Автоматизированное устройство для диагностики в онкологии

 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для диагностики ранних стадий онкологических заболеваний, в том в числе при эндоскопических обследованиях. Устройство содержит инструментальный канал и канал освещения эндоскопа с окуляром и объективом, вход канала освещения через переключатель оптически связан с источниками видимого и ультрафиолетового излучений, оптические волокна первой группы через цветоразделительную призму оптически связаны с группой фотоэлектронных преобразователей, последовательно соединенные многоканальный аналого-цифровой преобразователь, персональную ЭВМ, управляемые источники световых воздействий и оптические волокна второй группы, выходы которых являются оптическими выходами устройства. Устройство позволяет повысить качество и достоверность исследований за счет более точного цветоразделения исходного сигнала и более полного использования энергии входного сигнала. 2 ил.

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для диагностики ранних стадий онкологических заболеваний, в том числе при эндоскопических обследованиях.

Известен эндоскоп по авт.свид. N 929050, кл. A 61 B 1/00, 1982, содержащий канал освещения, к которому через оптический переключатель соединены источник ультрафиолетового излучения и источник видимого света, последовательно соединенные к выходу канала освещения окуляр, монохроматический фильтр и спектроскопический детектор, а вход канала освещения через объектив связан с обследуемой поверхностью внутреннего органа пациента.

Наиболее близким к изобретению является автоматизированное устройство для диагностики в онкологии (патент России N 2088156, кл. A 61 B 14/00, 1994), включающее конструктивно объединенные канал освещения с окуляром и объективом и инструментальный канал эндоскопа, вход канала освещения через переключатель оптически связан с выходами источника видимого света и источника ультрафиолетового излучения, группу селективных спектрометрических датчиков, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, группу управляемых источников световых воздействий и персональную ЭВМ, две группы оптических волокон, входы оптических волокон первой группы являются оптическими входами устройства, а их выходы соединены соответственно с входами группы селективных спектрометрических датчиков, выходы которых через многоканальный аналого-цифровой преобразователь подключены к информационным входам персональной ЭВМ, информационный выход которой является информационным выходом устройства, а управляющие выходы персональной ЭВМ подключены соответственно к входам группы управляемых источников световых воздействий, выходы которых оптически связаны с входами соответствующих оптических волокон второй группы, выходы которых являются оптическими выходами устройства.

Недостатком известного устройства является недостаточно высокое качество и достоверность исследований, обусловленные следующей причиной.

В известном устройстве с помощью селективных спектрометрических датчиков осуществляется выделение соответствующей спектральной составляющей сигналов флюоресцентного свечения в полосе спектра и преобразование амплитуды выделенной спектральной составляющей в эквивалентное значение соответствующего аналогового сигнала. Причем используются сочетания узкополосных оптических фильтров и серийных широкополосных фотоприемников. В силу низкой добротности оптических фильтров, в известном устройстве не обеспечивается требуемое разделение спектральных составляющих. Кроме того, в известном устройстве осуществляется двойная фильтрация сигнала - с помощью узкополосных фильтров и с помощью широкополосных фильтров, что приводит к потере части энергии полезного сигнала. Только часть энергии водного сигнала после первичной фильтрации используется для формирования полезного сигнала на выходе селективных спектрометрических датчиков.

Потеря части энергии первичного сигнала и недостаточно четкое разделение спектральных составляющих, используемых для формирования электрического сигнала, приводит к снижению достоверности и качества анализа.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке конструкции устройства, обладающего улучшенными техническими характеристиками.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении качества и достоверности исследований за счет более точного цветоразделения исходного сигнала, за счет более полного использования энергии входного сигнала, а также в повышении стабильности и достоверности диагностики.

Этот технический результат достигается тем, что автоматизированное устройство для диагностики в онкологии, включающее конструктивно объединенные канал освещения с окуляром и объективом и инструментальный канал эндоскопа, вход канала освещения через переключатель связан с выходами источника видимого излучения и источника ультрафиолетового излучения, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, группу управляемых источников световых воздействий, персональную ЭВМ и две группы оптических волокон, входы оптических волокон первой группы являются оптическими входами устройства, выходы многоканального аналого-цифрового преобразователя подключены к информационным входам персональной ЭВМ, информационный выход которой является информационным выходом устройства, а управляющие выходы персональной ЭВМ подключены соответственно к входам группы управляемых источников световых воздействий, выходы которых оптически связаны с входами соответствующих оптических волокон второй группы, выходы которых являются оптическими выходами устройства, дополнительно содержит цветоразделительную призму и группу фотоэлектронных преобразователей, выходы которых подключены соответственно к входам многоканального аналого-цифрового преобразователя, причем вход цветоразделительной призмы оптически связан с выходами оптических волокон первой группы, а выходы цветоразделительной призмы оптически связаны с входами группы соответствующих фотоэлектронных преобразователей.

