Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ IN VIVO ПАТОЛОГИЧЕСКОЙ ЗОНЫ В СЛОИСТОЙ СИСТЕМЕ БИОЛОГИЧЕСКОГО ОРГАНА ЭПИТЕЛИЙ-ПОДЛЕЖАЩАЯ СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ ТКАНЬ
СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ IN VIVO ПАТОЛОГИЧЕСКОЙ ЗОНЫ В СЛОИСТОЙ СИСТЕМЕ БИОЛОГИЧЕСКОГО ОРГАНА ЭПИТЕЛИЙ-ПОДЛЕЖАЩАЯ СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ ТКАНЬ

СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ IN VIVO ПАТОЛОГИЧЕСКОЙ ЗОНЫ В СЛОИСТОЙ СИСТЕМЕ БИОЛОГИЧЕСКОГО ОРГАНА ЭПИТЕЛИЙ-ПОДЛЕЖАЩАЯ СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ ТКАНЬ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к медицине, в частности к функциональной диагностике. Способ обеспечивает повышение точности диагностики с возможностью дифференцировки скопления жидкости и избыточного скопления клеток в каждом слое исследуемой системы. Направляют пучок низкокогерентного оптического излучения видимого или ближнего ИК диапазона на исследуемую слоистую систему, сканируют указанный пучок оптического излучения по поверхности исследуемой слоистой системы с последующим получением изображения исследуемой слоистой системы путем отображения интенсивности оптического излучения, обратно рассеянного исследуемой слоистой системой, и использованием полученного изображения для диагностики, при этом в полученном изображении в каждом слое упомянутой слоистой системы выявляют зоны неправильной формы, характеризующиеся интенсивностью обратно рассеянного оптического излучения, отличной от интенсивности обратно рассеянного оптического излучения в смежных зонах, и по соотношению интенсивностей обратно рассеянного оптического излучения внутри и вне выявленной зоны осуществляют диагностику патологической зоны. 3 з. п.ф-лы, 15 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2169525
Класс(ы) патента: A61B6/02
Номер заявки: 2000101087/14
Дата подачи заявки: 20.01.2000
Дата публикации: 27.06.2001
Заявитель(и): Институт прикладной физики РАН; Нижегородская государственная медицинская академия
Автор(ы): Гладкова Н.Д.; Загайнов В.Е.; Загайнова Е.В.; Кузнецова И.А.; Петрова Г.А.; Снопова Л.Б.; Терентьева А.Б.; Чумаков Ю.П.; Шахов А.В.; Шахова Н.М.; Геликонов В.М.; Геликонов Г.В.; Иксанов Р.Р.; Куранов Р.В.; Сергеев А.М.; Фельдштейн Ф.И.
Патентообладатель(и): Институт прикладной физики РАН; Нижегородская государственная медицинская академия
Описание изобретения: Изобретение относится к медицине, в частности к неинвазивной функциональной диагностике с помощью методов, основанных на интерференции световых волн, и может быть использовано для диагностики патологических состояний различной природы в биологическом органе, включающем слоистую систему эпителий - подлежащая соединительная ткань, например в слизистой гинекологического, дыхательного, мочевыделительного, гастроинтестинального трактов, а также в коже.
В медицине широко известна ультразвуковая диагностика биологических органов in vivo (см., например, книга: Демидов В.Н., Казеев К.Н., Авдеева Т.Ф. "Клиническая ультразвуковая диагностика". 2 Т. под ред. Мухарлямова Н.М. - М. : Медицина - 1987, патенты России NN 1503748, 2024237, 2033086). Однако описанные в упомянутой книге и патентах способы не предназначены для диагностики патологической зоны в слоистой системе эпителий - подлежащая соединительная ткань биологических органов in vivo.
По статье Yoko Murata et al. "Evaluation of endoscopic ultrasonography for diagnosis of submucosal tumors of esophagus", Surgical Endoscopy, 2: 51-58, 1988 известен способ диагностики in vivo патологической зоны в пищеводе, которая представляет собой слоистую систему эпителий - подлежащая соединительная ткань. Способ основан на сканировании слоистой системы предварительно сформированным ультразвуковым излучением, визуализации указанной системы и выявлении в ней зоны с нарушенной упорядоченностью внутренней структуры, увеличивающей толщину слоистой системы. Выявленные участки диагностируют как патологический очаг.
По книге P.Altmeyer et al. "Ultrasound in Dermatology", Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1992, p. 42-54; 55-79 известен аналогичный способ ультразвуковой диагностики in vivo патологической зоны в коже, которая так же, как и пищевод, представляет собой слоистую систему эпителий - подлежащая соединительная ткань. Диагностику патологического очага осуществляют так же, как и в указанном выше способе.
Однако несмотря на безусловные и хорошо известные достоинства ультразвуковой диагностики in vivo патологического очага в слоистой системе эпителий - подлежащая соединительная ткань, которыми являются неинвазивность и безвредность для пациента, он не свободен от ряда недостатков. В частности, ультразвуковая диагностика не позволяет выявить патологическую зону в отдельных слоях слоистой системы, что обусловлено недостаточным разрешением способа. Кроме того, с помощью ультразвуковой диагностики невозможно отличить патологический очаг, являющийся скоплением жидкости, от патологического очага, являющегося избыточным скоплением клеток. Это обусловлено тем, что и тот, и другой патологические очаги поглощают ультразвуковой сигнал. По-видимому, это объясняется тем, что длина волны ультразвукового излучения существенно превышает характерные масштабы рассеивающих элементов в патологической зоне, в результате чего при визуализации слоистой системы эпителий - подлежащая соединительная ткань указанные патологические очаги неразличимы. Другим недостатком способа является невозможность определения боковых границ патологического очага в системе эпителий - подлежащая соединительная ткань.
