Лечебно-диагностическое устройство для флуоресцентной диагностики и фототерапии

 

Изобретение относится к медицинской технике. Устройство содержит систему отображения видеоинформации, матрицу светодиодов, в центре корпуса которой расположена телекамера. Корпус матрицы светодиодов выполнен в виде части поверхности, образованной вращением окружности радиуса R вокруг оси вращения, лежащей на расстоянии r от центра окружности радиуса R, где r<R, и сечением ее плоскостью, перпендикулярной оси вращения и расположенной на расстоянии h от центра вращения, с образованием в плоскости сечения окружности с радиусом ρ, при этом h=R•cosΘ, ρ=R•sinΘ+r, где Θ - угол между двумя радиусами R, один из которых проведен параллельно оси вращения, а другой - проведен в точку пересечения окружности радиуса R с окружностью сечения радиусом ρ. Использование изобретения позволяет повысить эффективность диагностики и фототерапии за счет повышения равномерности распределения плотности световой мощности. 3 з.п.ф-лы, 3 табл., 1 ил.

Настоящее изобретение относится к области медицинской техники, а именно к аппаратуре для осуществления спектрально-флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии (ФДТ) патологических участков биологической ткани.

При проведении диагностики и лечении заболеваний методом ФДТ в организм вводится специальный светочувствительный препарат (фотосенсибилизатор). Этот препарат имеет свойство преимущественно накапливаться в патологических тканях. Далее опухоль облучают лазерным светом строго определенной длины волны, соответствующей пику поглощения фотосенсибилизатора. При взаимодействии лазерного света с фотосенсибилизатором выделяется атомарный кислород, который убивает раковую клетку, а также появляется излучение флуоресценции, при регистрации которого с помощью специального устройства определяют местонахождение патологических клеток в ткани. Здоровые клетки воздействию практически не подвергаются.

Известно устройство для фототерапии новообразований, включающее в качестве источника света матрицу светодиодов на плоской подложке [Патент США 5698866, US C1 257/99, от 28 мая 1996 г.]. Это устройство обладает достаточно равномерным пространственным распределением излучения, что позволяет облучать с приемлемой однородностью плоские патологические участки со значительной поверхностью излучения из-за низкой когерентности излучения светодиодов. Оно также не приводит к спекл-эффекту и, соответственно, к неоднородности типа "муаровой картины".

Однако в этом устройстве не решен вопрос с неоднородностью облучения, обусловленной теневыми эффектами при облучении патологических участков с развитой поверхностью. Кроме того, оно не содержит телекамеры и вследствие этого не может быть использовано для флуоресцентной диагностики.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому изобретению является лечебно-диагностическое устройство для флуоресцентной диагностики и фототерапии, содержащее систему отображения видеоинформации, матрицу светодиодов, в центре корпуса которой расположена телекамера с оптической системой, имеющей нулевое светопропускание в спектральном диапазоне излучения светодиодов и окно прозрачности на длинах волн, превышающих длины волн спектрального диапазона излучения светодиодов, который лежит в диапазоне длин волн поглощения фотосенсибилизатора [Патент РФ 2176475, кл. А 61 В 5/05, от 25 мая 2000 г.].

Однако в известном устройстве распределение плотности мощности в рабочем пятне практически отвечает распределению в диаграмме направленности одного светодиода и даже несколько хуже, площадь обработки и сбора информации ограничена, а также отсутствует настройка длины волны на пик поглощения конкретного фотосенсибилизатора (оптические свойства фотосенсибилизаторов одного и того же класса, но от разных производителей несколько различаются), что существенно снижает эффективность работы устройства как для диагностики, так и для фототерапии.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности диагностики и фототерапии путем увеличения эффективной площади сбора информации и обработки при фототерапии, повышения равномерности распределения плотности световой мощности в плоскости рабочего пятна, а также дополнительно за счет точной настройки длины волны излучения на пик поглощения фотосенсибилизатора.

