операции по удалению злокачественных опухолей одновременно с резекцией ткани проводить спектроскопическую диагностику прилегающей ткани с применением фотосенсибилизаторов для определения наличия злокачественности ткани, для оценки ее распространенности и правильности выбора объема резецируемой ткани, а расположение дистальных концов оптических волокон вблизи режущей кромки лезвия позволяет получать достаточный для целей спектральной диагностики с применением фотосенсибилизаторов захват регистрирующим волокном энергии флуоресцентного излучения от прилегающих тканей и, одновременно, эффективную концентрацию энергии излучения в области режущей кромки лезвия от излучающего волокна для фотодинамического воздействия или коагуляции. Полученные «закрытые» каналы в сапфировом лезвии сделали возможным создание излучающего узла скальпеля без неразъемного соединения (склеивания) волокон с лезвием, что повышает его механическую и химическую надежность, а также предусматривает возможность замены элементов.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения скальпель дополнительно снабжен средством для регистрации флуоресцентного излучения, расположенном на держателе лезвия.

Кроме того, в предпочтительном варианте реализации изобретения расстояние между каналами не превышает 0,5 мм

Кроме того, в частном случае реализации изобретения целесообразнее оптические волокна располагать в каналах таким образом, что бы их дистальные концы находились по отношению к режущей кромке лезвия на минимальном расстоянии, обеспечивающем наиболее эффективную регистрацию флуоресцентного излучения.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения целесообразнее оптические волокна располагать в каналах таким образом, чтобы дистальный конец волокна для регистрации флуоресцентного излучения был бы смещен относительно дистального конца волокна для подачи лазерного излучения в направлении вперед на расстояние, обеспечивающее наиболее эффективную регистрацию флуоресцентного излучения.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения в объеме сапфирового скальпеля имеются три или более трех каналов.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения несколько каналов используются для размещения волокон для подачи излучения, и излучение отличается по длине волны.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения несколько каналов используются для размещения волокон для передачи излучения флуоресценции.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, по меньшей мере, один канал выполнен открытым со стороны режущей кромки лезвия.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, диаметр каналов не превышает 0,5 мм.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения диаметр оптических волокон в каналах составляет 0,2-0,4 мм.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения скальпель дополнительно снабжен средствами, обеспечивающими соединение одного из волокон с источником излучения, а другого волокна со средством регистрации флуоресцентного излучения.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения режущая кромка лезвия имеет произвольную форму.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения оптические волокна выполнены на основе кварца.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения средство, регистрирующее флуоресцентное излучение, соединено с компьютером или является частью компьютера и сигнал от излучения флуоресценции обрабатывается компьютером.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения компьютер соединен и осуществляет управление лазером, излучение которого используется для возбуждения флуоресценции, и соединен и управляет лазером, излучение которого используется для коагуляции сосудов.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения для возбуждения флуоресценции и коагуляции сосудов используется излучение одного лазера.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения на держателе выполнено устройство ручного регулирования мощности высокоэнергетического излучения для коагуляции сосудов.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения момент подачи высокоэнергетического излучения для коагуляции сосудов и его мощность определяются компьютером.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения средство, регистрирующее флуоресцентное излучение, выполнено с возможностью подачи звукового сигнала при превышении параметром флуоресценции установленного уровня.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения источником излучения является источник лазерного или светодиодного излучения.

Изобретение поясняется чертежами, где фиг.1 - система для резекции биологических тканей с одновременной диагностикой их злокачественности, фиг.2 - общий вид сапфирового диагностического скальпеля, фиг.3 - вид лезвия скальпеля, фиг.4 - система для резекции биологических тканей с одновременной диагностикой их злокачественности в компактном исполнении, фиг.5 - система для резекции биологических тканей с одновременной диагностикой их злокачественности с компьютерной обработкой и управлением, фиг.6 - распространение излучения вблизи кромки лезвия, фиг.7 - спектры флуоресценции, полученные с применением скальпеля при резекции опухолей у мышей.

Система для резекции биологических тканей сапфировым лезвием с одновременной оптической диагностикой их злокачественности (фиг.1) содержит приведенный выше скальпель 1, источник излучения 2, например источник лазерного или светодиодного излучения, соединенный с оптическим волокном 3а, средство 4 регистрации флуоресцентного излучения, соединенное с оптическим волокном 3b.

Предлагаемая система для резекции биологических тканей сапфировым лезвием с одновременной оптической диагностикой их злокачественности работает следующим образом.

Пациенту предварительно аппликационно или системно вводится препарат - фотосенсибилизатор, избирательно накапливающийся в раковых клетках. Фотосенсибилизатор имеет интенсивность излучения флуоресценции, достаточную для регистрации средством 4 скальпеля 1. Поскольку концентрация фотосенсибилизатора в опухолевых клетках и тканях выше, чем в нормальной ткани, средство 4 для регистрации флуоресценции перед резекцией настраивается на здоровую ткань: это означает, что интенсивность флуоресценции в здоровой ткани берется за единицу.