Восемь лет назад в статье D.Huang, J.Wang, C.P.Lin, J.S.Shuman, W.G. Stinson, W.Chang, M.R.Нее, Т.Flotte, К.Gregory, C.A.Puliafito, and J.G.Fujimoto, "Optical coherence tomography," Science 254, p. 1178, 1991 в качестве нового метода исследования биотканей был предложен метод оптической когерентной томографии (ОКТ), с помощью которого возможно неинвазивное получение изображений структур покровных тканей в ближнем инфракрасном диапазоне с пространственным разрешением 10 - 20 микрометров. В последние годы этот метод активно развивается как отечественными исследователями, так и зарубежными и используется в основном для неинвазивной диагностики глаза, зубных и околозубных тканей, кожи, а также в эндоскопических исследованиях.
Ближайшим аналогом разработанного способа по решаемой задаче и совокупности сходных существенных признаков является способ диагностики патологической зоны биологического органа в слоистой системе эпителий - подлежащая соединительная ткань in vivo, известном по з. РФ N 98104238/14 (WO 99/45338, опубл. 10.09.99), решение о выдаче патента от 09.12.99. Способ основан на направлении пучка низкокогерентного оптического излучения видимого или ближнего ИК диапазона на исследуемую слоистую систему, сканировании указанного пучка оптического излучения по поверхности исследуемой слоистой системы с последующим получением изображения исследуемой слоистой системы путем отображения интенсивности оптического излучения, обратно рассеянного исследуемой слоистой системой. В полученном изображении идентифицируют базальную мембрану биоткани, отделяющую эпителий от подлежащей соединительной ткани, а диагностику осуществляют по состоянию базальной мембраны, т.е. по нарушению ее формы, появлению микроразрывов, либо по ее полному исчезновению.
Недостатком способа, так же, как и известных способов ультразвуковой диагностики, является то, что он, несмотря на высокое разрешение, обусловленное используемым низкокогерентным оптическим излучением, не позволяет выявить патологическую зону в отдельных слоях слоистой системы. Кроме того, с помощью этого способа также невозможно отличить патологический очаг, являющийся скоплением жидкости, от патологического очага, являющегося избыточным скоплением клеток. Состояние базальной мембраны, которое в этом способе используется в качестве информативного параметра, позволяет лишь выявить факт наличия патологического очага в системе в целом, и, тем более, не дает возможность дифференцировать патологический очаг, являющийся скоплением жидкости, от патологического очага, являющегося избыточным скоплением клеток, равно как и определять боковые границы патологического очага.
Таким образом, задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа диагностики in vivo патологической зоны биологического органа в слоистой системе эпителий - подлежащая соединительная ткань с улучшенными эксплуатационными характеристиками, который при использовании может обеспечить дифференциальную диагностику скопления жидкости и избыточного скопления клеток в каждом слое исследуемой системы, а также надежное определение боковых границ патологической зоны.
Сущность разработанного способа диагностики in vivo патологической зоны биологического органа в слоистой системе эпителий - подлежащая соединительная ткань заключается в том, что так же, как и способ, который является ближайшим аналогом, он основан на направлении пучка низкокогерентного оптического излучения видимого или ближнего ИК диапазона на исследуемую слоистую систему, сканировании указанного пучка оптического излучения с последующим получением изображения исследуемой слоистой системы путем отображения интенсивности оптического излучения, обратно рассеянного исследуемой слоистой системой, которое используют для диагностики.
Новым в разработанном способе является то, что в полученном изображении в каждом слое указанной системы выявляют зоны неправильной формы, характеризующиеся интенсивностью обратно рассеянного оптического излучения, отличной от интенсивности обратно рассеянного оптического излучения в смежных зонах, и по соотношению интенсивностей обратно рассеянного оптического излучения внутри и вне выявленной зоны осуществляют диагностику патологической зоны.
В частном случае при выявлении зоны, характеризующейся малой по сравнению со смежными зонами интенсивностью обратно рассеянного оптического излучения, диагностируют скопление жидкости.
В другом частном случае при выявлении зоны, характеризующейся большой по сравнению со смежными зонами интенсивностью обратно рассеянного оптического излучения, диагностируют наличие избыточного скопления клеток.
Целесообразно при визуализации боковые границы патологической зоны, выходящей по глубине за пределы слоя, в слоистой системе эпителий - подлежащая соединительная ткань определять по исчезновению видимой слоистой структуры системы в целом.
В разработанном способе использование низкокогерентного оптического излучения обеспечивает высокое пространственное разрешение по глубине и позволяет в полученном изображении исследуемой слоистой системы биологического органа эпителий - подлежащая соединительная ткань выявлять зоны, имеющие неправильную форму и характеризующиеся интенсивностью обратно рассеянного оптического излучения, отличной от интенсивности обратно рассеянного оптического изучения в смежных зонах. Обнаруженное авторами различие оптических характеристик рассеяния патологической зоны, являющейся скоплением жидкости, и патологической зоны, являющейся избыточным скоплением клеток, позволяет использовать в качестве информативного параметра соотношение интенсивностей обратно рассеянного оптического излучения внутри и вне выявленной зоны, т.е. дифференцировать указанные патологические зоны. Использование в качестве информативного параметра исчезновения видимой слоистой структуры системы в целом позволяет определять боковые границы патологической зоны, выходящей по глубине за пределы слоя. Таким образом, разработанный способ позволяет осуществить раннюю неинвазивную диагностику, определить характер и границы патологической зоны, т.е. он характеризуется улучшенными эксплуатационными характеристиками.
На фиг. 1 приведен вариант структурной схемы устройства для оптической когерентной томографии, с помощью которого может быть реализован разработанный способ.
