Способ удаления опухолей мозга с выделением границ опухоли флуоресцентной диагностикой с одновременной коагуляцией и аспирацией и устройство для его осуществления

Способ удаления опухолей мозга с выделением границ опухоли флуоресцентной диагностикой с одновременной коагуляцией и аспирацией и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Заявляемое изобретение относится к медицине, а именно к онкологии, и может быть использовано для удаления злокачественных опухолей лазерной коагуляцией и аспирацией тканей с непрерывной флуоресцентной диагностикой границ опухоли.

Принцип флуоресцентной диагностики заключается в способности фотосенсибилизаторов, избирательно накапливающихся в злокачественной ткани, испускать флуоресценцию при облучении лазером соответствующей длины волны. Спектрометрический анализ такой флуоресценции позволяет делать выводы о наличии раковых клеток в ткани.

Использование флуоресцентной диагностики дает значительные преимущества при удалении опухолей, локализованных в мозге. Это связано с тем, что повреждение гематоэнцефалического барьера в клетках опухоли позволяет проникать фотосенсибилизатору в опухолевые клетки, в то время как здоровые клетки не накапливают его. Это приводит к высокому контрасту (до 40:1) флуоресценции опухолевой ткани к флуоресценции, наблюдаемой на участках здоровой ткани. Применение флуоресцентной диагностики при удалении опухолей мозга позволяет вдвое увеличить показатель 6-месячной выживаемости пациентов.

Известен способ удаления опухолей мозга с выделением границ опухоли с помощью флуоресцентной диагностики. Способ заключается в том, что для выделения границ опухоли ее контрастируют препаратом фотосенсибилизатором. Флуоресценцию фотосенсибилизатора (или веществ, выделяемых клетками в присутствии фотосенсибилизатора), избыточная концентрация которого создана в опухолевых клетках, наблюдают на видеомониторе или в флуоресцентном канале нейрохирургического микроскопа при освещении операционного поля излучением определенного спектрального диапазона (Stummer W., Pichlmeier U. et al. ALA-Glioma Study Group. Fluorescence-guided surgery with 5-aminolevulinic acid for resection of malignant glioma: A randomized controlled multicentre phase III trial // Lancet Oncol. 2006. V.7, p.392-401). По наблюдаемой картине флуоресценции уточняются границы опухоли. Выявленная патологическая ткань под визуальным контролем удаляется путем коагуляции (например, электрокоагуляции) и аспирации стандартными хирургическими инструментами или неконтактным выпариванием (абляцией) при воздействии высокоэнергетического лазерного излучения.

Данный способ удаления опухолей мозга с выделением границ опухоли с помощью флуоресцентной диагностики имеет следующие недостатки.

Он обладает низкой точностью, так как операционное поле, которое является не плоским, практически невозможно равномерно осветить, что приводит к различной интенсивности флуоресценции от участков с равной концентрацией фотосенсибилизатора. Существенным недостатком является вероятность пропускания участков опухоли, не попадающих в прямое поле видения из-за нависающих краев, что делает невозможным применение этого способа для удаления глубоколежащих опухолей через малый канал доступа. Недостатком также является невозможность количественного измерения уровня флуоресценции в диагностируемых участках, что снижает точность определения границ опухоли.

Данный способ осуществляется при работе известного устройства (М.Noguchi, E.Aoki, D.Yoshida, Etsuko Kobayashi, S.Omori, Y.Muragaki, H.Iseki, K.Nakamura, and I.Sakuma «A Novel Robotic Laser Ablation System for Precision Neurosurgery with Intraoperative 5-ALA-lnduced PplX Fluorescence Detection» / R.Larsen, М.Nielsen, and J.Sporring (Eds.): MICCAI 2006, LNCS 4190, pp.543-550, 2006). Устройство включает видеокамеру с фильтрами, с помощью которой получают изображения операционного поля с флуоресцирующими участками. На видеокамере жестко закреплен узел, содержащий дополнительный измерительный зонд и микролазер, которые могут приводиться в согласованное движение с помощью механизма сканирующей системы. Для обработки и хранения флуоресцентных изображений, а также для управления узлом, содержащим измерительный зонд и микролазер, используется персональный компьютер.