Схема устройства приведена на фиг. 1; на фиг. 2 приведены графики, поясняющие принцип калибровки и диагностики с помощью устройства.

Устройство содержит канал 1 освещения эндоскопа, оптический вход которого соединен с выходом переключателя 2, входы которого соответственно оптически связаны с выходом источника 3 зондирующего ультрафиолетового излучения и источника 4 видимого света. Канал 1 освещения имеет окуляр 5, предназначенный для визуального наблюдения исследуемой поверхности через объектив 6. Канал освещения конструктивно объединен с инструментальным каналом 7. В состав устройства также входят первая 8 и вторая 9 группы оптических волокон, многоканальный аналого-цифровой преобразователь 10, выходы которого соединены соответственно с информационными входами персональной ЭВМ 11, управляющие выходы которой соединены соответственно с входами управляемых источников 12 световых воздействий, выходы которых оптически связаны с входами оптических волокон 9 второй группы, группу фотоэлектрических преобразователей 13, выходы которых подключены соответственно к входам многоканального аналого-цифрового преобразователя 10, а входы фотоэлектронных преобразователей 13 через цветоразделительную призму 14 оптически связаны с выходами оптических волокон 8 первой группы, входы которых являются оптическими входами устройства, а выходы оптических волокон 9 второй группы являются оптическими выходами устройства. На фиг.1 под позицией 15 обозначена обследуемая поверхность.

В качестве аналого-цифрового преобразователя может быть использован любой АЦП, работающий в режиме периодического опроса входной информации.

В качестве персональной ЭВМ может быть использована совместимая ПЭВМ отечественного или зарубежного производства, например, PC AT 286/386/486.

Цветоразделительная призма 14, каждый из фотоэлектронных преобразователей 13 предназначены для преобразования величины соответствующей спектральной составляющей сигналов флюоресцирующего свечения в полосе спектра в соответствующий аналоговый электрический сигнал.

Управляемые источники 12 световых воздействий предназначены для формирования излучения в видимом диапазоне, ультрафиолетового излучения, инфракрасного излучения или их сочетаний, а параметры излучения задаются от ПЭВМ. В качестве управляемых источников могут быть использованы, например, ультрафиолетовый лазерный излучатель типа ИЛГИ-503, лазерные полупроводниковые диоды и другие управляемые серийные источники.

Устройство может работать в нескольких режимах: визуального наблюдения, диагностики, калибровки, терапевтического воздействия.

В режиме визуального наблюдения видимый свет от источника 4 через переключатель 2, канал освещения 1 и объектив 6 освещает участок исследуемой поверхности. Изображение освещенного участка через объектив 6, канал освещения 1 и окуляр 5 визуально наблюдают до обнаружения подозреваемого (изъявленного) участка, требующего более точной диагностики.

В режиме диагностики объектив 6 остается ориентированным на подозреваемый участок обследуемой поверхности. С помощью переключателя 2 к каналу освещения подключают источник 3 зондирующего ультрафиолетового излучения, и это излучение через переключатель 2, канал 1 и объектив 6 подают на подозреваемый участок поверхности, где возникает вторичное (флюоресцентное) свечение. Наблюдают изображение освещенного участка в флюоресцентном свете через объектив 6, канал 1 освещения и окуляр 5 и уточняют область подозреваемого участка для последующей точечной диагностики.

Для проведения точечной диагностики выбранного подозреваемого участка обследуемой поверхности через инструментальный канал 7 к точкам этого участка поочередно подводят входы оптических волокон 8. В процессе точечной диагностики последовательно обходят входами оптических волокон все подозреваемые точки участка обследуемой поверхности, флюоресцентные сигналы, возбуждаемые на поверхности. Флюоресцентные сигналы, возбуждаемые на поверхности под воздействием зондирующего УФ-излучения, через оптические волокна 8 поступают на цветоразделительную призму 14, которая разлагает оптический сигнал в спектр. Фотоэлектронные преобразователи 13, расположенные в соответствующих участках спектра, преобразуют амплитуды соответствующей спектральной составляющей сигналов флюоресцентного свечения в полосе спектра λ_i вторичного свечения в электрический сигнал. Сигналы с выхода каждого фотоэлектронного преобразователя поступают на соответствующий вход аналого-цифрового преобразователя 10, где преобразуются в цифровую форму и в виде цифровых кодов поступают на ПЭВМ 11.

Принцип формирования диагностических сигналов и алгоритм работы ЭВМ в этом режиме состоит в следующем.