На фиг. 2 приведены томограмма (а) и параллельное гистологическое изображение (б) здоровой слизистой пищевода.
На фиг. 3 приведены томограмма (а) и параллельное гистологическое изображение (б) здоровой голосовой складки.
На фиг. 4 приведены томограмма (а) и параллельное гистологическое изображение (б) здоровой шейки матки.
На фиг. 5 приведены томограмма (а) и параллельное гистологическое изображение (б) здоровой толстой кожи.
На фиг. 6 приведены томограмма (а) и параллельное гистологическое изображение (б) здоровой тонкой кожи.
Фиг. 7 демонстрирует томограмму (а) и параллельную гистологию (б) слизистой мочевого пузыря со скоплением жидкости в эпителии и соединительно-тканном слое слизистой, возникшем в результате воспаления.
Фиг. 8 демонстрирует томограмму (а) и параллельную гистологию (б) участка буллезной эритемы кожи - внутриэпидермального скопления воспалительной жидкости в виде пузыря.
На фиг. 9 приведены томограмма (а) и параллельное гистологическое изображение кожи бедра больной с очаговой склеродермией (б), где в дерме обнаружено скопление экссудата, расслаивающее соединительно-тканные волокна дермы, а также избыточное скопление клеток в сосочковом слое и верхней трети дермы.
Фиг. 10 демонстрирует томограмму слизистой шейки матки при беременности, когда в соединительно-тканном слое происходит значительное накопление межтканевой жидкости, ведущее к разобщению соединительно-тканных волокон (так зазываемый физиологический отек).
Фиг. 11 демонстрирует томограмму (а) и параллельную гистологию (б) слизистой средней трети пищевода с плоскоклеточным ороговевающим раком, инвазией до 1 мм, который представляет собой избыточное скопление клеток как результат неопластического процесса.
Фиг. 12 демонстрирует томограмму (а) и параллельную гистологию (б) слизистой голосовой складки с плоскоклеточным ороговевающим раком, инвазией более чем на 1 мм, который представляет собой избыточное скопление клеток как результат неопластического процесса.
На фиг. 13а представлена томограмма, снятая в центре объемной плоскоклеточной карциномы голосовой складки, показывающая исчезновение нормальной слоистой структуры эпителий - соединительная ткань. Томограмма, зарегистрированная на границе патологической зоны (фиг. 13б), визуализирует переход анормального эпителия в здоровый эпителий и позволяет наблюдать боковую границу патологической зоны, выходящей по глубине за пределы слоя, в системе эпителий - подлежащая соединительная ткань по исчезновению видимой слоистой структуры системы слизистой голосовой складки в целом.
Фиг. 14 демонстрирует томограмму (а), которая объективно зафиксировала границу нормального и анормального эпителия и позволяет наблюдать боковую границу патологической зоны, выходящей по глубине за пределы слоя, в системе эпителий - подлежащая соединительная ткань по исчезновению видимой слоистой структуры слизистой шейки матки в целом. Томограмма зафиксирована в области визуально (кольпоскопически) здорового эпителия. Результат биопсии, взятой в месте томографирования, представлен на фигуре 14б и подтверждает наличие здесь места перехода нормального эпителия в анормальный.
Фиг. 15 демонстрирует томограмму (а) области слизистой шейки матки, которая кольпоскопически определялась как здоровая. Морфологическое исследование результата биопсии этой области (фиг. 15б) показывает, что кольпоскопическая граница патологического очага недостаточно объективна, так как и морфологически и томографически в этой области обнаруживается измененный эпителий.
Устройство по фиг. 1 представляет собой устройство для оптический когерентной томографии (ОКТ) и содержит источник 1 низкокогерентного оптического излучения и оптоволоконный интерферометр 2. Интерферометр 2 включает оптически связанные светорасщепитель 3, измерительное и опорное оптоволоконные плечи 4, 5 соответственно, а также фотоприемник 6. Выход фотоприемника 6 подключен к блоку 7 обработки и индикации. Измерительное плечо 4 снабжено оптоволоконным зондом 8, а на конце опорного плеча 5 установлено референтное зеркало 9. Опорное плечо 5 содержит сканер 10, связанный с источником управляющего напряжения (на чертеже не показан), а выход блока 7 оптоволоконного интерферометра 2 является выходом устройства.
В качестве источника 1 может быть использован, например, суперлюминесцентный полупроводниковый диод. В конкретной реализации был использован суперлюминесцентным полупроводниковым диодом на центральной длине волны 830 нм при ширине спектра FWHM 25 нм и с мощностью 1,5 мВт.
Интерферометр 2 представляет собой интерферометр Майкельсона и может быть выполнен оптоволоконным.
Светорасщепитель 3 также может быть выполнен оптоволоконным, например, по ст. R.H.Stolen et al "Polarization-selective 3dB fiber directional coupler", Opt. Lett./Vol. 10, N. 11, 1985, pp. 574-575.
В качестве фотоприемника 6 может быть использован фотодиод.
Блок 7 предназначен для формирования изображения исследуемого объекта путем отображения интенсивности обратно рассеянного когерентного излучения и может быть выполнен, например, аналогично блоку обработки и индикации по ст. В. М.Геликонов и др. "Когерентная оптическая томография микронеоднородностей биотканей". Письма в ЖЭТФ, том. 61, вып. 2, с. 149-153, который включает последовательно соединенные полосовой фильтр, логарифмический усилитель, амплитудный детектор, аналого-цифровой преобразователь и компьютер.