Данная система имеет ряд существенных недостатков. Так как диагностика и лазерная абляция производятся узлами системы на некотором расстоянии от опухолевой ткани, это исключает возможность флуоресцентной диагностики и деструкции участков опухоли, не попадающих в поле прямого зрения. Также невозможно удаление опухоли через малые каналы доступа и удаление внутритканевых опухолевых узлов. Из-за малой глубины проникновения лазерного излучения, используемого для абляции и, соответственно, небольшой толщины удаляемого слоя ткани, а также для снижения вероятности ошибок при диагностике, требуется проведение большого количества циклов, включающих обязательное послойное получение флуоресцентных изображений и лазерной абляции, что чрезвычайно увеличивает время, требуемое для удаления всего объема опухоли.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению, относящемуся к способу удаления опухолей мозга с выделением границ опухоли флуоресцентной диагностикой, является способ, описанный в публикации (N.Haj-Hosseini, J.Richter, S.Andersson-Engels, and К.Wardell Optical Touch Pointer for Fluorescence Guided Glioblastoma Resection Using 5-Aminolevulinic Acid / Lasers in Surgery and Medicine 42:9-14 (2010)). Этот способ заключается в выборочном возбуждении и количественном измерении флуоресценции в окрестности рабочего конца контактного оптоволоконного зонда и последующем удалении диагностированной опухолевой ткани с помощью стандартных хирургических инструментов. Преимуществом данного метода является высокая точность различения опухолевой и здоровой ткани на границе опухоли за счет количественных измерений флуоресценции. Также увеличена глубина диагностики за счет возможности проведения измерений флуоресценции с погруженным в ткань зондом.

Недостатком данного способа является то, что флуоресцентная диагностика и удаление диагностированной опухолевой ткани проводятся разными инструментами. Возникающие вследствие этого ошибки приводят к увеличению вероятности пропуска участков опухоли и необоснованному удалению здоровой ткани. По этой же причине с помощью данного способа невозможно выполнение операций по удалению глубоколежащих опухолей через малый канал доступа.

Известным устройством, относящимся к системам для удаления опухолей с выделением границ опухоли с помощью флуоресцентной диагностики и наиболее близким к предлагаемому изобретению, является система для резекции биологических тканей сапфировым лезвием с одновременной флуоресцентной диагностикой их злокачественности (Пат. РФ №2372873 С1, опубл. 20.11.2009 г.). Устройство содержит сапфировое лезвие-световод с продольными каналами, в которых размещены оптические волокна, одни из волокон предназначены для подачи излучения, возбуждающего флуоресценцию в зону разреза ткани от присоединенных источников излучения, другие волокна предназначены для передачи излучения флуоресценции на средство, регистрирующее это излучение. Кроме того, часть волокон может использоваться для подачи высокоэнергетического лазерного излучения, которое дополнительно концентрируется светопроводящей кромкой лезвия для коагуляции тканей и сосудов в области разреза для остановки кровотечения.

Однако хирургия опухолей мозга (и других внутритканевых опухолей) с данным устройством имеет ограниченную область применения, так как опухолевая ткань (в том числе коагулированная) только отсекается лезвием и требуется дополнительное устройство для удаления фрагментов опухоли, коагулированной ткани, крови и др. из операционной зоны. Таким образом, имеются существенные недостатки: необходимо одновременное воздействие двумя устройствами, что затрудняет работу хирурга, ограничивает применение устройства для глубоколежащих опухолей, доступ к которым затруднен, и др. В то же время структура тканей мозга (и других однородных тканей) позволяет без затруднений проводить удаление злокачественной ткани путем локальной коагуляции (разными физическими методами) и аспирацией коагулированной ткани. Таким образом, рассечение тканей, осуществляемое устройством, не требуется.

Предлагаемые изобретения направлены на достижение технического результата, заключающегося в повышении точности удаления опухолей мозга при использовании флуоресцентной диагностики, в сокращении времени, требуемом для полного удаления опухоли, в возможности удаления труднодоступных опухолей.

Указанный заявителем технический результат достигается за счет того, что способ удаления опухолей мозга с выделением границ опухоли флуоресцентной диагностикой с одновременной коагуляцией и аспирацией включает в себя при превышении измеренной в малой окрестности конца сапфирового зонда флуоресценцией некоторого порогового значения выполнение локальной лазерной коагуляции и/или электрокоагуляции этого объема и аспирацию коагулированной и опухолевой ткани через сапфировый зонд.