Достигается это тем, что в лечебно-диагностическом устройстве для флуоресцентной диагностики и фототерапии, содержащем систему отображения видеоинформации, матрицу светодиодов, в центре корпуса которой расположена телекамера с оптической системой, имеющей нулевое светопропускание в спектральном диапазоне излучения светодиодов и окно прозрачности на длинах волн, превышающих длины волн спектрального диапазона излучения светодиодов, который лежит в диапазоне длин волн поглощения фотосенсибилизатора, согласно изобретению корпус матрицы светодиодов выполнен в виде части поверхности, образованной вращением окружности радиуса R вокруг оси вращения, лежащей на расстоянии г от центра окружности радиуса R, где r<R, и сечением ее плоскостью, перпендикулярной оси вращения и расположенной на расстоянии h от центра вращения, с образованием в плоскости сечения окружности с радиусом ρ, при этом h=R•cosΘ, ρ=R•sinΘ+r, где Θ - угол между двумя радиусами R, один из которых проведен параллельно оси вращения, а другой проведен в точку пересечения окружности радиуса R с окружностью в плоскости сечения с радиусом ρ, кроме того, светодиоды на корпусе матрицы размещены по принципу плотнейшей упаковки, а измеритель длины волны излучения светодиодов размещен на корпусе матрицы светодиодов вблизи телекамеры и сориентирован на пятно облучения матрицы светодиодов, а также узел управления температурой светодиодов подключен к измерителю длины волны излучения светодиодов.

Сущность изобретения заключается в том, что выполнение предложенного устройства вышеописанным образом позволяет обеспечить увеличение эффективной площади сбора информации и обработки при фототерапии, а также повысить равномерность распределения плотности световой мощности в плоскости рабочего пятна.

Сравнение предложенного устройства с ближайшим аналогом позволяет утверждать о соответствии критерию "новизна", а отсутствие в аналогах отличительных признаков позволяет судить о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Предварительные испытания подтверждают возможность широкого промышленного использования.

На чертеже представлена функциональная схема предложенного устройства с разрезом конструкции матрицы светодиодов.

Устройство содержит матрицу 1 светодиодов 2, телекамеру 3, расположенную в центре корпуса матрицы 1, и систему 4 отображения видеоинформации.

Оптическая система телекамеры 3 имеет нулевое светопропускание в спектральном диапазоне излучения светодиодов 2 и окно прозрачности на длинах волн, превышающих длины волн спектрального диапазона излучения светодиодов 2, который лежит в диапазоне длин волн поглощения фотосенсибилизатора.

Кроме того, устройство может содержать измеритель 5 длины волны излучения светодиодов, который размещен на корпусе матрицы 1 вблизи телекамеры 3 и сориентирован на центр пятна облучения, т.е. пятна оптимальной фокусировки оптической системы, образованной матрицей светодиодов, а также может содержать узел 6 управления температурой светодиодов, вход которого подключен к выходу направленного измерителя 5 длины волны излучения светодиодов.

Корпус матрицы светодиодов выполнен в виде части поверхности, образованной вращением окружности радиуса R вокруг оси вращения ВВ, лежащей на расстоянии r от ее центра, где r<R, и сечением внешней поверхности плоскостью (плоскостью сечения ММ), перпендикулярной оси вращения ВВ и расположенной на расстоянии h от центра вращения, с образованием в плоскости сечения ММ окружности с радиусом ≪ρ≫. Форма матрицы 1 определяется следующими соотношениями: h=R•cosΘ, ρ=R•sinΘ+r, где h - расстояние от центра окружности вращения до плоскости сечения ММ, R - радиус окружности вращения, ρ - радиус окружности сечения,
r - расстояние от оси вращения до центра окружности вращения,
Θ - угол между двумя радиусами R, один из которых проведен параллельно оси вращения В-В, а другой проведен в точку пересечения окружности радиуса R с окружностью в плоскости сечения с радиусом ρ.
За нулевое светопропускание в спектральном диапазоне излучения светодиодов принято считать его значение в диапазоне 0-1%. Под окном прозрачности понимают светопропускание в диапазоне от 96-100%.