Оптоволоконный зонд 8 предназначен для поперечного сканирования исследуемой системы и может быть выполнен аналогично оптоволоконному зонду по з. РФ N 98104238/14 (WO 99/45338, опубл. 10.09.99). В конкретной реализации для исследования внутренних органов использован миниатюрный оптоволоконный зонд 8 с внешним диаметром 2,7 мм, обеспечивающий поперечное разрешение 20 мкм. Использованная конструкция минизонда позволяет проводить его стерилизацию традиционными методами и совмещать со стандартным эндо- и лапароскопическим оборудованием. Для исследования кожных покровов оптоволоконный зонд 8 может быть выполнен в виде макрозонда.
Сканер 10 предназначен для изменения разности оптических длин плеч интерферометра 2 по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн источника оптического излучения, обеспечивающего необходимое сканирование по глубине 1-2 мм. В конкретной реализации устройства по фиг. 1 референтное зеркало 9 выполнено неподвижным, а сканер 10 выполнен по пат. РФ N 2100787, 1997 г. , в виде оптоволоконного пьезоэлектрического преобразователя, содержащего по меньшей мере один пьезоэлектрический элемент, выполненный с возможностью формирования в нем электрического поля и характеризующийся высоким обратным пьезоэффектом, жестко скрепленные с пьезоэлектрическим элементом электроды, а также оптическое волокно, жестко скрепленное с электродами. Размер пьезоэлектрического элемента в направлении, приблизительно ортогональном вектору электрического поля, существенно превышает размер пьезоэлектрического элемента в направлении, приблизительно совпадающем с вектором электрического поля, при этом длина оптического волокна существенно превышает диаметр пьезоэлектрического элемента.
В конкретной реализации сканер 10 обеспечивает разрешение по глубине ~ 15 мкм.
Оптический интерферометр 2 может быть реализован на анизотропном волокне, например, типа PANDA.
Разработанный способ диагностики in vivo, патологической зоны в слоистой системе биологического органа эпителий - подлежащая соединительная ткань с помощью устройства, структурная схема которого приведена на фиг. 1, реализуется следующим образом.
Направляют пучок низкокогерентного оптического излучения видимого или ближнего ИК диапазона на исследуемую слоистую систему.
Для этого формируют низкокогерентное оптическое излучение с помощью источника 1. Разделяют этот пучок на два пучка с помощью светорасщепителя 3 оптоволоконного интерферометра 2. Первый пучок с помощью оптоволоконного плеча 4 и оптоволоконного зонда 8 направляют на исследуемую слоистую систему.
Сканируют первый пучок оптического излучения по поверхности исследуемой слоистой системы по заданному закону с помощью оптоволоконного зонда 8.
Затем получают изображение исследуемой слоистой системы путем отображения интенсивности оптического излучения, обратно рассеянного исследуемой слоистой системой.
Для этого второй пучок с помощью опорного плеча 5 направляют на референтное зеркало 9. Сканер 10 обеспечивает изменение разности оптических длин плеч 4, 5 интерферометра 2 с постоянной скоростью V по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн источника 1 оптического излучения. Светорасщепитель 3 смешивает излучение, обратно рассеянное исследуемой слоистой системой, и излучение, отраженное от референтного зеркала 9. При изменении разности оптических длин плеч 4, 5 с помощью сканера 10 происходит интерференционная модуляция интенсивности оптического излучения на частоте Допплера f = 2V/λ , где λ - рабочая длина волны источника 1 смешанного оптического излучения на выходе светорасщепителя 3, причем закон интерференционной модуляции соответствует изменению интенсивности оптического излучения, обратно рассеянного исследуемой слоистой системой с различных ее глубин. Фотоприемник 6 обеспечивает преобразование смешанного оптического излучения с выхода светорасщепителя 3 в электрический сигнал, который поступает в блок 7. Полосовой фильтр блока 7 осуществляет выделение сигнала на частоте Допплера, что обеспечивает улучшение соотношения сигнал/шум. После усиления сигнал поступает на амплитудный детектор, который выделяет сигнал, пропорциональный огибающей этого сигнала. Выделенный амплитудным детектором блока 7 сигнал пропорционален сигналу интерференционной модуляции интенсивности смешанного оптического излучения. Аналого-цифровой преобразователь блока 7 осуществляет преобразование сигнала с выхода амплитудного детектора в цифровую форму. Компьютер блока 7 обеспечивает получение изображения путем отображения на дисплее интенсивности цифрового сигнала (указанное отображение может быть реализовано, например, по кн. H.E.Burdick. Digital imaging: Theory and Applications, 304 pp., Me Graw Hill, 1997). Поскольку цифровой сигнал соответствует изменению интенсивности оптического излучения, обратно рассеянного исследуемой слоистой системой с различных ее глубин, то полученное на дисплее изображение соответствует изображению исследуемой слоистой системы.
В полученном изображении в каждом слое исследуемой слоистой системы выявляют зоны неправильной формы, характеризующиеся интенсивностью обратно рассеянного оптического излучения, отличной от интенсивности обратно рассеянного оптического излучения в смежных зонах, и по соотношению интенсивностей обратно рассеянного оптического излучения внутри и вне выявленной зоны осуществляют диагностику патологической зоны. При выявлении зоны, характеризующейся малой по сравнению со смежными зонами интенсивностью обратно рассеянного оптического излучения, диагностируют скопление жидкости, а при выявлении зоны, характеризующейся большой по сравнению со смежными зонами интенсивностью обратно рассеянного оптического излучения, диагностируют наличие избыточного скопления клеток.
При этом боковые границы патологической зоны, выходящей по глубине за пределы слоя, определяют по исчезновению видимой слоистой структуры системы в целом.
Разработанный способ проиллюстрирован конкретными примерами его реализации.
Прижизненному обследованию с помощью разработанного способа подвергались нормальные и патологические зоны различных биологических органов, включающих слоистую систему эпителий - подлежащая соединительная ткань, в частности слизистые гинекологического, дыхательного, мочевыделительного, гастроинтестинального трактов, а также кожа.
