Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани

Изобретение относится к области медицинской техники и касается устройства для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани. Устройство содержит флуоресцентно-отражательный спектрометр, включающий осветительную и спектрометрическую системы, подключенные к Y-образному волоконно-оптическому щупу. Кроме того, устройство снабжено двумя каналами, один из которых предназначен для подачи жидкости на исследуемый орган для смыва крови и подключен к насосу, а другой канал, предназначенный для аспирации жидкости и крови с исследуемого органа, соединен с помпой. Оба канала и дистальный конец волоконно-оптического щупа помещены в наконечник, образуя волоконно-оптический зонд. Наконечник выполнен в виде металлического цилиндра с раструбом на конце, прилегающим к исследуемому органу. Технический результат заключается в повышении точности и стабильности результатов измерений, а также в обеспечении возможности проведения исследований сердца, находящегося в организме. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к медицине, в частности к хирургии, и к медицинской технике, а именно к устройствам для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани и может быть использовано для интраоперационной оценки функционального и метаболического статуса биологических тканей, в том числе для определения состояния миокарда и других органов при ишемическом повреждении.

Для интраоперационной оценки функционального и метаболического статуса биологических тканей, в том числе для определения состояния миокарда и других органов при ишемическом повреждении, может быть использован метод флуоресцентной спектроскопии. Метод основан на явлении, заключающемся в том, что на ранней стадии ишемии происходит накопление избыточных количеств NADH в результате нарушения его окисления в NAD+ через цепь митохондриального транспорта электронов, которые обладают способностью к свечению в видимой области спектра при возбуждении ультрафиолетовыми лучами, причем интенсивность их свечения зависит от нахождения в окисленном или восстановленном состоянии. Таким образом, феномен автофлуоресценции тканей может быть использован для неинвазивной регистрации ишемических изменений в органах и тканях. Важными аспектами данной технологии являются низкая инвазивность и техническая простота методики оценки жизнеспособности тканей.

Известно устройство для лазер-индуцированной флуоресцентной спектроскопии (LIFAS) для определения ишемии и гипоксии в биологической ткани (US 6697657 Method and devices for laser induced fluorescence attenuation spectroscopy (LIFAS)), содержащее осветительную и спектрометрическую системы, волоконно-оптический жгут, соединенный с осветительной и спектрометрической системами, зонд, в котором размещен рабочий конец волоконно-оптического жгута, и процессор для обработки сигналов осветительной и спектрометрической систем. Использование устройства обеспечивает высокую точность результатов в экспериментах, выполненных ex-vivo, например, на изолированном перфузируемом сердце лабораторного животного.

Вместе с тем в аналогичных экспериментах in-vivo, когда сердце находится еще в организме, проведение такого рода измерений затруднительно либо невозможно. Связано это с тем, что кровь, находящаяся в операционном поле, неизбежно попадает в зазор между зондом и поверхностью исследуемой ткани, это приводит к падению сигнала из-за поглощения гемоглобином возбуждающего и флуоресцентного излучений и, как следствие, нестабильности результатов. Те же сложности возникают при проведении измерений в клинических условиях.

Известен также спектрометр для флуоресцентно-отражательных биомедицинских исследований (KangUk, Папаян Г.В., Березин В.Б., Петрищев Н.Н., Галагудза М.М. Спектрометр для флуоресцентно-отражательных биомедицинских исследований // Оптический журнал. 2013. Т.80. №1. С.32-38), который является наиболее близким к заявляемому изобретению и выбран в качестве прототипа.

Известный спектрометр для флуоресцентно-отражательных биомедицинских исследований включает в себя светодиодный осветитель, генерирующий излучение в ближней ультрафиолетовой области с центральной длиной волны 365 нм, Υ-образный волоконно-оптический щуп, объединяющий в дистальной его части волокна осветительного канала и детекторного канала (измерительного канала), а также спектрометр и компьютер, осуществляющие регистрацию спектра в диапазоне 350-750 нм.

