Способ интраоперационной диагностики границ злокачественной опухоли и устройство для его осуществления

Способ интраоперационной диагностики границ злокачественной опухоли и устройство для его осуществления

Реферат

Предложенные способ и устройство относятся к медицине, а именно к флуоресцентной диагностике злокачественных опухолей головного мозга с использованием лазерного излучения. Точное установление границ распространения опухоли непосредственно в процессе операции позволяет достичь наиболее полного ее удаления.

В современной нейроонкологической практике используют хирургические микроскопы, например германской компании «CarlZeiss», снабженные встроенными модулями, которые позволяют использовать феномен флуоресценции опухолей, предварительно накопивших протопофирин IX. В качестве источников излучения требуемой длиной волны используются ксеноновые и галогеновые лампы с соответствующими оптическими фильтрами. Опыт зарубежных и отечественных нейроонкологов показывает, что существующие системы имеют ряд серьезных недостатков. Во-первых, во время активации флуоресцентного режима микроскопа происходит значимое ослабление пучка излучения, что приводит к значимому снижению интенсивности флуоресценции опухоли и, как следствие, к снижению степени радикальности удаления новообразования. Во-вторых, во флуоресцентном режиме отсутствует освещение операционного поля белым светом, при этом в значительной мере теряются детали микрохирургической картины в зоне операции. Этот факт затрудняет работу хирургу, поскольку для контроля за степенью удаления опухоли приходится время от времени переключать режимы визуализации с флуоресцентного на освещение белым светом.

Для устранения вышеуказанных недостатков используют электронные средства регистрации. В патенте ЕР 2074933 для определения границы опухоли полученное с цветной видеокамеры изображение математически обрабатывается. Метод использует флуоресценцию протопорфирина IX, в спектре флуоресценции которого присутствуют два пика шириной около 10 нм и максимумами на длинах волн 635 нм и 705 нм, что совпадает с областью спектральной чувствительности исключительно красного канала видеокамеры.

На полученном цветном кадре имеется максимум яркости красного канала изображения, на основании значения которого находится пороговое значение яркости (эмпирически определено, что это приблизительно 30% от максимальной яркости). Опухолью считаются все участи ткани, где яркость превышает данный порог. Метод опирается на достаточно субъективный критерий определения этого порога, а поскольку изображение формируется не только за счет флуоресценции, но и фоновой засветки, при высоком уровне последней метод будет обладать малой разграничивающей способностью. На полученном в итоге изображении присутствует только обозначение границ опухоли без привязки к реальным видимым объектам, что затрудняет ее удаление. При использовании другого фотосенсибилизатора с другим спектром флуоресценции использование метода становится более затруднительным.

Известен флуоресцентный эндоскоп (RU 2290855 С1, 10.01.2007) с комбинированным осветительным блоком, который наряду с излучением непрерывного белого света для освещения способен также излучать короткие одиночные импульсы света определенного спектрального состава для возбуждения флуоресценции. В устройстве используют две камеры для формирования конечного изображения. Первая камера работает непрерывно, с использованием непрерывного освещения получая цветное изображение объекта. Вторая камера, перед которой установлен оптический фильтр, пропускающий только свет в спектральной полосе флуоресценции фотосенсибилизатора, с использованием импульсной подсветки получает изображение флуоресценции. Данное устройство менее чувствительно, к присутствию фонового освещения из-за примененного фильтра, однако, не исключает влияние фонового освещения. Устройство может быть реализовано в эндоскопии, где, фактически, фоновое освещение отсутствует, но даже в этом случае постоянно работающий источник белого света будет влиять на диагностические показания прибора.

Наиболее близким решением является устройство, описанное в патенте ЕР 2587988 А1, 08.05.2013, в котором предлагают использовать последовательное облучение белым светом и светом, возбуждающим флуоресценцию. Перед цветной камерой установлен фильтр, отсекающий возбуждающий флуоресценцию свет. Сначала образец облучают белым светом, чтобы получить обычное изображение объекта. Затем фиксируют кадр, полученный при облучении светом, возбуждающим флуоресценцию.