Исследования конкретной слоистой системы имело свою специфику. Для обследования с помощью разработанного способа слизистых оболочек внутренних полых органов зонд 8 был выполнен в виде минизонда и вводился в биопсийный канал соответствующего эндоскопического инструмента, а исследование проводилось при непосредственном контакте с биологическим органом. Так в гинекологии для изучения состояния наружных половых органов, влагалища и шейки матки проводилась ОКТ-вульвокольпоскопия. Методика заключалась в подведении зонда 8, выполненного в виде минизонда, к обследуемой слоистой системе эпителий - подлежащая соединительная ткань под контролем кольпоскопа. Для диагностики внутриматочной патологии проводилась ОКТ-гистероскопия. В этом случае минизонд 8 вводился в биопсийный канал стандартного жесткого гистероскопа. ОКТ информация о состоянии яичников, маточных труб и брюшины малого таза получена при лапароскопии. Для этого зонд 8 вводился через дополнительный троакар с использованием специально изготовленного проводника. В оториноларингологии для изучения состояния слоистой системы эпителий - подлежащая соединительная ткань слизистой гортани ОКТ-исследование было объединено с прямой опорной ларингоскопией, т.е. минизонд 8 вводился в просвет ларингоскопа для доступа в исследуемые области. В урологии оценка состояния слоистой системе эпителий - подлежащая соединительная ткань слизистой мочевого пузыря методом ОКТ проводилась у взрослых и детей с использованием различных методик. Так слоистая система эпителий - подлежащая соединительная ткань слизистой мочевого пузыря и простаты взрослых пациентов исследовалась во время операции аденомэктомии. В этом случае ОКТ-минизонд 8 вводился через резекционный цистоскоп. Детей, страдающих циститами, обследовали во время диагностической цистоскопии. Минизонд 8 оптического томографа заводился через биопсийный канал цистоскопа. Во всех случаях исследование проводилось на наполненном мочевом пузыре, где в качестве наполнителя использовался стерильный физиологический раствор. В гастроэнтерологии для оценки состояния слоистой системы эпителий - подлежащая соединительная ткань слизистой пищевода проводилась ОКТ-фиброгастроэзофагоскопия. Методика заключалась в подведении минизонда 8 устройства для оптической когерентной томографии к исследуемому органу через биопсийный канал фиброгастроэзофагоскопа.
Для исследования слоистой системы эпителий - подлежащая соединительная ткань кожи различной локализации использовался зонд 8, выполненный в виде макрозонда. Реализация разработанного способа с использованием макрозонда 8 возможна бесконтактным способом. Это обеспечивается наличием у макрозонда 8 специальной платформы, которая фиксирует расстояние от рабочей поверхности зонда 8 до участка кожи, находящейся в фокальной плоскости объектива зонда 8.
Во всех случаях прижизненному исследованию с помощью разработанного способа подвергались те нормальные и патологические области биологических органов, включающих систему эпителий - соединительная ткань, которые подлежали эксцизионной биопсии и дальнейшему гистологическому исследованию для установления соответствия между оптическим изображением, полученным при реализации разработанного способа, и морфологическими чертами биологического органа.
С помощью разработанного способа диагностики in vivo патологической зоны в слоистой системе биологического органа эпителий - подлежащая соединительная ткань было проведено исследование более чем у 250 пациентов. Среди обследованных пациентов преобладали больные с воспалительными и непластическими процессами. Анализ диагностических возможностей разработанного способа в клинической практике был построен на сравнительной оценке ОКТ-изображений нормальных и морфологически измененных тканей. В целях стандартизации разработанного способа для клинического использования были получены in vivo оптические изображения слоистой системы эпителий - подлежащая соединительная ткань нормальной слизистой и кожи различных локализаций. Для этого исследовались отдельные участки слоистой системы органа эпителий - подлежащая соединительная ткань слизистой и кожи, которые по данным клинического и морфологического исследования не были подвержены какому-либо патологическому процессу. В результате был составлен атлас нормальных ОКТ-изображений слоистой системы эпителий - подлежащая соединительная ткань слизистых и кожи различной локализации.
Клиническая апробация разработанного способа проводилась на базе различных клинических отделений Нижегородской областной клинической больницы, Нижегородского областного онкологического диспансера, а также Нижегородского научно-исследовательского кожно-венерологического института. Диагноз заболеваний устанавливался на основании клинических данных с использованием возможных общепринятых методов визуализации поверхности слизистых (кольпоскопии, фибролярингоскопии и прямой опорной микроларингоскопии, цистоскопии, фиброэзофагогастроскопии) с дальнейшим морфологическим подтверждением.
На фиг. 2-4 представлены томограммы и параллельные гистологические изображения здоровой слизистой пищевода (фиг. 2а, б), голосовой складки (фиг. 3а, б) и шейки матки (фиг. 4а, б). Структуры на прижизненных ОКТ изображениях, такие как многослойный или многорядный эпителий 11, подлежащая соединительная ткань 12, базальная мембрана 13, железы с протоками 14 и кровеносные сосуды 15 были идентифицированы на основе параллельной гистологии и типичных морфометрических параметров этих структур (глубина, размер, протяженность, форма, частота встречаемости на единице площади).
На всех томограммах здоровый многослойный эпителий 11 слизистых имеет общие черты и выглядит как темная (слабо рассеивающая) полоса, четко отграниченная от подлежащей соединительной ткани 12 горизонтальной базальной мембраной 13. Ширина полосы варьирует в пределах от 30 мкм до 350 мкм в зависимости от выбранного органа. Подлежащая соединительная ткань 12 визуализируется как светлая (интенсивно рассеивающая) полоса и в ней могут встречаться сосуды 15 различного размера и железы 14. Они выглядят на томограммах в виде однородных слабо рассеивающих округлых или продолговатых зон.