Однако известный спектрометр для флуоресцентно-отражательных биомедицинских исследований обладает теми же недостатками, что и аналог, то есть ограниченными функциональными возможностями, которые не позволяют проводить эксперименты in-vivo.

Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани, а также повышение точности и стабильности результатов измерений в операционном поле.

Для достижения технического результата устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани, содержащее флуоресцентно-отражательный спектрометр, включающий осветительную и спектрометрическую системы, к каждой из которых подключен соответствующий выход Υ-образного волоконно-оптического щупа, выполненного из измерительного и осветительных волокон, образующих соответственно осветительный и приемный каналы, и компьютер, согласно изобретению дополнительно снабжено двумя каналами, один из которых предназначен для подачи жидкости на исследуемый орган для смыва крови и подключен к насосу, а другой канал, предназначенный для аспирации жидкости и крови с исследуемого органа, соединен с помпой, при этом оба канала и дистальный конец волоконно-оптического щупа помещены в наконечник, образуя волоконно-оптический зонд, причем наконечник, выполненный в виде металлического цилиндра с раструбом на конце, прилегающим к исследуемому органу, снабжен двумя штуцерами, предназначенными для подключения насоса и помпы к соответствующим каналам.

Для достижения технического результата в устройстве для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани канал для подачи жидкости и канал для аспирации выполнены в виде двух соосных металлических цилиндров, оси которых совпадают с осью волоконно-оптического щупа, или канал для подачи жидкости и канал для аспирации выполнены в виде двух цилиндров, оси которых параллельны оси волоконно-оптического щупа, а дистальный конец волоконно-оптического щупа дополнительно помещен в тонкостенную металлическую трубку.

По сравнению с известными аналогами предлагаемое техническое решение позволяет расширить функциональные возможности устройства за счет проведения не только экспериментов ex-vivo, то есть на изолированном перфузируемом сердце, но и экспериментов in-vivo, когда сердце находится в организме. Это стало возможным благодаря предложенной совокупности существенных признаков, позволяющих не только расширить функциональные возможности устройства, исключив зависимость результатов измерения от наличия крови в операционном поле, но и повысить точность диагностики ишемического состояния отдельных участков исследуемых органов во время операции и стабильность результатов измерений в операционном поле.

Выполнение наконечника из металла (например, из нержавеющей стали) позволило упростить и сократить время процесса стерилизации.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает достижение поставленной задачи.

Предложенное техническое решение является новым, не известным в практике разработки волоконно-оптических спектрометров, а совокупность отличительных признаков не следует из уровня техники. Изобретение является промышленно применимым из-за простоты конструкции устройства и известности технологических процессов изготовления отдельных элементов устройства. Это решение предполагает использование современных материалов и технологических приемов, серийно освоенных промышленностью.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани с каналами для подачи жидкости и аспирации, выполненными в коаксиальном варианте;

на фиг. 2 представлен наконечник в разрезе А-А;

на фиг. 3 - спектр автофлуоресценции миокарда в состоянии перфузии;

на фиг. 4 - спектр автофлуоресценции миокарда в состоянии ишемии;

на фиг. 5 - зависимость интегрального сигнала автофлуоресценции в области спектра 440-460 нм от времени, прошедшего с начала эксперимента при цикличной ишемии/реперфузии.

Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани (фиг. 1) содержит источник света 1 и спектрометр 2, образующие вместе флуоресцентно-отражательный спектрометр, насос для подачи жидкости 3, помпу для аспирации 4, Υ-образный волоконно-оптический щуп, один конец которого выполнен в виде жгута, образованного из осветительных оптических волокон, и является осветительным волоконным каналом 5, соединенным с источником света 1, другой конец волоконно-оптического щупа образован из измерительного оптического волокна и является приемным волоконным каналом 6, соединенным со спектрометром 2, а также содержит канал для подачи жидкости на исследуемый орган 7 и канал аспирации 8, которые могут быть выполнены в виде двух соосных металлических цилиндров, оси которых совпадают с осью волоконно-оптического щупа или в виде двух цилиндров, оси которых параллельны оси волоконно-оптического щупа. Устройство также содержит наконечник 9, раструб 10, прилегающий к исследуемому органу и выполненный как единое целое с наконечником 9, компьютер 11. Дистальный конец 12 волоконно-оптического щупа выполнен в виде жгута с гексагональной укладкой шести осветительных оптических волокон, в центре которых расположено измерительное оптическое волокно, и помещен в наконечник 9. В наконечнике 9 расположены также канал подачи жидкости 7 и канал аспирации 8, которые вместе с дистальным концом 12 волоконно-оптического щупа, дополнительно помещенным в тонкостенную металлическую трубку, образуют волоконно-оптический зонд. Канюли 13 и 14 (фиг. 2), предназначенные для подключения канала для подачи жидкости 7 и канала аспирации 8 соответственно к насосу 3 и к помпе 4 через штуцеры 15 и 16 (фиг. 2), которыми снабжен наконечник 9. Соединение осветительного волоконного канала 5 и приемного волоконного канала 6 соответственно с источником света 1 и спектрометром 2 осуществляется с помощью коннекторов, например SMA 905. В качестве осветителя 1 может быть использован, например, светодиодный осветитель собственной разработки на базе мощного светодиода LEDEngin LZ1-00U600. В качестве спектрометра 2 использован, например, спектрометр Avantes-2048-USB2, В качестве насоса 3 использован перистальтический насос.

Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани работает следующим образом.

Волоконно-оптический зонд накладывается на исследуемый орган раструбом 10, который создает вакуум в области контакта с поверхностью исследуемого органа. Создаваемый вакуум обеспечивает надежный контакт дистального конца волоконно-оптического щупа с органом, а подача жидкости для смыва крови предотвращает затекание крови в зазор между дистальным концом щупа и поверхностью исследуемого органа. После установки волоконно-оптического зонда, на исследуемый орган одновременно подается возбуждающее флуоресценцию излучение с длиной волны 365 нм от источника света 1, по осветительному каналу 5 волоконно-оптического щупа, и жидкость (вода или физиологический раствор) от насоса 3 через канюлю 13 и канал 7 для смыва крови с поверхности исследуемого органа и производится аспирация жидкости и крови через канал 8, канюлю 14 с помощью помпы 4. В ткани исследуемого органа возбуждается флуоресценция различных эндогенных флуорофоров, в том числе NADH. Флуоресцентное излучение ткани воспринимается приемным каналом 6, который передает его на вход спектрометра 2, в котором производится аналого-цифровое преобразование полученного по приемному каналу 6 сигнала флуоресцентного возбуждения, его первичная обработка и передача в компьютер 11 через интерфейс USB2.

Использование устройства для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани можно пояснить на примере одного из экспериментов исследования различных органов животных, в частности на сердце крысы, проведенного в ФГБУ «ФЦСКЭ им. В.А. Алмазова» Министерства здравоохранения России. Эксперимент заключался в изучении динамики автофлуоресцении сердца в процессе выполнения повторных эпизодов кратковременной ишемии и реперфузии, известных под названием прекондиционирование (адаптивный феномен, заключающийся в повышении резистентности миокарда к последующей продолжительности ишемии). Опыт in-vivo проводился на изолированном перфузируемом по Лангендорфу сердце крысы с использованием макета предлагаемого изобретения в режиме непрерывной регистрации интегральной интенсивности флуоресценции в максимуме эмиссии NADH на длине волны 450±10 нм при возбуждении 365 нм. Волоконно-оптический щуп при регистрации находился в постоянном контакте с работающим сердцем. В результате наличия в волоконно-оптическом зонде канала для подачи жидкости и канала аспирации, происходило постоянное удаление крови в месте контакта щупа с поверхностью миокарада, что обеспечивало независимость измерений от наличия крови в операционном поле. Благодаря этому удалось зарегистрировать спектры флуоресценции миокарда в состоянии перфузии (фиг. 3) и ишемии (фиг. 4), где видно увеличение интенсивности сигнала автофлуоресценции в области 440-460 нм при ишемии. Кроме того, удалось зарегистрировать зависимость интегрального сигнала автофлуоресценции в области спектра 440-460 нм от времени прошедшего с начала эксперимента (фиг. 5). В эксперименте проводилось три цикла ишемии 17, после которых следовал период реперфузии 18 (фиг. 5). Эксперимент продолжался в течении 11 минут. Ишемия вызывалась в период времени 2:45-3:45, 5:45-6:45 и 8:45-9:45. На фиг. 5 видно четкое соответствие между периодами ишемии и реперфузии и уровнем сигнала со спектрометра.