Размещение светодиодов 2 в матрице 1 устройства выполнено по принципу плотнейшей упаковки, в которой центры трех ближайших объектов расположены по вершинам равностороннего треугольника, сторона которого равна кратчайшему расстоянию между центрами объектов (см. Ванштейн Б.К. Современная кристаллография. - М.: Наука, 1979, т.1, с.15). Это приводит к максимальному количеству светодиодов 2 на единицу поверхности матрицы 1, а следовательно, и к максимально большой плотности мощности излучения в фокальной плоскости устройства.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При включении устройства матрица 1 светодиодов 2 облучает рабочую поверхность. Длины волн излучения светодиодов 2 соответствуют спектральному диапазону поглощения фотосенсибилизатора, который накоплен в патологической ткани. Оптическая система телекамеры 3 имеет нулевое светопропускание в спектральном диапазоне излучения светодиодов и окно прозрачности на длинах волн, превышающих длины волн спектрального диапазона излучения светодиодов 2. Благодаря тому что поверхность матрицы 1 выполнена вышеописанным образом, оси оптического излучения светодиодов 2 пересекаются в точках на окружности, радиус которой равен расстоянию r, которая расположена в плоскости FF, перпендикулярной оси вращения ВВ, с центром в точке их пересечения и на расстоянии h от плоскости сечения ММ. Часть плоскости FF, заключенная в пределах окружности с радиусом r, будет являться пятном оптимальной фокусировки оптической системы, образованной матрицей 1 светодиодов 2. В эту плоскость помещают исследуемый или обрабатываемый объект. Поскольку r является оптимальным радиусом, обеспечивающим относительную однородность распределения плотности мощности в пятне при суперпозиции плотностей мощностей, взятых в отдельности для противоположных дуг поверхности матрицы 1 светодиодов 2, то распределение излучения в пятне радиуса r является равномерным с большой точностью. Кроме того, весь массив светодиодов 2, расположенных в матрице 1, благодаря ее устройству, светит не в одну точку, а на круг радиуса r, что позволяет получить рабочее пятно достаточно большой площади с высокой степенью равномерности распределения плотности излучения.

Табл.1 характеризует возможность выбора оптимальных параметров r и Θ при заданной допустимой неравномерности (%) расширения плотности мощности излучения в рабочем пятне для различной общей мощности излучения Р_o.

Так при Θ = 15^o и неравномерности ±0,1 при r = 2,13 эффективный диаметр рабочего пятна d_эф = 1,70 см, который по существу является диаметром пятна с заданной неравномерностью, у которого эффективный радиус r_эф оказывается меньшим значения радиуса круга r = 2,13.

Поэтому для увеличения d_эф до значения 4,94 необходимо снизить требования к равномерности облучения и выбрать, например, значение неравномерности равным ±5%, и увеличить значение r до 2,47.

При этом d_эф окажется равным 4,94 и эффективная площадь рабочего пятна резко увеличится до 19,2 см², а r_эф = r.

Представленные данные получены расчетным путем для R = 30 см и гауссова распределения плотности мощности в диаграмме излучения светодиода. При этом принято, что в плоскости фокусировки распределение плотности мощности от одного светодиода близко к гауссову с параметром ≪σ≫, равным 2 см, что достаточно хорошо описывает распределение плотности мощности в усредненной диаграмме излучения промышленных светодиодов. Мощность одного светодиода равна 5 мВт. Для сравнения представлена табл.2 для устройства прототипа.

В табл. 2 данные для абсолютной равномерности не представлены, т.к. не имеют смысла, поскольку рабочее пятно в этом случае должно иметь нулевую площадь. В табл.2 для наглядности приведенные данные для угла Θ, равного 9^o, что соответствует размерам матрицы, содержащей 200 светодиодов, как это указано в примере для аппарата прототипа.

Из табл. 1 и 2 следует, что при любых мощностях и размерах предложенное устройство имеет несомненные преимущества.

Кроме того, излучение в область фокусировки приходит с разных сторон, в результате в рабочем пятне отсутствуют теневые эффекты.

Флуоресценция патологического участка регистрируется телекамерой 3, которая передает изображение на экран монитора.

Наиболее эффективными терапевтический и диагностический эффекты будут в случае, если длина волны излучения светодиодов 2 соответствует максимальному пику поглощения фотосенсибилизатора. Наиболее оптимальным образом можно согласовать длину волны излучения светодиодов 2 и длину волны пика поглощения фотосенсибилизатора, применяя измеритель 5 длины волны, сигнал с которого подается на узел 6 управления температурой светодиодов 2. При этом, регулируя температуру светодиодов 2, возможно изменять длину волны их излучения в пределах ±10 нм. Этого достаточно для настройки длины волны излучения на пик поглощения соответствующего фотосенсибилизатора.

Ниже приведен пример конкретного выполнения предлагаемого устройства и его работы.

Было собрано устройство (см. табл.3), для которого при радиусе R = 30 см матрица состояла из 1060 светодиодов с излучением в спектральном диапазоне 650-665 нм.

