Система электроимпедансной онкологической диагностики
Система электроимпедансной онкологической диагностики относится к медицинской технике и может использоваться в онкологической диагностике биологических тканей полых и соматических органов, а также кожи человека. Система содержит блок управления, блок сравнения, один из входов которого соединен с выходом блока постоянной памяти, а выход соединен с входом блока регистрации и отображения информации, систему измерения импеданса, соединенную с активным и пассивным электродами, дополнительно содержит микроконтроллер, один вход которого соединен с выходом системы измерения импеданса, второй вход соединен с выходом блока управления, а выход соединен с входом блока сравнения, при этом система измерения импеданса представляет собой многочастотный измеритель импеданса. В одной из частных форм реализации системы электроимпедансной онкологической диагностики многочастотный измеритель импеданса включает соединенные между собой генератор сигнала в диапазоне частот от 0,5 до 2000 кГц, датчики тока и напряжения, делитель значений сигналов, регистровую память. Изобретение позволяет достоверно и точно диагностировать биоткани различных типов и физиологических состояний, в том числе в случаях, когда имеет место влияние внешних факторов (электромагнитные помехи, топология биоткани и ее различные клинические состояния), искажающих значения характеристик исследуемой (диагностируемой) биоткани. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Система электроимпедансной онкологической диагностики относится к медицинской технике и может использоваться в онкологической диагностике биологических тканей полых и соматических органов, а также кожи человека.
Высокие показатели заболеваемости и смертности от онкологических заболеваний обусловлены, кроме прочего, несвоевременной диагностикой и лечением.
В настоящее время для диагностики объемных образований, особенно малых размеров, и их нозологической принадлежности используются такие методы медицинской визуализации, как рентгенография, рентгеноскопия, ультразвуковая диагностика, термография, рентгеновская компьютерная томография, ЯМР-диагностика, диагностика с применением радиоизотопов. Однако результаты диагностики известными способами и приборами, особенно при минимальном проявлении нарушений формообразовательных процессов и их функций, искажаются значительными ошибками из-за наличия большого многообразия форм злокачественных образований, воспалительных процессов в тканях, артефактов и т.д. При этом клиницист, зачастую, имеет дело с жестко регламентированным диагностическим "инструментарием", ориентированным и позволяющим получать интегральную информацию о состоянии функции или о состоянии результата совокупной жизнедеятельности множества клеток, тканей, а иногда и органов.
Исключением из этого, достаточно общего правила, являются цитологические и гистологические методы диагностики, в которых исследователь руководствуется собственно морфологическими характеристиками клеточного и тканевого уровней. Однако морфологический анализ требует изъятия из организма необходимого субстрата, а эта процедура может быть успешной только в случае прицельного оперативного вмешательства, т.е. метод не только инвазивен, но, по совокупности действий (поиск "очага" процесса, забор материала в условиях чрестканной пункции или путем биопсии), далек от 100% надежности. К сожалению, даже цитологический скрининг дает число погрешностей в диагностической процедуре до 30%.
В такой ситуации несомненную актуальность представляет поиск новых, высокочувствительных и минимально инвазивных методов диагностики состояния тканей, позволяющих не только идентифицировать ранние проявления патологического очага, но и, возможно, предварять морфологический анализ во время витальной (прижизненной) диагностики. Наиболее перспективными в этом плане можно считать методы и устройства с использованием высокочастотного тока.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является импедансный электрохирургический аппарат (RU 2204351, 7 А61В 18/12 от 20.05.2003 г.), позволяющий во время хирургического вмешательства оценивать структуру биоткани. Этот аппарат содержит блок управления, блок управляемого источника питания, генераторы высокой и низкой частоты, подключенные через первый и второй датчики тока, первый и второй датчики напряжения и блоки вычисления импеданса на высоких и низких частотах к активному и пассивному электродам. Блоки вычисления импеданса соединены с блоком вычисления поляризации по Тарусову, подключенным через блок сравнения к монитору. Второй вход блока сравнения связан с постоянно запоминающим устройством. Электрохирургический аппарат определяет величины импеданса биоткани на частотах 2 кГц и 440 кГц, вычисляет коэффициент поляризации Кп биоткани, который равен отношению величин импедансов. Путем сравнения вычисленного значения коэффициента поляризации Кп с заданными, определенными экспериментально и соответствующими здоровому или патологическому состоянию биоткани, значениями Кп производится идентификация физиологического состояния диагностируемой биоткани, после чего электрохирургический аппарат вырабатывает мощность электрохирургического воздействия, соответствующую полученным характеристикам.
Недостатком импедансного электрохирургического аппарата (RU 2204351) является невысокая степень точности диагностирования различных структур и физиологических состояний биотканей. Это связано с тем, что диапазон измерений электрических характеристик, производимых данным аппаратом, недостаточно широкий (тестирование биотканей проводится на двух частотах). А также с тем, что использование для тестирования биотканей только двух частот повышает вероятность получения искаженных (ошибочных) величин импедансов биоткани и, соответственно, коэффициента поляризации Кп, в случае, когда имеет место влияние внешних факторов (электромагнитные помехи, топология биоткани и ее различные клинические состояния, др.). Это еще более снижает достоверность идентифицирования и диагностирования биотканей.
