Способ слежения за глубиной промораживания ткани при криодеструкции и система для его осуществления
Владельцы патента RU 2719911:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) (RU)
Группа изобретений относится к медицинской технике. Технический результат состоит в упрощении способа слежения за положением ледяного фронта при криодеструкции, повышении пространственной чувствительности измерения глубины ледяного фронта в ткани с применением спектроскопии рассеяния, не оказывающей воздействия на объекты криохирургии и организм в целом. Способ заключается во внешнем измерении обратнорассеянного излучения с помощью нескольких пар облучающих и приемных волокон с различными глубинами миграции регистрируемых фотонов одновременно с внешним замораживанием; по времени стабилизации сигнала обратнорассеянного излучения в каждой паре волокон оцениваются положение и скорость движения ледяного фронта. Система включает криодеструктор с сапфировым хладопроводом с протяженными каналами, в которых расположены волокна, присоединенные попарно к источнику монохроматического излучения и фотометрической системе, расстояние между волокнами в каждой паре возрастает с равным приращением, на излучающих волокнах имеются волоконные аттенюаторы; в частном случае реализации имеется емкость, содержащая запас жидкого азота, в которую погружен дистальный конец сапфирового хладопровода. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к криогенным технологиям, а именно криохирургии и криотерапии, и может быть применено в общей и детской хирургии.
Известны способы предсказания размера зоны промораживания при криодеструкции с использованием математических моделей. При этом в выбранных точках температура может измеряться с использованием термопар или импедансометрии через иглы-электроды с аппроксимацией измеренной температуры на остальной объем. Это может приводить к ошибочным излишнему или недостаточному промораживанию выделенного объема.
Для криодеструкции патологий внутренних органов контроль размера зоны промораживания чрезвычайно важен и прецизионно осуществим при применении дорогостоящих методик визуализации магниторезонансной и компьютерной томографией. Существенно меньшую точностью обеспечивает визуализация криодеструкции с использованием ультразвукового исследования из-за наличия теневой области, создаваемой зоной замораживания.
Криодеструкция кожных патологий, тканей слизистых оболочек и криодеструкция органов при открытой хирургии (печени, поджелудочной железы, мозга и др.) осуществляется при широком спектре заболеваний. Возможность частично визуально наблюдать процесс замораживания по формированию ореола льда вокруг области внешнего контакта криоаппликатора и ткани приводит к уверенности, что такой контроль в совокупности с опытом хирурга достаточен для получения запланированного результата. Тем не менее, контроль глубины промораживания при криодеструкции кожных патологий и тканей слизистых оболочек и органов не менее важен. Из-за сложной структуры этих тканей, недостаточное промораживание на заданную глубину вызовет рецидив заболевания, чрезмерно интенсивное переохлаждение приведет к повреждению здоровых тканей, худшему заживлению и плохому косметическому эффекту.
Известен способ слежения за образованием льда в ткани с применением оптического излучения видимого диапазона. [Otten, D.М., Rubinsky, В., Cheong, W.-F., & Benaron, D.А. (1998). Ice-front propagation monitoring in tissue by the use of visible-light spectroscopy. Applied Optics, 37(25), 6006. doi:10.1364/ao.37.006006]. Замороженная и не замороженная биологическая ткань имеет различные оптические характеристики, в том числе, при образовании льда в ткани возрастает рассеяние. Это приводит к снижению общего пропускания, как за счет возрастания оптического пути излучения, так и за счет увеличения вероятности поглощения излучения в ткани.
В известном способе для измерения пропускания ткани при замораживании используется пара волокон: облучающее и собирающее, погруженные в ткань. Волокна располагаются в линию с ориентацией торцов навстречу друг другу (регистрация прошедшего излучения) или параллельно в одном направлении (регистрация обратнорассеянного излучения). Расположение волокон навстречу позволяет напрямую получить временную зависимость пропускания от положения ледяного фронта, близкую к линейной зависимости. Расстояние между торцами не превышает 10 мм, что соответствует максимальной глубине проникновения излучения в ткань для диапазона λ=700-1000 нм. Практическое применение способа с таким расположением волокон для контроля замораживания в процессе криохиругии в медицине затруднительно.
При расположении волокон параллельно рядом друг с другом об изменениях свойств ткани судят по изменению интенсивности обратнорассеянного излучения: при подаче излучения в одно из волокон, вторым волокном захватывается часть рассеянного излучения, отклонившегося от первоначального направления на 180 градусов. Траектории регистрируемых (диагностических) фотонов лежат преимущественно внутри области, имеющей форму «банана», опирающейся на торцы волокон. При образовании льда у поверхности ткани, часть пути диагностических фотонов лежит в области, где образовался лед, что приводит к изменению (увеличению) доли обратнорассеянного излучения. По мере движения ледяного фронта вглубь ткани интенсивность регистрируемого рассеянного излучения изменяется до момента, когда все траектории окажутся внутри зоны замораживания, - регистрируемое излучение принимает стационарное значение, а глубина промораживания ткани соответствует средней глубине миграции диагностических фотонов в замороженной ткани.