Полученные кадры трансформируют в черно-белые изображения, при этом, во втором случае остается цвет флуоресценции. Затем полученные изображения объединяют и получают черно-белый кадр с изображением объекта, на котором цветом обозначена флуоресценция. Недостатком данного устройства является то, что из-за примененного оптического фильтра, цвета искажаются, поэтому возможно формирование только черно-белого изображения. Поскольку для регистрации флуоресценции используется один из цветовых каналов камеры, возможна фоновая засветка при формировании изображения флуоресценции. При использовании фотосенсибилизатора со спектром, принадлежащим нескольким цветовым каналам камеры, использование подобного устройства становится более затруднительным.

Задачей, на достижение которой направлена заявляемая группа изобретений, является точное установление границ распространения злокачественной опухоли головного мозга непосредственно в процессе операции и снижение риска механических повреждений сосудов и окружающей здоровой ткани.

Техническим результатом указанной группы изобретений является повышение эффективности флуоресцентной диагностики в процессе операции за счет четкого определения границ распространения злокачественной опухоли.

Технический результат достигается следующим образом.

Согласно способу интраоперационной диагностики границ злокачественной опухоли перед операцией вводят фотосенсибилизатор, обследование ведут путем облучения оперируемой зоны и патологической ткани белым светом и лазерным излучением, и регистрации отраженного излучения и флуоресценции с последующей обработкой кадров изображения и выводом изображения на монитор. Регистрацию оперируемой зоны и патологической ткани осуществляют последовательно при постоянно присутствующем в помещении свете. Сначала осуществляют регистрацию цветного кадра с изображением оперируемой зоны и патологической ткани в белом свете, затем одновременную регистрацию двух черно-белых кадров с изображением оперируемой зоны и патологической ткани для двух различных полос пропускания флуоресценции фотосенсибилизатора с выключенными источниками белого света и лазерного излучения,, а затем регистрацию двух черно-белых кадров с изображением оперируемой зоны и патологической ткани для двух различных полос пропускания флуоресценции фотосенсибилизатора осуществляют в лазерном излучении. Затем обрабатывают все пять кадров с изображениями и формируют на экране монитора результирующее цветное изображение. При этом регистрацию кадров с изображением оперируемой зоны и патологической ткани осуществляют последовательными циклами с частотой от 1 Гц до 100 Гц.

Способ реализуется с помощью устройства, включающего ЭВМ, монитор, источник белого света, во включенном состоянии равномерно освещающий оперируемую зону и патологическую ткань, и источник лазерного излучения, во включенном состоянии равномерно освещающий оперируемую зону и патологическую ткань, и длина волны которого лежит в пределах спектральной полосы возбуждения фотосенсибилизатора, регистрирующую систему. Регистрирующая система включает объектив, светоделитель, выполненные с возможностью формирования изображения оперируемой зоны и патологической ткани на светочувствительных матрицах датчика цветного изображения, выполненного с возможностью регистрации цветного кадра с изображением оперируемой зоны и патологической ткани, двух датчиков черно-белого изображения, выполненных с возможностью одновременной регистрации двух черно-белых кадров оперируемой зоны и патологической ткани. Перед датчиками черно-белого изображения установлены оптические полосовые фильтры, выполненные с возможностью пропускания флуоресценции фотосенсибилизатора в разных спектральных интервалах.. ЭВМ выполнена с возможностью управления регистрацией кадра датчиком цветного изображения одновременно с освещением оперируемой зоны и патологической ткани источником белого света, и с возможностью управления регистрацией двух черно-белых кадров датчиками черно-белого изображения с выключенными источниками белого света и лазерного излучения, и с возможностью управления регистрацией двух черно-белых кадров датчиками черно-белого изображения одновременно с освещением оперируемой зоны и патологической ткани источником лазерного излучения, обработки кадров, полученных с датчиков цветного изображения (7), черно-белого изображения (8, 9), формирования на мониторе (2) результирующего цветного изображения оперируемой зоны и патологической ткани.