Гисто-томографические исследования здоровой кожи различной локализации позволили установить, что толстая кожа ладоней и подошв имеет свои томографические особенности (фиг. 5а, б). В ней явно выделяются слабо рассеивающий (темный) роговой слой 16, интенсивно рассеивающие (светлые) клеточные слои эпидермиса 17 с отростками и слабо рассеивающий (вновь темный) сосочковый слой дермы 18. Тонкой коже присущи некоторые томографические особенности (рис. 6а, б). Роговой слой 16 выглядит как темная полоса толщиной 50-100 мкм. Клеточные слои эпидермиса 17 тонкой кожи интенсивно рассеивают зондирующее излучение и не имеют четкой границы с сосочковым слоем дермы 18. Этот факт можно связать с поперечными размерами отростков эпидермиса, которые близки к разрешающей способности разработанного способа на этой глубине.
Рассмотрим частные клинические примеры, иллюстрирующие предлагаемый способ диагностики слоистой системы биологического органа эпителий - подлежащая соединительная ткань. Учитывая общность морфологического строения и томографической картины слизистых различной локализации, и некоторые особенности кожи как системы эпителий - подлежащая соединительная ткань, клинические примеры отдельно проиллюстрируют возможности предлагаемого способа в слизистых и коже.
Известно, что такая неспецифическая реакция организма, как воспаление, имеет общие морфологические черты вне зависимости от причин, его вызвавших, и от локализации патологического процесса. К таким изменениям, в частности, могут быть отнесены избыточное скопление жидкости (отек) и клеточная инфильтрация соединительной ткани в его активной фазе. Разработанный способ позволяет обнаружить характерные для воспаления изменения в соединительно-тканных структурах слизистых различной локализации, а также такие специфические изменения кожи, как внутриэпидермальные пузыри. Исследования с помощью разработанного способа были проведены у 87 пациентов, которым были диагностированы те или иные виды воспалительных процессов, локализирующиеся в слизистых или коже.
Клинический пример 1 иллюстрирует возможности разработанного способа в диагностике скопления жидкости в слизистой мочевого пузыря как результат воспаления. У больного П., 63 лет, история болезни N 9826558, находившегося на лечении в урологическом отделении Областной клинической больницы г. Н. Новгорода, клинически и цистоскопически диагностирован хронический катарально-фибринозный цистит в фазе обострения. Цистоскопическое исследование дает представления только о состоянии поверхности эпителия слизистой мочевого пузыря и не позволяет судить о структурных изменениях в системе эпителий - подлежащая соединительная ткань. Результаты цистоскопии обнаружили слизистую темно-красного цвета с выраженной инъекцией сосудов. Фиг. 7 демонстрирует томограмму (а) и параллельную гистологию (б) слизистой мочевого пузыря данного больного. Морфологически выявлена вакуолизация и гидропическая дистрофия эпителия 19. Обнаружено утолщение и отек соединительной ткани 12 со скоплением жидкости 20 между соединительно-тканными волокнами и появлением пустот, диаметр которых достигал 130 мкм. Томографически вакуолизированный эпителий 19 и соединительная ткань 12 утолщены. Упорядоченность внутренней структуры как вакуолизированного эпителия 19, так и соединительной ткани 12 нарушены, появляются зоны неправильной формы со слабым по сравнению со смежными зонами обратным рассеянием оптического излучения, которые диагностируются как внутриэпителиальное 19 или внутрисоединительно-тканное скопление жидкости 20.
Клинический пример 2 иллюстрирует возможности разработанного способа в диагностике скопления жидкости в коже как результат воспаления. В клинической практике часто возникает проблема дифференциального диагноза различных буллезных дерматозов. Так, больной С. 70 лет, история болезни N 2459, поступил в клинику Нижегородского научно-исследовательского кожно-венерологического института для проведения дифференциального диагноза буллезного дерматоза. Проявления болезни к моменту наблюдения существовали 4 дня, расположены на бедре, представлены очагом сиренево-красной отечной эритемы округлой формы с четкими границами, 1,5 см в диаметре. В центральной части очага расположен довольно напряженный пузырь с серозным содержимым. На основании клинических и морфологических данных был установлен диагноз: буллезная форма фиксированной эритемы. Фиг. 8 демонстрирует томограмму (а) и параллельную гистологию (б) участка буллезной эритемы кожи. По результату морфологического исследования установлено: внутри эпидермиса - пузырь 21 на уровне шиповатого слоя с серозным содержимым. На соседних участках имеются явления спонгиоза и экзоцитоза. В верхних отделах дермы - отек и небольшой периваскулярный моноцитарный инфильтрат. Исследование с помощью разработанного способа также выявило внутриэпидермальный пузырь 21 с прозрачным (серозным) содержимым на уровне шиповатого слоя. Патологическая зона томографически описывается как зона, нарушающая упорядоченность внутренней структуры эпидермиса 17 и увеличивающая толщину слоистой системы в целом, в результате чего диагностируется скопление жидкости 21, в данном случае в виде пузыря (буллы).
Клинический пример 3 иллюстрирует возможности разработанного способа в выявлении, как скопления жидкости, так и избыточного скопления клеток в коже как результат воспаления. У пациентки Т., 56 лет, история болезни N 372, клинически диагностирована очаговая склеродермия в острой фазе с высокой активностью воспалительного процесса. Давность заболевания составила 3 месяца. Морфологически (фиг. 9б) в дерме обнаружен резко выраженный отек 22 - скопление экссудата, расслаивающее соединительно-тканные волокна дермы, а также выраженное избыточное скопление клеток 23 (диффузный воспалительный инфильтрат) в субэпителиальной дерме. Томографически (фиг. 9а) в дерме наблюдаются большие зоны слабого рассеяния неправильной формы, нарушающие упорядоченность внутренней структуры дермального слоя и соответствующие морфологически выявленным участкам отека 22. В субэпителиальной дерме заметна зона неправильной формы, нарушающая упорядоченность внутренней структуры дермы, интенсивно рассеивающая зондирующее излучение. Она морфологически соответствовала участкам избыточного скопления клеток 23 - воспалительному клеточному инфильтрату.
