CC BY
42
ИДЕНТИФИКАЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ С ПОМОЩЬЮ
ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ С.М. Латыев, В.А. Волчков, А.Г. Егоров, А.Э. Пуйша
В статье рассмотрены телекоммуникационные способы и устройства для идентификации расположения конца иглы шприца в биологических тканях в процессе проведения медицинских операций.
Повышение информативности и безопасности диагностических манипуляций (пункция эпидурального пространства, взятие материала для морфологических исследований и прочее), проводимых на или вблизи жизненно важных органов (центральная нервная система, легкие, сердце, поджелудочная железа) требует применения современных малоинвазивных высокотехнологичных приборов. Желательно получение интересующей достоверной информации по возможности тонкоигольным способом без нанесения больших травм и разрезов обследуемого больного. В настоящий момент сохраняется актуальная проблема идентификации правильности расположения конца пункционной иглы в биологических тканях in vivo.
Рис. 1. Изображение эпидурального пространства. 1 - эпидуральное пространство, 2 -субарахноидальное пространство, 3 - спинальный нерв, 4 - ганглий заднего корешка, 5
- спинной мозг, 6 - твердая мозговая оболочка, 7 - паукообразная мозговая оболочка, 8
- мягкая мозговая оболочка, 9 - задний корешок, 10 - передний корешок, 11 - кость по-
звонка.
Уточнение нахождения может осуществляться с помощью оптических методов на основе оптического световода, вставляемого в просвет медицинской иглы [1]. Дисталь-ный полированный конец световода совпадает с концом иглы и имеет такую же форму среза. По этому световоду оптическое излучение подводится к концу иглы, а отраженный свет возвращается обратно для идентификации расположения конца иглы в искомой биологической ткани.
Способы идентификации могут быть различными и основанными на анализе изображения тканей, прилегающих к концу иглы, на анализе значения интенсивности отраженного излучения или его спектральных характеристик.
В Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики совместно с Санкт-Петербургским государственным медицинским университетом им. акад. И.П. Павлова, ВНЦ «ГОИ им. С.И. Вавилова» в рамках программы «Интеграция» были разработаны макеты устройств, реализующие пере-
численные способы для идентификации эпидурального пространства и проведена их апробация на биомоделях и экспериментах на животных.
Эпидуральным пространством (Epidural space) называется внутренняя полость, заключенная в позвоночном канале и в виде узкой щели, окружающая твердую оболочку спинного мозга (Dura mater) (рис. 1) [2]. Максимальный размер эпидуральное пространство имеет в поясничном отделе позвоночника — в среднем 5—7 мм, а в шейном и грудном — 2—4 мм.
При проведении анестезии необходимо пунктировать эпидуральное пространство так, чтобы не повредить твердую мозговую оболочку (ТМО). Опыт анестезиолога, владение мануальными навыками даже для многоопытных специалистов не позволяет исключить пункции ТМО, достигающей 0,6-0,8% [3] при существующих мануальных методах идентификации эпидурального пространства [4]. Использование оптических методов, переводящих субъективные ощущения врача в объективную информацию о положение конца иглы в эпидуральном пространстве, позволяет устранить перфорацию dura mater.
Функциональная схема устройства, создающего изображение ткани, прилегающей к концу иглы, представлена на рис. 2.
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Рис. 2. Функциональная схема устройства на основе ПЗС-матрицы. 1 - игла, 2 - волоконно-оптический жгут для передачи изображения с равномерной укладкой волокон, 3 -корпус, 4 - источник света (белый светодиод или миниатюрная лампа накаливания), 5 -конденсор, 6 - светоделительное зеркало, 7 - проекционный объектив, 8 - ПЗС-матрица, 9 - телевизионный монитор.
О достижении концом иглы эпидурального пространства (или другой биологической ткани, субстрата) врач может судить по структуре и цвету изображения ткани, прилегающей к полированному торцу дистального конца световода, которое переносится световодом на полированный торец проксимального конца, с которого проектируется объективом 7 на ПЗС-матрицу 8 и отображается на мониторе 9 компьютера или телевизора. Используемый здесь световод должен быть изображающим, т.е. иметь регулярную укладку волокон и иметь возможность удаляться из павильона иглы после идентификации ткани (субстрата) для того, чтобы к игле присоединить шприц, установить катетер и т.д.
На рис. 3 а представлен действующий макет устройства, прилегающего к концу иглы и совмещенному с ним полированному торцу дистального конца световода, а на рис. 3б приведены изображения объектов (текста и биологической ткани).
Устройства идентификации, основанные на анализе интенсивности излучения, отраженного от ткани (субстрата) или анализе его спектральных характеристик, не требуют изображающего световода с хорошей разрешающей способностью. Световод может иметь нерегулярную укладку волокон или быть выполненным из полимера, что существенно уменьшает его стоимость и упрощает оптическую схему устройства.
Рис. 3а. Макет фотоэлектрического устройства.
Рис. 3б. Изображение текста и биологической ткани.
На рис. 4 представлена функциональная схема подобного устройства. Здесь световод 2 выполнен из полимера и имеет разветвитель 4, по одному жгуту 5 которого производится подсветка от белого или цветных коммутируемых светодиодов 7, а по другому жгуту 6 отраженное излучение попадает на фотоприемник 8. Результат измерений обрабатывается с помощью компьютерной программы и поступает в виде графиков на дисплей 9 в реальном масштабе времени.