В спектре флуоресценции протопорфирина IX присутствуют два пика шириной около 10 нм и максимумами на длинах волн 635 нм и 705 нм. Получая изображение только в одном спектральном интервале, например 630-640 нм, часть полезной диагностической информации, содержащейся в полосе 700-710 нм, теряется. Кроме того, для опухолей характерно различное перерождение тканей и, соответственно, изменение ее оптических свойств, например, первая полоса флуоресценции может практически полностью поглощаться тканью и, соответственно, не регистрироваться. Таким образом, для разных типов опухоли соотношения интенсивностей флуоресценции в указанных спектральных интервалах могут отличаться. Одновременная регистрация двумя датчиками черно-белого изображения с использованием различных фильтров, пропускающих флуоресценцию в определенных спектральных интервалах, увеличивает точность определения границ опухоли и по наблюдаемым различиям полученных изображений флуоресценции позволяет определять ее характер. При детектировании флуоресценции протопорфирина IX два фильтра пропускают излучение в спектральных интервалах 630-640 нм и 700-710 нм соответственно.

Технический результат достигается за счет последовательности облучения оперируемой зоны и патологической ткани и получения цветного кадра, одновременно двух черно-белых (фиксирующих естественный фон) кадров в двух различных спектральных интервалах и одновременно двух черно-белых кадров при свете лазера в двух различных спектральных интервалах (фиксирующих флуоресценцию), а также за счет конструктивных элементов устройства, в частности, наличия двух датчиков черно-белого изображения и одного датчика цветного изображения, выполненных с возможностью получения 5 кадров с изображением оперируемой зоны и патологической ткани, ЭВМ, выполненной с возможностью обработки полученных кадров и формирования на мониторе в реальном времени результирующего цветного изображения оперируемой зоны и патологической ткани. При этом на результирующем изображении устранено влияние постоянно присутствующего в помещении света (естественного фона), в связи с чем флуоресцирующие области выделены сильно контрастирующим цветом, что позволяет увидеть четкие границы опухоли.

Одновременная регистрация изображения двумя черно-белыми датчиками с использованием различных полосовых оптических фильтров, пропускающих флуоресценцию в определенных спектральных диапазонах, в режиме с включенным источником лазерного излучения увеличивает точность определения границ опухоли за счет получения изображений одновременно в двух спектральных интервалах, что позволяет не потерять диагностическую информацию, где соотношения интенсивностей флуоресценции могут отличаться.

За счет определенной частоты последовательности запуска циклов облучения в результате наложения изображений оперируемой зоны со злокачественной опухолью и флуоресцентной картины на монитор выводится изображение в реальном времени, что также повышает эффективность диагностики.

Техническое решение представлено на принципиальной схеме устройства (фиг. 1): ЭВМ 1, управляющая составными блоками устройства; монитор 2, на котором отображаются результирующие кадры; контролируемый ЭВМ 1 источник белого света 3, во включенном состоянии равномерно освещающий подлежащую диагностике злокачественную опухоль и остаточные фрагменты после ее удаления; контролируемый ЭВМ 1 источник лазерного излучения 4, длина волны которого лежит в пределах спектральной полосы возбуждения фотосенсибилизатора λ_в1÷λ_в2, во включенном состоянии равномерно освещающий подлежащую диагностике злокачественную опухоль и остаточные фрагменты после ее удаления; контролируемая ЭВМ 1 регистрирующая система. Регистрирующая система включает объектив 5 и светоделитель 6, которые формируют изображения объекта на светочувствительных матрицах датчика цветного изображения 7 и датчиков черно-белого изображения 8 и 9, а так же установленные перед датчиками изображения 8 и 9 полосовые оптические фильтры 10 и 11, пропускание света которыми ограничено полосами флуоресценции фотосенсибилизатора λ_ф11÷λ_ф12 и λ_ф21÷λ_ф22 соответственно.