Регистрацию распределения плотности мощности в фокальной плоскости устройства осуществляли высокочувствительной черно-белой видеокамерой КРС-400 с объективом и фильтрами КС-17 и КС-19, выполняющими роль фильтров дневного света. Отображение распределения плотности мощности в фокальной плоскости осуществляли на мониторе персонального компьютера. Измерение интенсивности производили путем применения стандартной программы оцифровки изображения. Данные измерений представлены в табл.3, из которой следует соответствие предложенного устройства заданным требованиям - большой площади рабочего пятна и высокой равномерности плотности мощности в области рабочего пятна.

Регистрацию излучения флуоресценции в фокальной плоскости устройства осуществляли высокочувствительной черно-белой видеокамерой КРС-400 с объективом и нейтральными интерференционными фильтрами, ослабляющими излучение светодиодов менее чем до 0,1% и фильтрами КС-17 и КС-19, выполняющими роль фильтров дневного света. Отображение интенсивности флуоресценции осуществляли на мониторе персонального компьютера. Измерение интенсивности производили путем применения стандартной программы оцифровки изображения.

Животному (белая мышь самец) с привитой карциномой Эрлиха было введено 0,33 мл раствора фотолона (пик максимального поглощения - 662 нм) с общим количеством фотолона 0,1 мг (из расчета 2,0 мг/кг веса тела). В условиях непрерывного режима облучения на экране монитора отображалось флуоресцирующее пятно неправильной формы размером около 0,8х1,3 см², с интенсивностью, соответствующей концентрации фотосенсибилизатора примерно 60•10^-4 мг/см³, на фоне слабо флуоресцирующих окружающих тканей, интенсивность флуоресценции которых соответствует концентрации 20•10^-4 мг/см. Последующее облучение патологического участка излучением вышеописанного устройства в течение 15 мин привело к фотодинамическому разрушению опухоли.

При сравнении интенсивностей флуоресценции от патологической ткани в присутствии и отсутствие сигнала направленного измерителя 5 длины волны излучения светодиодов на входе узла 6 управления температурой светодиодов было найдено, что их отношение составило около 1,28. Т.е. эффективность устройства при работе с узлом 6 управления температурой светодиодов увеличилась на 28%.

Предлагаемое устройство обеспечивает высокую эффективность при проведении флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии патологических образований.

Достижение поставленного технического результата основано на том, что у каждого светодиода диаграмма распределения излучения близка к кривой Гаусса. Поэтому при описанной геометрии заявляемого устройства обеспечивается суперпозиция излучений, при которой обеспечивается относительная равномерность распределения плотности мощности излучения в пределах эффективного рабочего пятна.

А так как излучение в область фокусировки происходит с разных сторон, то в рабочем пятне отсутствуют теневые эффекты.

Дополнительным техническим результатом является возможность настройки длины волны на пик поглощения конкретного фотосенсибилизатора, что достигается использованием соответствующих узлов.

Таким образом, отраженная в формуле изобретения совокупность существенных признаков позволила достигнуть поставленный технический результат.

Формула изобретения

1. Лечебно-диагностическое устройство для флуоресцентной диагностики и фототерапии, содержащее систему отображения видеоинформации, матрицу светодиодов, в центре корпуса которой расположена телекамера с оптической системой, имеющей нулевое светопропускание в спектральном диапазоне излучения светодиодов и окно прозрачности на длинах волн, превышающих длины волн спектрального диапазона излучения светодиодов, который лежит в диапазоне длин волн поглощения фотосенсибилизатора, отличающееся тем, что корпус матрицы светодиодов выполнен в виде части поверхности, образованной вращением окружности радиуса R вокруг оси вращения, лежащей на расстоянии r от центра окружности радиуса R, где r<R, и сечением ее плоскостью, перпендикулярной оси вращения и расположенной на расстоянии h от центра вращения, с образованием в плоскости сечения окружности с радиусом ρ, при этом h=R·cоsΘ, ρ=R·sinΘ+r, где Θ - угол между двумя радиусами R, один из которых проведен параллельно оси вращения, а другой - проведен в точку пересечения окружности радиуса R с окружностью в плоскости сечения радиусом ρ.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что светодиоды на корпусе матрицы размещены по принципу плотнейшей упаковки.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измеритель длины волны излучения светодиодов размещен на корпусе матрицы светодиодов вблизи телекамеры и сориентирован на пятно облучения матрицы светодиодов.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что узел управления температурой светодиодов подключен к измерителю длины волны излучения светодиодов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4