Весь диапазон флюоресцентного свечения разбивается на поддиапазоны В каждом поддиапазоне обследуемого участка для повышения точности диагностирования и повышения статической достоверности измерений осуществляется N измерений. Числа Aik, где i - номер поддиапазона, k - номер измерения (k = 1, N) поступают на ЭВМ, где определяется их математическое ожидание по известному алгоритму После окончания обследования участка и получения всей совокупности значений Ai, ЭВМ также по известному алгоритму A_max = sup Ai (2) определяет максимальное значение амплитуды сигнала и нормирует все результаты измерений по соотношению Ai_отн = Ai / A_max (3) В результате получают совокупность относительных значений амплитуд сигналов A1_отн = Ai / A_max Ai_отн = Ai / A_max An_отн = Ai / A_max, (4)
в которых характеризуют распределение уровней флюоресцентного излучения по всему измеряемому спектру (λ₁≅ λ_i≅ λ_n).
Переход к относительным значениям амплитуд сигналов позволяет ислкючить влияние на результаты диагностики следующих факторов:
случайного изменения расстояния между концами оптических волокон 8 и обследуемой поверхностью;
случайного изменения интенсивности потока УФ зондирующего излучения, воздействующего на облучаемую поверхность;
случайного изменения интенсивности вторичного излучения с облучаемой поверхности.

На фиг. 2 приведен пример кривой, построенной по соотношению (3). Характерным для нее является, что хотя бы в одном из поддиапазонов ее значение равно 1. Реальные распределения могут быть произвольной формы и зависеть от вида патологии исследуемого участка.

Для предварительного получения диагностических критериев в устройстве предусмотрен режим калибровки. Сущность диагностических критериев заключается в том, что совокупность (4) относительных значений амплитуд сигналов Ai_отн для всех поддиапазонов длин волн λ_i спектра вторичного свечения представляет собой объективную характеристику состояния органических тканей облучаемой поверхности. При калибровке аппарата в качестве обследуемой поверхности используют образцы пораженных тканей и образцы здоровых тканей, полученных в результате хирургических операций онкологических больных. Патология образцов тканей предварительно подтверждается гистологическими и цитологическими исследованиями.

В результате многократных облучений калибровочных образцов тканей с различными видами патологии получают устойчивые сочетания относительных значений амплитуд сигналов флюоресцентного свечения для каждого характерного (явно выраженного) вида патологии и для нормы

где Aijотн (λ_i) - относительные значения амплитуд сигналов для поддиапазона;
K_патj - классификационный признак, означающий, что конкретное полученное устойчивое сочетание значений Aij(λ_i) является признаком конкретного состояния обследуемой поверхности (норма, язва, полип, рак j = 4).

Алгоритмом работы ЭВМ в этом режиме тоже являются соотношения 1 - 4. Отличием является то, что в качестве образцов используются здоровые и пораженные ткани.

На фиг. 2б приведен пример, характеризующий принцип получения классификационных признаков, где цифрами обозначено: 1 - норма, 2 - язва, 3 - полип, 4 - рак. Главным является то, что для каждой из патологий максимумы расположены в различных поддиапазонах и форма кривых различна. Для правильной диагностики необходимо правильное отождествление коэффициентов относительных значений, полученных от исследуемой ткани с одной из кривых, характеризующих классификационный признак (фиг. 2б). После калибровки устройства и получения диагностических критериев K_патj для каждого вида патологии и для нормы устройство пригодно к проведению диагностики. В процессе диагностики облучаемой поверхностью является подозреваемый участок внутреннего органа пациента. В результате воздействия УФ-излучением на поверхность получают совокупность (4) отсчетов относительных значений амплитуд сигналов флюоресцентного излучения. Полученную совокупность отсчетов сравнивают поочередно с характерными сочетаниями (5). При этом характерные сочетания используются в качестве критериев оценки состояния облучаемой поверхности. Сравнение полученной при измерениях совокупности отсчетов с критериями (5) производят по принципу наибольшего правдоподобия. Среди диагностических критериев (5) определяется тот критерий K_патj, в котором сочетание отсчетов Ai_отн (λ_i) наиболее близко к совокупности отсчетов (4), полученных при измерениях в процессе диагностики. На основании выбранного наиболее близкого критерия делается заключение о соответствующем состоянии исследуемого локального участка облучаемой поверхности, т. е. формируют диагноз состояния данного участка. Диагноз формируется автоматически с помощью ЭВМ.

Алгоритм работы в этом режиме может быть, например, представлен в следующем виде.