ЭВМ 1 формирует изображение на мониторе 2 циклически. Сначала ЭВМ 1 с помощью датчика цветного изображения 7 регистрирует цветной кадр с изображением оперируемой зоны и патологической ткани. Одновременно с началом экспонирования кадра датчиком цветного изображения 7 ЭВМ 1 включает источник белого света 3, по окончании экспонирования выключает. Таким образом, фиксируют цветной кадр оперируемой зоны с тканью опухоли, освещенной постоянно присутствующим в помещении светом и источником белого света 3. Затем ЭВМ 1 при помощи датчиков черно-белого изображения 8 и 9 одновременно регистрирует два черно-белых кадра, без включения источников белого света и лазерного излучения. Перед датчиками 8 и 9 установлены полосовые оптические фильтры 10 и 11, пропускание света которых ограничено полосами флуоресценции фотосенсибилизатора λ_ф11÷Х_ф12 и λ_ф21÷λ_ф22 соответственно. Таким образом, на этих кадрах фиксируют изображения оперируемой зоны с тканью опухоли в указанных спектральных интервалах, освещенной постоянно присутствующим в помещении светом. Затем ЭВМ 1 регистрирует одновременно с помощью датчиков черно-белого изображения 8 и 9 следующие два черно-белых кадра, при этом одновременно с началом экспонирования датчиками 8 и 9 ЭВМ1 включает источник лазерного излучения 4, по окончании экспонирования выключает. Таким образом, фиксируют изображения флуоресцирующей опухоли в спектральных интервалах λ_ф11÷λ_ф12 и λ_ф21÷λ_ф22, освещенной постоянно присутствующим в помещении светом и лазерным излучателем 4, то есть на этих кадрах фиксируют естественный фон и флуоресценцию. Затем ЭВМ 1 обрабатывает полученные пять кадров и формирует на мониторе 2 цветное изображение оперируемой зоны и ткани опухоли, на котором сильно контрастирующим цветом выделяются флуоресцирующие области. Циклы получения изображений запускают последовательно с частотой от 1 Гц до 100 Гц, достаточной для проведения хирургических манипуляций.

В результате на монитор выводится изображение в реальном времени, представляющее наложение микрохирургической картины оперируемой зоны с злокачественной опухолью и флуоресцентной картины, что дает возможность эффективно определить границы флуоресценирующей опухоли.

Предлагаемое устройство и способ диагностики использованы во время операции. Пациентка У., 54 года, клинический диагноз: глиобластома левой лобной доли головного мозга. По результатам МРТ головного мозга с контрастированием в левой лобной доле определяется объемное неоднородной плотности образование, интенсивно накапливающее контрастный препарат. Размеры объемного образования 7×5×4 см (длина × высота × ширина). Умеренно выражен перифокальный отек вещества головного мозга. Левый боковой желудочек не резко компримирован. Дислокация срединных структур головного мозга вправо на 2 мм.

За 3 часа до начала операции пациентка перорально получила 25 мг/ кг массы тела 5-аминолевулиновую кислоту (5-ALA), растворенную в 100 мл питьевой воды. Под нейронавигационным контролем в левой лобной области головного мозга в проекции опухоли произведена энцефалотомия. На глубине 1 см. обнаружена ткань опухоли серого цвета, мягкой консистенции. Визуально, а так же с применением интраоперационного микроскопа, опухоль не имеет четких границ с тканью головного мозга. При активации режима флуоресценции BL400 микроскопа Pentero 900 (Zeiss) ткань опухоли интенсивно флуоресцирует розовым цветом. При этом иллюминация операционного поля белым светом отсутствует, свет в операционной с целью адекватной визуализации флуоресценции опухоли выключен. После выключения флуоресцентного режима и освещением операционного поля белым светом, включения общего освещения в операционной выполнено удаление основного объема опухоли с использованием микрохирургической техники, ультразвукового деструктора-аспиратора. Далее сформированное ложе опухоли обследовано с применением операционного микроскопа в режиме освещения белым светом на предмет обнаружения остаточных фрагментов опухоли и зоны инфильтрации ткани головного мозга опухолью. С помощью микроскопа убедительно определить наличие патологической ткани затруднительно.