Последний способ обладает преимуществами, заключающимися в простоте реализации устройства и интерпретации получаемых данных. Внешнее измерение обратнорассеянного излучения реализовано для большинства органов и тканей с применение волоконно-оптических зондов.
Недостатком использования измерения обратного рассеяния для слежения за глубиной промораживания при криодеструкции является «ступенчатая» (а не линейная, как в случае измерений по пропусканию) характеристика чувствительности. Она позволяет фиксировать преодоление границей льда единственной известной глубины, определяемой фиксированным расстоянием между парой волокон. При этом отсутствует возможность динамического слежения за перемещением ледяного фронта, оценки скорости его движения.
Известным устройством, позволяющим осуществлять криодеструкцию одновременно с измерением оптических свойств ткани в окрестности контактной площадки криоаппликатора, является крионаконечник с сапфировым аппликатором-облучателем [Патент РФ 2496442 «Крионаконечник с сапфировым хладопроводом-облучателем», опубл. 27.10.2013]. Аппликатор изготовлен из прозрачного сапфира с протяженным одним или несколькими каналами, внутри которых располагаются оптические волокна, волокна присоединены к источнику излучения и спектрометру. Лазерное излучение передается непосредственно в область криодеструкции для флуоресцентной диагностики, комбинации криохирургии и температурного воздействия, а также оттаивания контактной области крионаконечника. Известное устройство не может быть применено для осуществления динамического слежения за движением ледяного фронта при криодеструкции с использованием спектроскопии обратного рассеяния, так как в нем не предусмотрено согласованное расположение пар облучающих и приемных волокон, а также не предусмотрено устройство регулировки излучения, доставляемого по волокнам к зоне криодеструкции.
Задачей данного изобретения является предложение простого в реализации и интерпретации способа оценки скорости и глубины промораживания при криодеструкции.
Технический результат состоит в упрощении способа и системы слежения за положением ледяного фронта при криодеструкции, снижении системного вреда от использования слежения за положением ледяного фронта при криодеструкции, повышении пространственной чувствительности при слежении за положением ледяного фронта в ткани с применением спектроскопии рассеяния.
Технический результат достигается за счет того, что в способе измерения глубины промораживания при криодеструкции, заключающемся во внешнем измерении обратнорассеянного излучения с помощью облучающего и приемного волокна одновременно с внешним замораживанием, в момент стабилизации сигнала обратнорассеянного излучения глубина промораживания ткани равна глубине чувствительности для данной пары волокон, используются несколько пар волокон с различными глубинами чувствительности, по времени стабилизации сигнала обратнорассеянного излучения в разных парах волокон оцениваются положение и скорость движения ледяного фронта.
Технический результат достигается за счет того, что в системе для осуществления способа изобретения, включающей крионаконечник с сапфировым хладопроводом с протяженными каналами, в которых расположены волокна, присоединенные к источнику монохроматического излучения и фотометрической системе, облучающие волокна и приемные волокна образуют диагностические пары, расстояние между волокнами в каждой паре возрастает с равным приращением, на излучающих волокнах имеются волоконные аттенюаторы, имеется емкость, содержащая запас жидкого азота, в которую погружен дистальный конец сапфирового хладопровода.
Способ осуществляется без применения дорогостоящего оборудования. Так как измерения проводят через криоаппликатор с применением излучения видимого диапазона малой мощности, то данный способ не оказывает сколько-нибудь заметного воздействия на объекты криохирургии и организм в целом и может применяться многократно.
Измерения, проводимые на нескольких глубинах, позволяют определять положение ледяного фронта в различное время в течение аппликации, оценивать скорость смещения границы зоны замораживания вглубь ткани, обеспечивая возможность определения положения границы льда в ткани с погрешностью, которая может не превышать 0,5 мм.
Изобретение поясняется рисунками:
Фиг. 1 Схема криодеструктора с сапфировым хладопроводом для контроля глубины промораживания ткани в процессе криодеструкции.
Фиг. 2 Схема системы для криодеструкциис возможностью слежения за глубиной промораживания.