Таким образом, использование заявленного изобретения позволяет расширить функциональные возможности устройства для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани, а также повысить точность и стабильность результатов измерений в операционном поле.

1. Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани, содержащее флуоресцентно-отражательный спектрометр, включающий осветительную и спектрометрическую системы, к каждой из которых подключен соответствующий конец разветвленной части Υ-образного волоконно-оптического щупа, выполненного из измерительного и осветительных волокон, образующих соответственно осветительный и приемный каналы, и компьютер, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено двумя каналами, один из которых предназначен для подачи жидкости на исследуемый орган для смыва крови и подключен к насосу, а другой канал, предназначенный для аспирации жидкости и крови с исследуемого органа, соединен с помпой, при этом оба канала и дистальный конец волоконно-оптического щупа помещены в наконечник, образуя волоконно-оптический зонд, причем наконечник, выполненный в виде металлического цилиндра с раструбом на конце, прилегающим к исследуемому органу, снабжен двумя штуцерами, предназначенными для подключения насоса и помпы к соответствующим каналам.

2. Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани по п.1, отличающееся тем, что раструб с наконечником выполнен как единое целое.

3. Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани по п.1, отличающееся тем, что канал для подачи жидкости и канал для аспирации выполнены в виде двух соосных металлических цилиндров, оси которых совпадают с осью волоконно-оптического щупа.

4. Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани по п.1, отличающееся тем, что канал для подачи жидкости и канал для аспирации выполнены в виде двух цилиндров, оси которых параллельны оси волоконно-оптического щупа.

5. Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани по п.1, отличающееся тем, что дистальный конец Υ-образного волоконно-оптического щупа, выполнен в виде жгута с гексагональной укладкой шести осветительных оптических волокон, в центре которых расположено измерительное оптическое волокно.

6. Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани по п.1, отличающееся тем, что концы разветвленной части Υ-образного волоконно-оптического щупа соединены соответственно с осветительной и спектрометрической системами через коннекторы.

7. Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани по п.1, отличающееся тем, что дистальный конец волоконно-оптического щупа дополнительно помещен в тонкостенную металлическую трубку.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к биотехнологии и представляет собой способ спектрального анализа флуоресцентных свойств нуклеотидных последовательностей ДНК. Предложенное изобретение может быть использовано для генетической диагностики, исследования митогенетического излучения клеток, исследования кодирования наследственной и пролиферативной информации.
Изобретение относится к области молекулярной биологии и биохимии. Устройство состоит из источника света, излучение от которого направлено на прозрачную подложку с иммобилизованными на ее поверхности олигонуклеотидами и расположенной под ней системой детекции интенсивности света, прошедшего через подложку.

Изобретение относится к способу измерения изменений интенсивности флуоресценции потенциалочувствительного флуорохрома в зависимости от изменения потенциала или ионной силы, который включает добавление к потенциалочувствительному флуорохрому ионизирующегося соединения для вызова изменения потенциала или ионной силы, а также добавление витамина Е и/или холестерина для увеличения изменения потенциала или ионной силы по потенциалочувствительному флуорохрому.

Изобретение относится к аналитической химии органических соединений и может быть применено при определении содержания паров бензола, толуола и ксилолов (БТК) в городском воздухе, воздухе жилых помещений, химических лабораторий, автозаправочных станций и предприятий нефтеперерабатывающей промышленности, в газовых выбросах промышленных предприятий.

Изобретение относится к области биохимии. Предложен способ оценки жизнеспособности клеток в микробиореакторе с помощью оптического световода.