Затем ложе опухоли обследовано по всей площади с применением устройства для интраоперационной диагностики в условиях фонового освещения операционной. При этом в режиме реального времени получено изображение остаточных фрагментов опухоли и зоны инфильтрации ткани головного мозга опухолью высокой четкости, представляющее наложение микрохирургической картины злокачественной опухоли и флуоресцентной картины. Выполнено удаление патологической ткани, обнаруженной при помощи устройства для интраоперационной диагностики, с использованием микрохирургической техники и ультразвукового деструктора-аспиратора.

Течение послеоперационного периода без осложнений. В послеоперационном периоде появления дополнительной неврологической симптоматики нет.

1. Способ интраоперационной диагностики границ злокачественной опухоли, заключающийся во введении фотосенсибилизатора перед операцией, облучении оперируемой зоны и патологической ткани белым светом и лазерным излучением и регистрации отраженного излучения и флуоресценции с последующей обработкой кадров изображения и выводом изображения на монитор, отличающийся тем, что при постоянно присутствующем в помещении свете последовательно осуществляют регистрацию цветного кадра с изображением оперируемой зоны и патологической ткани в белом свете, затем одновременную регистрацию двух черно-белых кадров с изображением оперируемой зоны и патологической ткани для двух различных полос пропускания флуоресценции фотосенсибилизатора, с выключенными источниками белого света и лазерного излучения, а затем одновременную регистрацию двух черно-белых кадров с изображением оперируемой зоны и патологической ткани для двух различных полос пропускания флуоресценции фотосенсибилизатора осуществляют в лазерном излучении, после чего обрабатывают все пять кадров с изображением оперируемой зоны и патологической ткани и формируют на экране монитора результирующее цветное изображение, при этом регистрацию кадров с изображением оперируемой зоны и патологической ткани осуществляют последовательными циклами с частотой от 1 Гц до 100 Гц.

2. Устройство для интраоперационной диагностики границ злокачественной опухоли, включающее ЭВМ (1), монитор (2), источник белого света (3), во включенном состоянии равномерно освещающий оперируемую зону и патологическую ткань, и источник лазерного излучения (4), во включенном состоянии равномерно освещающий оперируемую зону и патологическую ткань, длина волны которого лежит в пределах спектральной полосы возбуждения фотосенсибилизатора, регистрирующую систему, отличающееся тем, что регистрирующая система включает объектив (5), светоделитель (6), выполненные с возможностью формирования изображения оперируемой зоны и патологической ткани на светочувствительных матрицах датчика цветного изображения (7), выполненного с возможностью регистрации цветного кадра с изображением оперируемой зоны и патологической ткани, двух датчиков черно-белого изображения (8, 9), выполненных с возможностью одновременной регистрации двух черно-белых кадров с изображением оперируемой зоны и патологической ткани, при этом перед датчиками черно-белого изображения (8, 9) установлены оптические полосовые фильтры, выполненные с возможностью пропускания флуоресценции фотосенсибилизатора в различных спектральных интервалах, ЭВМ (1) выполнена с возможностью управления регистрацией кадра датчиком цветного изображения (7) одновременно с освещением оперируемой зоны и патологической ткани источником белого света (3), управления регистрацией двух черно-белых кадров датчиками черно-белого изображения (8, 9) при выключенных источниках белого света (3) и лазерного излучения (4), управления регистрацией двух черно-белых кадров датчиками черно-белого изображения (8, 9) одновременно с освещением оперируемой зоны и патологической ткани источником лазерного излучения (4), обработки кадров, полученных с датчиков цветного изображения (7), черно-белого изображения (8, 9), формирования на мониторе (2) результирующего цветного изображения оперируемой зоны и патологической ткани.