Задачей заявляемого изобретения является повышение точности диагностирования биотканей различных типов и физиологических состояний.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в систему электроимпедансной онкологической диагностики, содержащую блок управления, блок сравнения, один из входов которого соединен с выходом блока постоянной памяти, а выход соединен с входом блока регистрации и отображения информации, систему измерения импеданса, соединенную с активным и пассивным электродами, дополнительно введен микроконтроллер, один вход которого соединен с выходом системы измерения импеданса, второй вход соединен с выходом блока управления, а выход соединен с входом блока сравнения, при этом система измерения импеданса представляет собой многочастотный измеритель импеданса.
Многочастотный измеритель импеданса включает соединенные между собой генератор сигнала в диапазоне частот от 0,5 до 2000 кГц, датчики тока и напряжения, делитель значений сигналов, регистровую память.
Благодаря тому, что в предлагаемой системе электроимпедансной онкологической диагностики система измерения импеданса представляет собой многочастотный измеритель импеданса, становится возможным измерение величины электрического импеданса Z биоткани при различных частотах f сигнала в широком диапазоне и формирование функциональной зависимости Z(f).
Введение в систему электроимпедансной онкологической диагностики микроконтроллера, соединенного с многочастотным измерителем импеданса и с блоком управления, обеспечивает вычисление на базе измеренных значений Z(f) коэффициента поляризации Кп и интегральной величины импеданса Zs. Таким образом, каждая функция Z(f) характеризуется не одним значением Кп, как в случае двухчастотного измерения импеданса, производимого электрохирургическим аппаратом - аналогом, а целым набором значений Кп, каждый из которых более точно характеризует определенный тип биоткани в ее определенном физиологическом состоянии. Вычисление интегральной величины импеданса Zs позволяет, в случае возникновения помех в электрической системе, нивелировать частные недостоверные значения импеданса Z на определенных частотах, а также отслеживать изменение значений Z(f) в зависимости от физиологического состояния биоткани на исследуемом участке. Наряду с этим, в случае возникновения различных клинических состояний (кровотечения, некроз и т.п.) во время проведения исследования, когда имеет смысл говорить об изменении электрофизических свойств биотканей, обеспечивается возможность того, что врач может с блока управления осуществлять корректировку вычисляемых микроконтроллером значений Кп и Zs. Тем самым, еще больше снижается вероятность получения неверных, ошибочных значений Кп и Zs, а значит, еще больше повышается точность и достоверность диагностики типа и физиологического состояния биоткани.
Таким образом, формируется более широкий набор более точных и достоверных значений характеристик исследуемой (диагностируемой) биоткани, позволяющий осуществить более точную ее диагностику, путем последующего сравнения полученных значений частных Кп и Zs с заданными известными значениями, введенными в блок постоянной памяти, которые определяют соответствие полученных электрических параметров определенным типам и физиологическим состояниям биоткани.
Сущность заявляемого изобретения поясняется графическими изображениями, где на фиг.1 представлена функциональная схема системы электроимпедансной онкологической диагностики, на фиг.2 представлена функциональная схема многочастотного измерителя импеданса 2, который включает соединенные между собой генератор сигнала в диапазоне частот от 0,5 до 2000 кГц, датчики тока и напряжения, делитель значений сигналов, регистровую память, на фиг.3 представлены кривые, характеризующие частотное распределение электроимпеданса мышечной биоткани при двухчастотной (а) и многочастотной (б) импедансометрии, на фиг.4 представлены кривые, характеризующие многочастотную электроимпедансометрию здоровой биоткани стенки тонкой кишки в 2-х экспериментах, на фиг.5 представлена блок-схема алгоритма работы микроконтроллера в составе системы электроимпедансной онкологической диагностики.
Система электроимпедансной онкологической диагностики (фиг.1) содержит активный электрод 1, многочастотный измеритель импеданса 2, микроконтроллер 3, блок сравнения 4, блок постоянной памяти 5, блок управления 6, блок регистрации и отображения информации 7, пассивный электрод 8. При этом активный электрод 1 соединен с одним входом-выходом многочастотного измерителя импеданса 2, пассивный электрод 8 соединен со вторым входом-выходом многочастотного измерителя импеданса 2; один вход микроконтроллера 3 соединен с выходом многочастотного измерителя импеданса 2, другой вход микроконтроллера 3 соединен с выходом блока управления 6, а выход микроконтроллера 3 соединен с входом блока сравнения 4; другой вход блока сравнения 4 соединен с выходом блока постоянной памяти 5, выход блока сравнения 4 соединен с входом блока регистрации и отображения информации 7.
Схема микроконтроллера 3 может быть реализована на базе микроконтроллера из семейства F8051F35x фирмы Silicon Laboratories (со встроенным АЦП).
Блок регистрации и отображения информации 7 может быть реализован в виде ЭВМ.