Изобретение относится к применению бис(2,4,7,8,9-пентаметилдипирролилметен-3-ил)метана дигидробромида в качестве флуоресцентного сенсора на катион цинка(II). Изобретение позволяет повысить флуоресцентную активность гетероциклического органического соединения по отношению к иону цинка(II) в присутствии других ионов металлов.
Изобретение относится к области секвенирования ДНК, в частности к секвенированию ДНК с использованием регулируемого по времени определения флуоресценции для идентификации оснований ДНК.

Изобретение предназначено для обнаружения и определения концентрации паров аммиака в атмосфере или пробе воздуха. Сенсор включает в себя полупроводниковые нанокристаллы (квантовые точки), внедренные в пристеночный слой трековых пор полиэтилентерефталатных мембран, при этом сами поры остаются пустыми.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в атомной энергетике и для охраны окружающей среды. Осуществляют прокачку анализируемой смеси газов через исследуемую ячейку, возбуждают в ней флуоресцентное излучение перестраиваемыми полупроводниковыми лазерами с длинами волн, соответствующими линиям с максимальным поглощением изотопов 129I и 127I и диоксида азота, определяют концентрации изотопов 129I, 127I и диоксида азота в анализируемой смеси по формулам, учитывающим состав буферных газов.

(57) Изобретение относится к области экологии и предназначено для оценки токсичности воды и донных отложений Азовского и Черного морей. Способ включает помещение флуоресцирующих тест-объектов в контрольные и анализируемые пробы, облучение возбуждающим светом, определение флуоресцентных характеристик, по изменению которых судят о токсичности контролируемой среды.

Изобретение относится к области спектроскопии и касается многоспектральной камеры. Многоспектральная камера содержит диафрагму, дисперсионный элемент, линзу, микролинзовую решетку, фотоприемное устройство и процессор.

Изобретение относится к спектрометрии. .

Изобретение относится к измерительному устройству (14), содержащему датчик (16) для определения, по меньшей мере, одного компонента и/или, по меньшей мере, одного из свойств материала (4), причем датчик (16) содержит, по меньшей мере, один источник (18) освещения, который направляет, по меньшей мере, один световой луч (20) на подлежащий исследованию материал (4), а измерительное устройство (14) содержит, по меньшей мере, один эталонный объект (34, 32, 33) для калибровки измерительного устройства (14), при этом часть светового луча (20) источника (18) освещения отклоняется на эталонный объект (34, 32, 33) так, что устраняется необходимость в попеременном переходе с исследуемого материала на эталонный объект.

Изобретение относится к области физической органической химии, к разделу спектрофотометрии растворов, находящихся при повышенном давлении, и используется для научных исследований.

Изобретение относится к устройствам для спектрального анализа, в котором применяется метод просыпки Я Ц Ход щоолоно Оптическая ось В/нОух порошкообразного материала через ду-, говой заряд.Цель изобретения - повы-I шение производительности и точности анализа.

Изобретение относится к области медицины и касается устройства для воздействия инфракрасным излучением на кожу человека. Устройство выполнено в виде магнитно-резонансного томографа, и содержит приемо-передающий канал, блок пространственной локализации, микропроцессорный контроллер и дисплей.

Изобретение относится к области медицинской техники и касается устройства для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани. Устройство содержит флуоресцентно-отражательный спектрометр, включающий осветительную и спектрометрическую системы, подключенные к Y-образному волоконно-оптическому щупу. Кроме того, устройство снабжено двумя каналами, один из которых предназначен для подачи жидкости на исследуемый орган для смыва крови и подключен к насосу, а другой канал, предназначенный для аспирации жидкости и крови с исследуемого органа, соединен с помпой. Оба канала и дистальный конец волоконно-оптического щупа помещены в наконечник, образуя волоконно-оптический зонд. Наконечник выполнен в виде металлического цилиндра с раструбом на конце, прилегающим к исследуемому органу. Технический результат заключается в повышении точности и стабильности результатов измерений, а также в обеспечении возможности проведения исследований сердца, находящегося в организме. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Наверх