Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани

Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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.