Указанный заявителем технический результат достигается за счет того, что устройство для удаления опухолей мозга с выделением границ опухоли флуоресцентной диагностикой с одновременной коагуляцией и аспирацией содержит сапфировый зонд с продольными каналами, в которых размещены оптические волокна. Одни из волокон предназначены для подачи излучения к ткани для возбуждения флуоресценции и коагуляции, другие волокна предназначены для передачи излучения флуоресценции на средство, регистрирующее это излучение. Сапфировый зонд имеет открытые каналы, один из которых соединен с аспиратором посредством шланга, при этом дистальные концы оптических волокон находятся на минимальном расстоянии от торца сапфирового элемента, а их взаимное положение обеспечивает возможность регистрации флуоресцентного излучения из зоны, совпадающей с зоной коагуляции и аспирации тканей. Торец сапфирового зонда может быть выполнен под прямым углом к оси зонда и/или иметь наклонные преломляющие грани. В другом открытом канале расположены металлические контакты, присоединенные к электрокоагулятору, или на внешней поверхности сапфирового зонда имеются металлические контакты, присоединенные к электрокоагулятору.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения сапфировый зонд, у которого предусмотрено введение оптических волокон с его боковой поверхности (например, на боковой поверхности выполнена проточка, вскрывающая каналы для волокон и других инструментов и не затрагивающая при этом аспирационный канал), имеет облегченную сборку зонда, заключающуюся во введении волокон (а также других элементов) в предназначенные для них каналы, а также замену волокон/инструментов непосредственно в процессе операции без отключения аспиратора.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения сапфировый зонд имеет цилиндрическую форму с осью аспирационного канала, совпадающей с осью сапфирового зонда; каналы, содержащие волокна, предназначенные для подачи излучения, возбуждающего флуоресценцию, и каналы, содержащие волокна, предназначенные для передачи излучения флуоресценции, а также каналы, содержащие волокна, предназначенные для подачи коагулирующего излучения, расположены по кругу в стенке сапфирового зонда.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения на внешней поверхности сапфирового зонда выполнено коническое сужение и поверхность сужения и внутренняя цилиндрическая поверхность аспирационного канала образуют круговой нож.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения на поверхность сапфирового зонда в дистальной части нанесено покрытие, поглощающее и/или частично поглощающее электромагнитное излучение покрытие (светофильтр).

Кроме того, в частном случае реализации изобретения на сапфировый зонд надет стерильный рукав.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения средство, регистрирующее флуоресцентное излучение, выполнено с возможностью подачи звукового сигнала при превышении параметром флуоресценции установленного уровня, и/или имеется по крайней мере один светодиод, который может быть размещен в канале сапфирового зонда, включающийся при превышении параметром флуоресценции установленного уровня.

Осуществление изобретения

Фиг.1 - устройство для удаления опухолей мозга с выделением границ опухоли флуоресцентной диагностикой с одновременной коагуляцией и аспирацией;

Фиг.2 - сапфировый зонд;

Фиг.3 - варианты расположения каналов в сапфировом зонде;

Фиг.4 - дистальный конец сапфирового зонда с преломляющими гранями;

Фиг.5 - дистальный конец сапфирового зонда, имеющий сужение и круговой «нож»;

Фиг.6 - дистальный конец сапфирового зонда с электродом электрокоагулятора в канале;

Фиг.7 - дистальный конец сапфирового зонда с напаянным электродом электрокоагулятора;

Фиг.8 - спектры флуоресценции, полученные при движении сапфирового зонда в канале доступа к опухоли.

Устройство для удаления опухолей мозга с выделением границ опухоли флуоресцентной диагностикой с одновременной коагуляцией и аспирацией (Фиг.1) содержит сапфировый зонд 1, источник излучения 2, например источник лазерного или светодиодного излучения, соединенный с оптическим волокном 4b, средство регистрации флуоресценции 5, соединенное с оптическим волокном 4а, аспиратор 3, соединенный со шлангом 4с, стерильный рукав 6.

Устройство для удаления опухолей мозга лазерной коагуляцией и аспирацией с выделением границ опухоли зондовой флуоресцентной диагностикой работает следующим образом.

Для флуоресцентного контрастирования опухоли пациенту вводят флуоресцентный препарат, например, АЛАСЕНС на основе 5-АЛА (5-аминолевулиновая кислота) в дозировке 20 мг/кг за 4-6 часов до начала оперативного вмешательства. За счет того, что гематоэнцефалический барьер в клетках опухоли поврежден, ко времени начала операции в клетках опухоли создается высокая концентрация протопорфирина-IX, синтезированного проникнувшей в клетки опухоли 5-АЛА.