Как известно, скопления жидкости в тканях могут иметь и невоспалительное происхождение.
Клинический пример 4 иллюстрирует возможности разработанного способа в диагностике скопления жидкости в слизистой шейки матки невоспалительного происхождения. Больная М., 19 лет, истории болезни N 28476, находилась в гинекологической клинике Областной больнице г. Н.Новгорода по поводу угрожающего выкидыша при беременности 21 - 22 недели. Как известно, при беременности в строме шейки матки происходит значительное накопление межтканевой жидкости, ведущее к разобщению соединительно-тканных волокон (так называемый физиологический отек). При кольпоскопическом исследовании обнаружена картина, характерная для беременной шейки матки: покровный эпителий гладкий, утолщен и цианотичен. Однако кольпоскопия дает представление только о состоянии эпителия и не позволяет судить о структурных изменениях в системе эпителий - подлежащая соединительная ткань. Томографическое изображение шейки матки, представленное на фиг. 10, обнаруживает, что при беременности нарушается упорядоченность внутренней структуры соединительно-тканного слоя, и появляются зоны неправильной формы со слабым по сравнению со смежными зонами обратным рассеянием оптического излучения, которые диагностируются как скопление жидкости 20.
В проведенных исследованиях в 52 случаях морфологически подтвержденного инвазивного рака различных локализаций (шейки матки, пищевода, голосовых складок, мочевого пузыря и др. ) все полученные томограммы демонстрируют исчезновение упорядоченной структуры слизистой и появление зон с интенсивным обратным рассеиванием от ткани опухоли. Разработанный способ, обеспечивающий пространственное разрешение порядка 10-20 мкм, не может детектировать непосредственно клеточный уровень изменений при дисплазии высокой степени или карциноме. Однако разработанный способ позволяет обнаружить некоторые особенности эпителиальной малигнизации на уровне архитектуры ткани. Иными словами, способ позволяет выявить зоны, соответствующие сильному по сравнению со смежными зонами обратному рассеянию оптического излучения, характеризующиеся потерей нормальной ориентации эпителия и соединительно-тканного слоя. При этом малигнизированный эпителий, представляющий собой избыточное скопление клеток, демонстрирует интенсивное обратное рассеяние зондирующего излучения.
Клинический пример 5 иллюстрирует возможности разработанного способа в диагностике избыточного скопления клеток в слизистой как результат неопластического процесса в слизистой пищевода. У больного П., 59 лет, амбулаторная карта N 2981, находившегося на диспансерном наблюдении в областном онкологическом диспансере г. Н. Новгорода, клинически и фиброэзофагогастроскопически диагностирована карцинома средней трети пищевода. Фиг. 11 представляет томограмму (а) и параллельную гистологию (б) слизистой средней трети пищевода с признаками дисплазии III степени и плоскоклеточным ороговевающим раком с инвазией до 1 мм. Избыточное скопление клеток малигнизированного эпителия нарушает обычную архитектуру слизистой. Кроме того, клетки малигнизированного эпителия имеют оптические свойства, отличные от нормальных клеток, что находит свое отражение на томограмме. Скопление клеток малигнизированного эпителия занимает всю область сканирования и томографически выявляется как зона неправильной формы, нарушающая упорядоченность внутренней структуры пищевода, интенсивно рассеивающая зондирующее излучение. Она морфологически соответствовала участкам избыточного скопления клеток малигнизированного эпителия 24. Хотя томографические данные не содержат информации о морфологической специфичности опухоли, полное отсутствие структурности на томограмме слизистой в сочетании с данными традиционных методов (эндоскопии и цитологии) может в определенных случаях быть использовано в целях диагностики рака.
Клинический пример 6 иллюстрирует возможности ОКТ в диагностике избыточного скопления клеток в слизистой голосовой складки как результат неопластического процесса. У больного В., 58 лет, история болезни N 9808470, находившегося на лечении в оториноларингологическом отделении Областной клинической больницы г. Н. Новгорода, клинически и ларингоскопически диагностирована карцинома голосовых складок. Фиг. 12 представляет томограмму (а) и параллельную гистологию (б) голосовой складки с плоскоклеточным ороговевающим раком с инвазией более чем на 1 мм. Избыточное скопление клеток малигнизированного эпителия 24 нарушают обычную архитектуру слизистой. Кроме того, клетки малигнизированного эпителия 24 имеют оптические свойства, отличные от нормальных, что находит свое отражение на томограмме (фиг. 12а).