Фиг. 3 Динамическое изменение пропускания 4-х диагностических каналов системы, Δz=1 мм
1 - сапфировый хладопровод
2 - центральный канал хладопровода
2а - радиальный канал хладопровода
3 - волокна, присоединенные к фотометрической системе
4 - волокна, присоединенные к источнику оптического излучения
5 - источник оптического излучения
6 - фотометрическая система
7 - волоконные аттенюаторы
8 - устройство ввода/вывода и отображения информации
9 - жидкий азот
10 - резервуар
11 - биологическая ткань, содержащая зону криодеструкции
12 - изотермы зоны замораживания
13 - среднестатистическая траектория миграции диагностических фотонов
Δх - шаг изменения расстояния между волокнами диагностических пар
Δz - шаг измерения глубины зондирования
Пример реализации системы
Частный случай реализации системы включает криоаппликатор с цилиндрическим сапфировым хладопроводом 1 диаметром 12,5 мм (Фиг. 1). В криоаппликаторе имеется два канала - центральный 2 диаметром 1.2 мм и радиальный 2а в виде щели размерами 1 мм на 5 мм, закрытые со стороны контактной площадки наконечника. В центральном канале 2 располагается приемное волокно 3 диаметром 600 мкм, в щелевом канале 2а располагается жгут, содержащий девять излучающих волокон 4 (диаметр сердцевины 200 мкм), расположенных в линию на фиксированном расстоянии друг от друга Δх=0,6 мм, соответствующем шагу изменения глубины зондирования Δz=0,4 мм. Волоконные окончания подключены к источнику оптического излучения 5 и фотометрической системе 6 посредством SMA-разъемов. Для выравнивания динамического диапазона измерений и возможности индивидуальной подстройки каждое излучающее волокно имеет волоконный аттенюатор 7. Управление измерениями, хранение и отображение информации производится посредством устройства ввода/вывода и отображения информации 8. Для охлаждения сапфирового хладопровода 1 его поверхность омывается жидким азотом 9, находящимся в резервуаре 10, образуя, таким образом, криодеструктор заливного типа.
Работа системы осуществляется следующим образом. Собирается криодеструктор заливного типа, а именно, стерилизованный сапфировый хладопровод 1 закрепляется в резервуаре 10, приемное оптическое волокно 4 и волоконный жгут 3 вводятся в каналы 2 и 2а хладопровода. Проводится калибровка системы с использованием эталонного фантома с известными параметрами оптического рассеяния, соответствующего типу замораживаемой ткани. Резервуар 10 заполняется жидким азотом 9, после чего система выдерживается в течение 2 минут для полного охлаждения сапфирового хладопровода. После чего приступают к криодеструкции. Контактная площадка сапфирового хладопровода приводится в соприкосновение с биологической тканью, содержащей зону криодеструкции 11 (не допускается отлипание и повторное приложение), при непрерывной регистрации диффузно рассеянного излучения.
Приемное центральное волокно 4 и каждое из излучающих волокон образуют диагностическую пару со своим межосевым расстоянием. При этом глубина зондирования соответствует глубине залегания среднестатистической траектории миграции диагностических фотонов 12 между этими волокнами. Регистрация происходит последовательно через каждую диагностическую пару (последовательное «включение» излучающих волокон), длительность одного измерения выбирается таким образом, чтобы время измерений и обработки данных в полном цикле было существенно меньше времени прохождения ледяным фронтом расстояния, соответствующего шагу глубины зондирования Δz=0,4 мм.
После контакта сапфирового хладопровода, находящегося при температуре, близкой к температуре жидкого азота (-196°С), в живой биологической ткани 11 вблизи контактной площадки температура резко падает, что приводит к образованию градиента температуры, распространяющегося вглубь ткани, который можно характеризовать изотермами зоны замораживания 12 (Фиг. 2). Поверхность изотермы, соответствующая температуре замерзания воды, смещается вглубь ткани от площадки контакта. По мере ее движения происходит последовательное превышение ею глубин зондирования 13 каждой диагностической пары, при этом интенсивность регистрируемого сигнала диффузно-рассеянного излучения в среде, которая стала оптически-изотропной, выравнивается (приобретает стационарное значение).
Динамическое изменение сигнала четырех диагностических каналов системы с глубиной зондирования z=1,6 мм, полученное при криодеструкции модели фрагмента биологической ткани, показаны на Фиг. 3. По моменту наступления стационарного режима для пары волокон с минимальной глубиной зондирования и последующих пар (t1,…t4соответственно) определяется текущая глубина промораживания ткани и оценивается скорость движения ледяного фронта вглубь ткани. Возможность реализации, доступность комплектующих деталей и технологии изготовления соответствуют критерию изобретения «промышленная применимость».
1. Способ слежения за глубиной промораживания ткани при криодеструкции, заключающийся во внешнем измерении обратнорассеянного излучения с помощью облучающего и приемного волокна одновременно с внешним замораживанием, в момент, когда измеряемое обратнорассеяноое излучение принимает постоянное значение, глубина промораживания ткани равна средней глубине миграции регистрируемых фотонов для данной пары волокон, отличающийся тем, что используются несколько пар волокон с различными глубинами миграции регистрируемых фотонов, по времени стабилизации сигнала обратнорассеянного излучения в разных парах волокон оцениваются положение и скорость движения ледяного фронта.
2. Система для осуществления способа по п. 1, включающая криодеструктор с сапфировым хладопроводом с протяженными каналами, в которых расположены волокна, присоединенные к источнику монохроматического излучения и фотометрической системе, отличающаяся тем, что облучающие волокна и приемные волокна образуют диагностические пары, расстояние между волокнами в каждой паре возрастает с равным приращением, на излучающих волокнах имеются волоконные аттенюаторы.
3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что имеется емкость, содержащая запас жидкого азота, в которую погружен дистальный конец сапфирового хладопровода.