На этапе формирования канала доступа к опухоли, удаления опухоли и контроля после удаления опухоли выполняется спектрофотометрическая оценка концентрации протопорфирина-IX в ткани мозга с применением средства 5 регистрации флуоресцентного излучения с доставкой возбуждающего излучения и излучения флуоресценции по оптоволокнам 4b и 4а соответственно к дистальному концу сапфирового зонда 1. Для количественного определения концентрации протопорфирина-IX используют калибровочную кривую, полученную с использованием приготовленных образцов с известной концентрацией флуорофора. В процессе операции измеряется флуоресценция здоровой ткани, и далее отслеживается контраст флуоресценции ткани в окрестности зонда к флуоресценции здоровых тканей. При превышении контрастом флуоресценции установленного уровня средство 5 демонстрирует превышение на экране компьютера или в виде звукового сигнала, или путем подачи светового сигнала в поле зрения хирурга, например, посредством свечения светодиодов в одном из каналов сапфирового зонда.

Излучение от источника лазерного излучения 2 с помощью волокон 4b доставляется к дистальному концу сапфирового зонда 1 и, покидая зонд, поглощается в ткани, что приводит к ее коагуляции при достаточной мощности излучения. Длина волны излучения выбрана таким образом, чтобы не попадать в полосы поглощения диагностического флуоресцентного препарата для предотвращения его выгорания, а также чтобы иметь оптимальную для нейрохирургии глубину проникновения и размер зоны лазерной коагуляции. Аспиратор 3 с присоединенным к сапфировому зонду шлангом 4 с осуществляет удаление продуктов деструкции ткани мозга из зоны, диагностируемой как опухолевая ткань.

Сапфировый зонд 1 имеет канал для аспирации 7, открытый с дистального конца, каналы 10 для доставки волокон диагностической системы и коагулирующих волокон 5 (Фиг.2). Каналы для оптических волокон являются непроходными с дистального конца и «вскрыты» посредством проточки 9, так что аспирационный канал не затронут, и оптические волокна 4а вводятся через проточку в соответствующие каналы. Дистальный конец шланга аспиратора 8 охватывает сапфировый зонд позади проточки 9. Стерильный рукав 6, надетый на сапфировый зонд, изолирует волокна и шланг аспиратора 4с от стерильной зоны. Таким образом, волокна, находящиеся при работе деструктора в каналах сапфирового элемента, не требуют стерилизации.

На Фиг.3 показаны варианты формы и размещения каналов аспирации 7 и каналов для размещения оптических волокон 10 в объеме сапфирового зонда. Для увеличения площади сечения аспирационного канала его конфигурация может отличаться от цилиндрической.

Для пространственного совмещения зон диагностики, коагуляции и аспирации на торце сапфирового зонда напротив каналов могут быть выполнены грани 11 (Фиг.4), преломляющие ход оптических лучей.

В частном случае реализации изобретения дистальная часть сапфирового зонда выполнена в виде кольцевого «ножа» (Фиг.5): на дистальном конце сапфирового зонда с осевым расположением аспирационного канала выполнено сужение, так внутренняя цилиндрическая поверхность аспирационного канала 14 и конусная поверхность сужения образуют кольцевой клин 12. В данной конфигурации устройство работает подобно сапфировому лезвию в устройстве-прототипе: пучок света, выходящий из оптического волокна, пройдя границу раздела воздух-сапфир, падает на плоскости кольцевого клина вблизи его кромки; претерпев несколько полных внутренних отражений на границе раздела сапфир-биоткань, излучение, частично выходит из сапфира, с каждым переотражением увеличивает долю энергии, покидающей зонд. Таким образом, на дистальном конце сапфирового зонда формируется кольцевая зона 13 с высокой плотностью энергии излучения (Фиг.5).

В некоторых вариантах реализации изобретения количество каналов для волокон 10 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 оптимальной формы зоны лазерной диагностики и коагуляции. Некоторые каналы могут быть также выполнены открытыми со стороны дистального конца зонда и использоваться для биопсии, а также для размещения электродов коагуляторов 15 (Фиг.6). Также для коагуляции могут использоваться контакты 16, нанесенные на поверхность сапфирового зонда посредством напыления, сварки и др. (Фиг.7).

Работа предлагаемого изобретения иллюстрируется следующим примером.

У больной В. (44) клинически определено очаговое поражение правой теменно-височной области с пирамидальной недостаточностью соответственно очагу поражения. На КГ и МРТ головного мозга с контрастным усилением выявлена внутримозговая опухоль правой теменно-височной области.