12 3 4 5 6 7 8 9
Рис. 4. Функциональная схема устройства, основанного на анализе интенсивности
излучения.
Так как различные биологические ткани имеют различные коэффициенты поглощения, отражения и другие спектральные характеристики оптического излучения для различных длин волн света [5], то интенсивность и спектральный состав отраженного излучения будут для них различными при последовательном прохождении эпиду-ральной иглой. На рис. 5 представлены графики изменения уровня сигнала с фотоприемника 8 при последовательном прохождении иглой кожи, жировой ткани, мышечной ткани, межостистой связки, желтой связки, достижении эпидурального пространства, твердой мозговой оболочки и ткани спинного мозга. Как видно из графиков, уровень сигнала с фотоприемника при работе на различных спектральных диапазонах излучения (красный, зеленый, синий светодиоды) существенно различен. Падение уровня сигнала с фотоприемника при нахождении конца иглы в эпидуральном пространстве (53 мм) обусловлено тем, что ткань эпидурального пространства представляет собой субстрат, обладающий большим коэффициентом поглощения излучения.
Рис. 5. Результат верификации эпидурального пространства. Спектральные области:
К - красная, О - зеленая, В - синяя.
Для идентификации жидкообразных и желеобразных биологических тканей (субстратов) может быть использован эффект нарушения угла полного внутреннего отражения от полированного торца световода. Угол полного внутреннего отражения ш0 определяется для падающего на торец световода оптического излучения рис. 6 известным соотношением
П
БШШ 0 =—, п2
где п1 - показатель преломления внешней среды, п2 - показатель преломления световода. Для случая, когда торец световода находится в воздухе, п1 = 1, угол полного внутреннего отражения для световода, выполненного из полимера с «2 = 1,49, со о ~ 42°.
Г г
Рис. 6. Метод, основанный на потере полного внутреннего отражения
Рис. 7. Результат верификации эпидурального пространства на биомоделях. Спектральные области: К - красная, О - зеленая, В - синяя.
Биологическая ткань эпидурального пространства включает соединительную ткань, жир, сосуды и имеет показатель преломления в диапазоне п1 « 1,3-1,4, поэтому для световода, выполненного из полимера с п2 = 1,49, угол полного внутреннего отражения находится в приделах ш0 ~ 60°-70°. Таким образом, если торец световода выполнить под углом а в диапазоне, большем угла полного внутреннего отражения в случае, когда он находится в воздухе, и меньшем угла полного внутреннего отражения в случае, когда он находится в ткани в эпидуральном пространстве, т. е.
агсБШ
' 1 ^
< а < агсБт
(п ^
V п2 у
V п2 У
то из-за нарушения угла полного внутреннего отражения в момент вхождения конца иглы (световода) в эту ткань (жидкость) значительная часть света будет распространяться в эту ткань, доля отраженного излучения резко уменьшается и амплитуда сигнала с фотоприемника падает до минимального значения.
Биологическая ткань по ходу иглы, находящаяся перед эпидуральным пространством (мышечная, надостистая, межостистая, желтая связка), имеет более плотную консистенцию, в меньшей степени смачивает полированный торец световода, например, кровью, является практически непрозрачной для видимого диапазона длин волн света. Поэтому, пока конец иглы находится, например, в тканях межостистой и желтой связок 2 (рис. 6), световой луч АВ, падающий на торец световода, выполненный под углом а, претерпевает полное внутреннее отражение, отклоняется по направлению ВС, и далее значительная его часть после многократных отражений от стенок и торца световода возвращается обратно и попадает на фотоприемник. Когда конец иглы попадает в эпидуральное пространство 1, луч АЛ преломляется на границе двух сред, распространяется в направлении ВЛ и поглощается.
На рис. 7 представлен график изменения уровня с фотоприемника при прохождении конца иглы через ткани подопытного животного для случая, когда торец световода выполнен под углом а. Искомому эпидуральному пространству (55 мм) соответствует минимальный уровень сигнала с фотоприемника.
Заключение
Использование оптических методов и макетов устройств для верификации эпиду-рального пространства на биомоделях показало их работоспособность и возможность применения для других аналогичных случаев в медицинской практике. Планируется продолжение исследований с целью определения оптимального спектрального диапазона излучения для различных биотканей и жидкостей, а также оптимизация конструкций устройств.
Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы», Проект № Б0120. Направление 1.1.
Литература
1. Латыев С.М. и др. О возможности идентификации эпидурального пространства в анестезиологической практике оптическими методами // Оптич. журн. 2002. Т.69. №4. С. 85-87.
2. http://www.med.azeriweb.com.
3. Светлов В. А., Козлов С.П. Опасности и осложнения центральных сегментарных блоков // Анестезиология и реаниматология. 2000. № 5. С. 82.
4. Морган мл. Д.Э., Мэгис С.М. // Клиническая анестезиология. М.-СПб, 1998. С. 303-304.
5. Хайрулина А.Я. и др. Банк данных по оптическим и биофизическим свойствам крови, биотканей и биожидкостей в видимой и ближней ИК областях спектра // Оптич. журн. 1997. № 3.