Скальпель, представленный на фиг.2, включает в себя лезвие 5, изготовленное из сапфира, закрепленное в держателе 6. В теле лезвия 5 вдоль кромки 5а выполнены каналы 7, закрытые со стороны режущей кромки 5б с предпочтительным диаметром, не превышающим 0,5 мм, которые предпочтительно расположены на расстоянии не менее 0,5 мм друг от друга. В каналах 7 расположены: оптическое волокно 3а, диаметром 0,2-0,4 мм, предназначенное для передачи излучения, например лазерного или светодиодного, в зону реза и оптическое волокно 3b диаметром 0,2-0,4 мм, предназначенное для регистрации флуоресцентного излучения. Дистальные концы оптических волокон 3а и 3b размещены в каналах 7 по отношению к режущей кромке 5б лезвия 5 на расстоянии, которое позволяет получать достаточный для целей спектральной диагностики захват регистрирующим волокном энергии флуоресцентного излучения от прилегающих тканей и одновременно эффективную концентрацию энергии излучения в области режущей кромки лезвия от облучающего волокна для фотодинамического воздействия или коагуляции, при этом целесообразно оптические волокна располагать в каналах таким образом, чтобы дистальный конец волокна для регистрации флуоресцентного излучения был бы смещен относительно дистального конца волокна для подачи лазерного излучения в направлении вперед.

В некоторых вариантах реализации изобретения средство, регистрирующее излучение 4, размещается на держателе лезвия 6 (фиг.4) и функции системы заключаются в регистрации превышения уровня интегрального сигнала флуоресценции установленного значения, при этом средство регистрации излучения может информировать хирурга о превышении подачей звукового сигнала. В некоторых случаях реализации изобретения используется ручная регулировка мощности излучения для коагуляции сосудов, для чего на держателе 6 имеется устройство ручного регулирования 8.

Функции системы могут быть значительно расширены в случае реализации средства регистрации излучения 4, соединенным с компьютером 9 (фиг.5) или интегрированным в компьютер для обработки получаемых спектров методами биологической спектроскопии. Кроме того, в некоторых случаях реализации возможно управление мощностью излучения источника излучения 2 и моментом включения и выключения источника излучения 2 компьютером 9 на основе данных, получаемых из анализа сигнала флуоресценции, при этом источник излучения 2 используется для подачи излучения для возбуждения флуоресценции или для коагуляции сосудов. В некоторых вариантах реализации изобретения для возбуждения флуоресценции и коагуляции сосудов используется излучение одного лазера 2.

В некоторых вариантах реализации изобретения количество каналов 7 при необходимости может быть увеличено. Так, например, может быть увеличено количество волокон, регистрирующих флуоресцентное излучение, при проведении флуоресцентной спектроскопии на нескольких длинах волн и/или может быть увеличено количество излучающих волокон для формирования оптимального фототермического поля облучения.

Пучок света выходит из оптического волокна 3а в виде конуса с расходимостью в пределах 10…30 градусов и падает на поверхность мениска канала 7, за исключением Френелевских потерь, полностью проходя границу раздела. Проходя в сапфире, все лучи падают на косые плоскости острия лезвия 5 вблизи кромки 5б. Далее лезвие 5 действует как оптический клин, т.е. претерпев несколько полных внутренних отражений на границе раздела сапфир-биоткань, для каждого луча наступает момент, когда угол его падения становится меньше критического для данной пары веществ (сапфир-биоткань), и луч, частично выходя из сапфира, с каждым переотражением увеличивает долю энергии, покидающей кристаллическое лезвие 5. Таким образом формируются две зоны высокой плотности энергии излучения по обе стороны режущей кромки 5б (фиг.7). Причем в формировании этих зон участвуют все лучи, подводимые оптическим волокном 3а непосредственно в область режущей кромки 5а, в отличие от устройства прототипа, где имелась проблема потери высших мод световoго пучка на плоскопараллельных поверхностях лезвия (образующих плоскопараллельный световод) до достижения лучами клиновидной части лезвия, так как излучение распространялось к кромке от удаленной плоскости лезвия. При превышении параметром флуоресценции установленного уровня (единицы) средство 4 демонстрирует превышение, например, на экране компьютера или в виде звукового сигнала. Экспериментально показана возможность регистрации излучения флуоресценции фотосенсибилизатора, накопленного в опухолевой ткани в эксперименте на мыши с перевитой опухолью Эрлиха (фиг.6). За сутки до операции каждой мыши вводился фотосенсибилизатор гидроксиалюминия трисульфофталоцианина в дозе 5 мг/кг. Использовался полупроводниковый лазер с длиной волны 633 нм, работающий в постоянном режиме с мощностью 50 мВт. Спектры флуоресценции, полученные в процессе резекции скальпелем, показывают, что максимум интенсивности флуоресценции, захваченной лезвием при положении лезвия внутри опухолевой ткани 10, превышает максимум интенсивности флуоресценции в здоровой мышце мыши 11 и контрольного измерения кожи руки человека 12 более чем в три раза. Эксперимент показал, что оптическая схема с близко расположенными к кромке лезвия возбуждающим и регистрирующим (диагностирующим) волокнами может использовать спектроскопическую диагностику с применением фотосенсибилизатора во время проведения хирургических операций.