На основании проведанного обследования на нейронавигационной системе выполнено планирование и выполнено оперативное лечение. Для проведения интраоперационной флуоресцентной диагностики применен препарат 5-АЛА («Аласенс» 20 мг/кг за 6 часов до начала операции). Под контролем навигационной системы выполнена костно-пластическая трепанация черепа и планирование доступа. По мере формирования канала доступа и приближения к опухолевой ткани непрерывно проводили флуоресцентный анализ по свечению индуцированного протопорфирина-IX с помощью предлагаемого изобретения. При положении дистального конца сапфирового зонда на границе опухоли (по данным КГ, МРТ) регистрировали повышение контраста флуоресценции по отношению к здоровым тканям значений до 6÷7 (Фиг.8) и при положении инструмента в центре опухоли - до 20 и более раз, что позволяло с высокой вероятностью свидетельствовать о корректном осуществлении доступа. Далее произведено тотальное удаление опухолевой ткани традиционными методами.

После операции неврологическая симптоматика не наросла. Больная активизирована. Гистологически верифицирована глиобластома (G4). Через 2 недели выполнена лучевая терапия по стандартным протоколам.

Способ удаления опухолей мозга с выделением границ опухоли флуоресцентной диагностикой с одновременной лазерной коагуляцией и аспирацией и устройство для его осуществления на основе сапфирового зонда позволяют на тканевом уровне дифференцировать границы опухолевого процесса тканей мозга непосредственно во время удаления новообразования.

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

1. Способ удаления опухолей мозга с выделением границ опухоли флуоресцентной диагностикой с одновременной коагуляцией и аспирацией, включающий измерение флуоресценции, коагуляцию и аспирацию ткани опухоли, отличающийся тем, что при превышении некоторого порогового значения флуоресценции, измеренной в малой окрестности конца сапфирового зонда, проводится лазерная коагуляция и/или электрокоагуляция этой области ткани и аспирация коагулированной и опухолевой ткани через тот же сапфировый зонд.

2. Устройство для удаления опухолей мозга с выделением границ опухоли флуоресцентной диагностикой с одновременной коагуляцией и аспирацией, содержащее сапфировый зонд с продольными каналами, в которых размещены оптические волокна, одни из волокон предназначены для подачи излучения, возбуждающего флуоресценцию, и коагулирующего излучения в зону деструкции ткани от присоединенных источников излучения, другие волокна предназначены для передачи излучения флуоресценции на средство, регистрирующее это излучение, отличающееся тем, что сапфировый зонд имеет открытые каналы, один из которых соединен с аспиратором посредством шланга, при этом взаимное расположение канала для аспирации и каналов, в которые помещены волокна, обеспечивает возможность регистрации флуоресцентного излучения из зоны, совпадающей с зоной коагуляции и аспирации тканей в области рабочего конца зонда, торец которого может быть выполнен под прямым углом к оси зонда и/или иметь наклонные преломляющие грани, в другом открытом канале расположены металлические контакты, присоединенные к электрокоагулятору, или на внешней поверхности сапфирового зонда имеются металлические контакты, присоединенные к электрокоагулятору.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в сапфировом зонде предусмотрено введение оптических волокон с его боковой поверхности.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что сапфировый зонд имеет цилиндрическую форму с осью аспирационного канала, совпадающей с осью сапфирового зонда; каналы, содержащие волокна, предназначенные для подачи излучения, возбуждающего флуоресценцию, и каналы, содержащие волокна, предназначенные для передачи излучения флуоресценции, а также каналы, содержащие волокна, предназначенные для подачи коагулирующего излучения, расположены по кругу в стенке сапфирового зонда.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что на внешней поверхности сапфирового зонда выполнено коническое сужение и поверхность сужения и внутренняя цилиндрическая поверхность аспирационного канала образуют круговой нож.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что на поверхность сапфирового зонда в дистальной части нанесено покрытие, поглощающее и/или частично поглощающее электромагнитное излучение покрытие (светофильтр).

7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что на сапфировый зонд надет стерильный рукав.

8. Устройство по п.2, отличающееся тем, что средство, регистрирующее флуоресцентное излучение, выполнено с возможностью подачи звукового сигнала при превышении параметром флуоресценции установленного уровня и/или имеется, по крайней мере, один светодиод, который может быть размещен в канале сапфирового зонда, включающийся при превышении параметром флуоресценции установленного уровня.