Многочастотный измеритель импеданса 2 включает соединенные между собой генератор сигнала в диапазоне частот от 0,5 до 2000 кГц, датчики тока и напряжения, делитель значений сигналов, регистровую память (фиг.2).
Система электроимпедансной онкологической диагностики работает следующим образом. В случае исследования полых или висцеральных соматических органов пациента используют, соответственно, эндоскопическую или лапароскопическую системы (на фиг. не показано), через инструментальные (биопсийные) каналы которых активный электрод 1 подводится к поверхности исследуемого участка. При исследовании открытых полостей и физиологических поверхностей (в т.ч. кожи) активный электрод 1 подводится к поверхности исследуемого участка без использования специальных подводящих систем. Пассивный электрод 8 помещают под бедром исследуемого пациента (на фиг. не показано). Многочастотный измеритель импеданса 2 измеряет величину электрического импеданса Z биоткани на участке исследования между активным электродом 1 и пассивным электродом 8 в диапазоне подаваемых на исследуемый участок частот от 0,5 до 2000 кГц, в результате чего формируется функциональная зависимость (фиг.3 (6)):
.
Микроконтроллер 3 на базе значений Z(f) вычисляет по формулам электрические параметры Z(f) (фиг.5):
частные коэффициенты поляризации Кп для каждого i-го значения Z(f):
;
и интегральный параметр импеданса Zs:
, где n - количество частот измерений.
Представленные на фиг.3 (а, б) кривые, характеризующие частотное распределение электроимпеданса мышц при двухчастотной (а) и многочастотной (б) импедансометрии, иллюстрируют, что при многочастотной импедансометрии, реализованной в системе электроимпедансной онкологической диагностики, функция Z(f) характеризуется не одним значением Кп, вычисленным на базе двух значений электроимпеданса Zn и Zq, как в случае двухчастотного измерения импеданса (фиг.3а), а целым набором значений Кп, вычисленных на базе нескольких значений (Zf1, Zf2, …Zfn), каждый из которых более точно характеризует определенный тип биоткани в ее определенном физиологическом состоянии.
В результате возникновения помех в системе электроимпедансной онкологической диагностики отдельные значения импеданса Z, соответствующие определенным частотам, могут быть искажены (фиг.4), и, следовательно, точность диагностирования с использованием частных коэффициентов поляризации Кп может быть снижена. В этом случае вычисленная интегральная величина Zs позволяет нивелировать частные недостоверные значения импеданса Z на определенных частотах. Так, используя для измерений импеданса, по меньшей мере, 5-6 опорных частот, при искажении значений импеданса на двух из них, степень точности диагностирования интегральным методом будет достаточно высока даже при использовании в качестве расчетных данных значений импедансов, соответствующих всем частотам.
В случае возникновения во время проведения исследования определенных клинических состояний (кровотечения, некроз и т.п.), когда вероятно изменение электрофизических свойств биотканей, существует возможность производить корректировку вычисляемых микроконтроллером 3 значений Кп и Zs. Для этого врач, проводящий исследование, во время работы системы с помощью элементов управления (на фиг. не показано), размещенных на блоке управления 6, вводит поправочные коэффициенты Кр и Kz, соответствующие возникшим клиническим состояниям, с учетом которых микроконтроллер 3 корректирует, соответственно, значения Кп и Zs:
для каждого i-го значения Z(f): 
;
.
Вычисленные и, при необходимости, откорректированные микроконтроллером 3 значения Кп и Zs поступают в блок сравнения 4, в котором, путем сравнения полученных значений Кп и Zs со значениями, установленными экспериментально и введенными в базу данных блока постоянной памяти 5, определяется тип биоткани и вид ее физиологического состояния. Блок регистрации и отображения информации 7 отображает видеоинформацию, поступающую с выхода эндоскопической или лапароскопической видеосистемы (на фиг. не показано), в виде изображения исследуемого участка, а также данные о типах и физиологических состояниях биологической ткани на данном участке, полученные в результате многочастотной электроимпедансной диагностики.
Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемой системы электроимпедансной онкологической диагностики позволяет, за счет снижения вероятности получения недостоверных значений электрических параметров, повысить точность диагностирования биотканей различных типов и физиологических состояний.
1. Система электроимпедансной онкологической диагностики, содержащая блок управления, блок сравнения, один из входов которого соединен с выходом блока постоянной памяти, а выход соединен с входом блока регистрации и отображения информации, систему измерения импеданса, соединенную с активным и пассивным электродами, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит микроконтроллер, один вход которого соединен с выходом системы измерения импеданса, второй вход соединен с выходом блока управления, а выход соединен с входом блока сравнения, при этом система измерения импеданса представляет собой многочастотный измеритель импеданса.
2. Система электроимпедансной онкологической диагностики по п.1, отличающаяся тем, что многочастотный измеритель импеданса включает соединенные между собой генератор сигнала в диапазоне частот от 0,5 до 2000 кГц, датчики тока и напряжения, делитель значений сигналов, регистровую память.