Расположение оптических волокон световода непосредственно вблизи режущей кромки в несквозном капиллярном канале лезвия позволяет снизить потери излучения, а также обеспечить полную защиту оптических волокон от механического и химического повреждения при контакте лезвия со средой организма. Кроме того, в предлагаемом скальпеле сапфировое лезвие используется не только для рассечения тканей и фокусировки лазерного излучения в области реза для коагуляции сосудов, но и для передачи излучения флуоресценции раковых клеток с целью их выявления.

Заявляемое изобретение можно реализовать с использованием известных средств и методов, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию патентоспособности "промышленная применимость".

1. Система для резекции биологических тканей сапфировым лезвием с одновременной оптической диагностикой их злокачественности, содержащая лазер, скальпель с сапфировым лезвием, соединенный с лазером посредством оптического волокна, отличающаяся тем, что в объеме сапфирового лезвия имеются минимум два канала, торцы которых примыкают к режущей кромке, и каналы используются для размещения оптических волокон, причем одно из волокон предназначено для подачи излучения, возбуждающего флуоресценцию, или коагулирующего излучения в зону резекции ткани, другое волокно предназначено для передачи излучения флуоресценции на средство, регистрирующее это излучение, при этом оптические волокна расположены в каналах таким образом, что их дистальные концы находятся к режущей кромке лезвия на расстоянии, обеспечивающем возможность регистрации флуоресцентного излучения.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что скальпель дополнительно снабжен средством для регистрации флуоресцентного излучения, расположенным на держателе лезвия.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что расстояние между каналами не превышает 0,5 мм.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что целесообразнее оптические волокна располагать в каналах таким образом, чтобы их дистальные концы находились по отношению к режущей кромке лезвия на минимальном расстоянии, обеспечивающем наиболее эффективную регистрацию флуоресцентного излучения.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что целесообразнее оптические волокна располагать в каналах таким образом, чтобы дистальный конец волокна для регистрации флуоресцентного излучения был бы смещен относительно дистального конца волокна для подачи лазерного излучения в направлении вперед на расстояние, обеспечивающее наиболее эффективную регистрацию флуоресцентного излучения.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что в объеме сапфирового скальпеля имеются три или более каналов.

7. Система по п.5, отличающаяся тем, что несколько каналов используются для размещения волокон для подачи излучения и излучение отличается по длине волны.

8. Система по п.5, отличающаяся тем, что несколько каналов используются для размещения волокон для передачи излучения флуоресценции.

9. Система по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один канал выполнен открытым со стороны режущей кромки лезвия.

10. Система по п.1, отличающаяся тем, что диаметр каналов не превышает 0,5 мм.

11. Система по п.1, отличающаяся тем, что диаметр оптических волокон в каналах составляет 0,2-0,4 мм.

12. Система по п.1, отличающаяся тем, что скальпель дополнительно снабжен средствами, обеспечивающими соединение одного из волокон с источником излучения, а другого волокна со средством регистрации флуоресцентного излучения.

13. Система по п.1, отличающаяся тем, что режущая кромка лезвия имеет произвольную форму.

14. Система по п.1, отличающаяся тем, что оптические волокна выполнены на основе кварца.

15. Система по п.7, отличающаяся тем, что по одному из волокон для подачи излучения подается высокоэнергетическое лазерное излучение для коагуляции сосудов для остановки кровотечения.

16. Система по п.1, отличающаяся тем, что средство, регистрирующее флуоресцентное излучение, соединено с компьютером или является частью компьютера и сигнал от излучения флуоресценции обрабатывается компьютером.

17. Система по п.15, отличающаяся тем, что компьютер соединен и осуществляет управление лазером, излучение которого используется для возбуждения флуоресценции, и соединен и управляет лазером, излучение которого используется для коагуляции сосудов.

18. Система по п.15, отличающаяся тем, что для возбуждения флуоресценции и коагуляции сосудов используется излучение одного лазера.

19. Система по п.15, отличающаяся, тем, что на держателе выполнено устройство ручного регулирования мощности высокоэнергетического излучения для коагуляции сосудов.

20. Система по п.17, отличающаяся тем, что момент подачи высокоэнергетического излучения для коагуляции сосудов и его мощность определяются компьютером.

21. Система по п.1, отличающаяся тем, что средство, регистрирующее флуоресцентное излучение, выполнено с возможностью подачи звукового сигнала при превышении параметром флуоресценции установленного уровня.

22. Система по п.1, отличающаяся тем, что источником излучения является источник лазерного или светодиодного излучения.