Клинический пример 7 иллюстрирует возможности ОКТ в определении боковой границы патологической зоны, выходящей по глубине за пределы слоя, в системе эпителий - подлежащая соединительная ткань по исчезновению видимой слоистой структуры системы слизистой голосовой складки. Больной К., 62 лет, история болезни N 9808034, поступил в оториноларингологическое отделение Областной больницы г. Н. Новгорода с целью уточнения характера объемного процесса правой голосовой складки. Результат морфологического исследования биоптата позволил диагностировать эпидермальную карциному. Морфологически: эпителий резко утолщен с явлениями пара- и гиперкератоза, акантоза, в акантотических тяжах с дисплазией II - III степени, с малигнизацией эпителия и переходом в эпидермальную карциному 1 степени катаплазии и инвазивным ростом до 1,8 мм. Определение границы патологической зоны на основе клинических и ларингоскопических данных представлялось затруднительным. Традиционные эндоскопические методы исследования с помощью микроларингоскопии, дающей увеличение оптического изображения поверхности слизистой в 2-8 раз, позволяют судить о границе патологического процесса, основываясь только на таких субъективных критериях, как цвет и характер поверхности. В отличие от визуального детектирования границ с помощью разработанного способа можно наблюдать структурные изменения на границе между нормальной тканью и опухолью, что увеличивает достоверность, объективность и точность обследования. Томографическая картина, снятая в центре объемного образования (фиг. 13а), показала полное отсутствие структурности на томограмме слизистой, обусловленное наличием малигнизированного эпителия 24, а также исчезновение слоистой структуры эпителий - соединительная ткань в целом. Томограмма, зарегистрированная на границе патологической зоны, четко визуализирует переход анормального эпителия 25 в здоровый эпителий II (фиг. 13б). Таким образом, при визуализации боковые границы патологической зоны, выходящей по глубине за пределы слоя, в системе эпителий - подлежащая соединительная ткань определяют по исчезновению видимой слоистой структуры системы в целом.
Клинический пример 8 иллюстрирует возможности разработанного способа в определении боковой границы патологической зоны, выходящей по глубине за пределы слоя, в системе эпителий - подлежащая соединительная ткань по исчезновению видимой слоистой структуры системы в целом в слизистой шейки матки. Больная Р. 40 лет, история болезни N 9724. Госпитализирована в гинекологическое отделение Областной клинической больницы г. Н. Новгорода. При поступлении жалоб не предъявляла, из анамнеза заболевания известно, что при профилактическом осмотре были обнаружены изменения на шейке матки, в связи с чем была взята биопсия с шейки матки. Морфологически: дисплазия тяжелой степени с переходом в cancer in situ. Кольпоскопическая картина имела признаки рака шейки матки: шейка матки резко гипертрофирована, на всей поверхности многослойный плоский эпителий утолщен, непрозрачен, гиперваскуляризирован, с очагами грубой и более нежной пунктации, с участками грубой лейкоплакии. Обнаружены хорошие морфологические и томографические совпадения таких кольпоскопических признаков, как лейкоплакия, нежная, и грубая мозаика. В то же время с помощью разработанного способа было установлено, что размеры пораженного участка покровного эпителия шейки матки на некоторых участках больше кольпоскопических. Так оптическая граница нормального эпителия обнаруживалась на 1,5 мм кнаружи от границы, определяемой визуально (кольпоскопически), что было подтверждено морфологически. Фиг. 14 демонстрирует томограмму (а), которая объективно зафиксировала границу нормального 11 и анормального эпителия 24. Томограмма снята в области кольпоскопически здорового эпителия. Результат биопсии, взятой в месте томографирования, представлен на фиг. 14б и подтверждает наличие здесь места перехода нормального эпителия II в анормальный 25. Томограмма области слизистой шейки матки, которая кольпоскопически уже определялась как здоровая (фиг. 15а) и морфологический результат биопсии этой области (фиг. 15б) показывают, что кольпоскопическая граница патологического очага не всегда бывает объективной, так как и морфологически и томографически в этой области обнаруживается анормальный эпителий 25. Следовательно, размеры участка анормального эпителия 25, определенные с помощью разработанного способа, превзошли размеры, определяемые кольпоскопически. Этот результат имеет важное клиническое значение, так как непременным условием хорошего результата оперативного лечения рака шейки матки является удаление пораженного участка эпителия в пределах здоровой ткани.
Клиническое значение возможностей разработанного способа по выявлению боковых границ патологической зоны, выходящей по глубине за пределы слоя, наиболее очевидно, как минимум, в трех ситуациях: 1) при эндофитных формах рака, где в отличие от экзофитных очень трудно определить истинные размеры опухоли, которые является одним из критериев стадии процесса, а следовательно, и лечебной тактики; 2) при небольших размерах опухолей, когда допустимо проведение щадящих операций, позволяющих сохранить не только орган, но и его функцию. В такой ситуации четкое знание границ опухоли позволяет при интраоперационном контроле провести эффективное удаление патологического объекта; 3) для прицеливания (направления) при различных видах микрохирургических операциях, выполняемых с использованием лазерного излучения, крио, электро и других видов воздействия.
Формула изобретения: 1. Способ диагностики in vivo патологической зоны в слоистой системе биологического органа эпителий-подлежащая соединительная ткань, основанный на направлении пучка низкокогерентного оптического излучения видимого или ближнего ИК диапазона на исследуемую слоистую систему, сканирования указанного пучка оптического излучения по поверхности исследуемой слоистой системы с последующим получением изображения исследуемой слоистой системы путем отображения интенсивности оптического излучения, обратно рассеянного исследуемой слоистой системой, и использованием полученного изображения для диагностики, отличающийся тем, что в полученном изображении в каждом слое упомянутой слоистой системы выявляют зоны неправильной формы, характеризующиеся интенсивностью обратно рассеянного оптического излучения, отличной от интенсивности обратно рассеянного оптического излучения в смежных зонах, и по соотношению интенсивностей обратно рассеянного оптического излучения внутри и вне выявленной зоны осуществляют диагностику патологической зоны.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при выявлении зоны, характеризующейся малой, по сравнению со смежными зонами, интенсивностью обратно рассеянного оптического излучения, диагностируют скопление жидкости.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при выявлении зоны, характеризующийся большой, по сравнению со смежными зонами, интенсивностью обратно рассеянного оптического излучения, диагностируют наличие избыточного скопления клеток.
4. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что боковые границы патологической зоны, выходящей по глубине за пределы слоя, определяют по исчезновению видимой слоистой структуры системы в целом.