Вычисляется квадрат отклонения относительных значений амплитуд для исследуемой поверхности Ai_отн от значений Aij_отн по соотношению

где J = 1, 2, 3, 4 - соответствуют норме и виду патологии,
i - номер частотного поддиапазона,
а после определяется номер патологии, соответствующий минимальному квадрату отклонения
J = min Ej. (7)
После установления диагноза состояния очередного локального участка облучаемой поверхности волокна 8 ориентируют на другой точечный локальный участок обозреваемой поверхности. Перенацеливание контролируют визуально через окуляр 5. Диагностика очередного участка осуществляется аналогичным образом.

После обхода всех интересующих точек локального участка формируется полный диагноз состояния наблюдаемого участка. Результаты анализа выдаются на дисплей ПЭВМ и могут быть выведены на печать.

В случае недостаточной чувствительности облучаемой поверхности к УФ-излучению от источника 3 в процессе калибровки и диагностики на обследуемый участок через волокна 9 может быть дополнительно подано УФ-излучение от управляемого источника УФ-излучения, входящего в комплект источников 12, который включается от ЭВМ.

Режим светового терапевтического воздействия является дополнительным и используется в тех случаях, когда выявлены ранние стадии патологии, которые доступны для терапевтического светового лечения. Устройство позволяет провести терапевтическое воздействие видимым светом, УФ-излучением, инфракрасным излучением и их сочетаниями. На основе полученного диагностического заключения по известным методикам световой терапии для каждого выявленного вида патологии задается индивидуальный режим светового воздействия (интенсивность облучения, спектр светового воздействия, вид модуляции светового излучения, продолжительность сеанса или доза облучения и т.п.). Далее рассмотренным ранее образом повторяется обход волокнами 8 точек наблюдаемого участка. По результатам диагностики состояния каждого локального участка на основе заданных в ПЭВМ 11 параметров светового воздействия от ПЭВМ на управляемые источники 12 подаются соответствующие управляющие сигналы. Под действием этих сигналов излучение от источников 12 через соответствующие волокна 9 воздействует на локальный участок поверхности. Параметры светового воздействия контролируются по амплитудам сигналов Ai (λ_i), отсчитываемыми в процессе сеанса световой терапии с выходов фотоэлектронных преобразователей 13 с помощью АЦП 10. Этим обеспечивается высокая точность дозировки светового воздействия и эффективность лечения заболеваний на ранних стадиях их появления.

Как видно из конструкции и описания работы устройства, в нем используется только однократная фильтрация входного оптического сигнала, осуществляется непосредственное цветовое разделение всего входного светового потока (без предварительного разделения по частным оптическим каналам, как это реализуется в устройстве-прототипе), разложение входного светового потока по спектральным составляющим осуществляется с помощью цветоразделительной призмы, а преобразование энергии спектральных составляющих осуществляется фотоэлектронными преобразователями, размещенного в соответствующих участках распределенных цветовых составляющих спектра. В этом случае для преобразования в электрический сигнал используется вся энергия сигнала, соответствующая анализируемой спектральной составляющей и попадающая только на один фотоэлектронный преобразователь.

В изобретении осуществляется более точное цветоразделение входного светового потока и более полное использование энергетики входного сигнала, что повышает достоверность и качество анализа. Кроме того, в изобретении не используются селективные спектрометрические датчики, технологический разброс амплитудно-частотных характеристик которых существенно снижает достоверность показаний устройства-прототипа.

Таким образом, благодаря исключению спектрометрических датчиков с использованием индивидуальных узкополосных фильтров и применению цветоразделительной призмы с более четким разделением цветовых спектральных составляющих обеспечивается указанный ранее технический результат заявленного устройства.

Формула изобретения

Автоматизированное устройство для диагностики в онкологии, включающее конструктивно объединенные канал освещения с окуляром и объективом и инструментальный канал эндоскопа, вход канала освещения через переключатель оптически связан с выходами источника видимого излучения и источника ультрафиолетового излучения, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, группу управляемых источников световых воздействий, персональную ЭВМ и две группы оптических волокон, входы оптических волокон первой группы являются оптическими входами устройства, выходы многоканального аналого-цифрового преобразователя подключены к информационным входам персональной ЭВМ, информационный выход которой является информационным выходом устройства, а управляющие выходы персональной ЭВМ подключены соответственно к входам группы управляемых источников световых воздействий, выходы которых оптически связаны с входами соответствующих оптических волокон второй группы, выходы которых являются оптическими выходами устройства, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит цветоразделительную призму и группу фотоэлектронных преобразователей, выходы которых подключены соответственно к входам многоканального аналого-цифрового преобразователя, причем вход цветоразделительной призмы оптически связан с выходами оптических волокон первой группы, а выходы цветоразделительной призмы оптически связаны с входами группы соответствующих фотоэлектронных преобразователей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2