EA012885B1

EA012885B1 - Способ и система для компенсации вызванного внутренними причинами смещения ткани

Info

Publication number: EA012885B1
Application number: EA200801464A
Authority: EA
Inventors: Йенс Шоуэнборг; Пер Петерссон
Original assignee: Неуронано Аб
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2009-12-30
Also published as: CN105193458B; EP1968703A4; US20090020131A1; JP2009521984A; CN101355984A; EP1968703B1; US8996094B2; DK1968703T3; EA200801464A1; EP1968703A1; WO2007075137A1; JP5307551B2; CN105193458A

Abstract

Система компенсации вызванного нервным импульсом или другими внутренними причинами смещения ткани животного организма, включая человека, содержащая основание, имеющее средство иммобилизации животного организма либо части его тела, в которой находится ткань, по меньшей мере одно средство перемещения, находящееся в контакте с основанием, средство получения параметров положения от метки, расположенной в ткани или вблизи нее, средство получения параметров активности источника от одного или нескольких источников смещения, микропроцессорное средство для сопоставления параметров положения и параметров активности источника с целью получения прогнозирующего соответствия, средство управления по меньшей мере одним средством перемещения с помощью параметров активности источника на основании прогнозирующего соответствия. Кроме того, описаны соответствующий способ и применение.

Description

Данное изобретение относится к способу компенсации вызванного нервным импульсом или другими внутренними причинами смещения ткани животного организма, включая человека, а также к соответствующей системе.

Предпосылки изобретения

В хирургии, в частности микрохирургии, при взятии проб биопсии в медицинской диагностической визуализации, в регистрации электрической активности нейронов и нейроглиальных клеток и в лечебном облучении ткани геометрическая взаимосвязь между подвергаемой воздействию тканью, с одной стороны, и хирургическим инструментом, биопсийным зондом, устройством визуализации или рентгеновским лучом, с другой стороны, должна быть неизменной. Несмотря на то что пациент может быть частично или полностью обездвижен на опоре с целью предотвращения его перемещения во время хирургической процедуры и т. д., это не препятствует движению тканей, находящихся под автономным управлением, и не мешает, например, дыханию или вентиляции либо движению его глаз.

Способы решения проблемы, связанной с такими движениями, известны в технике. Они включают мониторинг изменения положения, то есть движения исследуемой ткани относительно устройства, например устройства для визуализации ткани, или источника радиационного облучения ткани, или устройства, предназначенного для взаимодействия с тканью, например устройства для биопсии и тому подобного. Приводное средство перемещает устройство или источник облучения или прибор зеркально относительно смещающейся ткани таким образом, чтобы в течение времени поддерживать неизменным его положение в пространстве относительно ткани или его фокусировку на ткань. Приводное средство, которое производит перемещение, управляется микропроцессорным средством на основании параметров положения, полученных путем мониторинга смещения ткани. Таким образом, в известных способах стараются как можно точнее отследить движение ткани и использовать полученные при этом параметры положения для как можно более быстрого управления приводным средством при помощи микропроцессорного средства.

Проблема известных способов состоит в том, что они только реагируют на движения ткани, которые зачастую трудно предсказать. Задержка во времени между моментом регистрации движения ткани и вытекающей из этого контрмеры, управляемой микропроцессором и осуществляемой воздействующим приводным средством, часто не позволяет произвести приемлемую компенсацию такого вызванного нервным импульсом или другими внутренними причинами смещения ткани.

Причинами непроизвольных движений тела являются сердцебиение, дыхание, перистальтика кишечника и мышечный тремор. Движения различных органов и тканей чаще всего не связаны, то есть не согласованы, и зачастую неравномерны. Они могут взаимодействовать комплексно, совершая физиологически несвязанные движения, дополняя или компенсируя друг друга. Чаще всего их нельзя предугадать исходя только лишь из визуализации исследуемой ткани.

Цель изобретения

Цель данного изобретения заключается в создании способа указанного рода, не имеющего некоторых или всех недостатков, присущих известным способам компенсации.

Другая цель данного изобретения заключается в создании системы, предназначенной для реализации способа.

Другие цели изобретения станут понятными из приведенного ниже краткого описания изобретения и предпочтительных вариантов его выполнения, представленных на чертежах, а также из прилагаемой формулы изобретения.

Краткое описание изобретения

Согласно данному изобретению предложен способ компенсации вызванного нервным импульсом или другими внутренними причинами смещения ткани животного организма, включая человека, при этом согласно указанному способу компенсирующее перемещение ткани инициируется электрическим сигналом, поступающим от источника такого смещения.

Если говорить более конкретно, предложен способ компенсации вызванного нервным импульсом или другими внутренними причинами смещения ткани животного организма, включая человека, содержащейся в части тела, зафиксированной на основании в контакте со средством перемещения, включающий получение параметров положения одной или нескольких меток, расположенных в ткани или вблизи нее, получение параметров активности источника от одного или нескольких источников смещения, сопоставление параметров положения и параметров источника активности с целью получения прогнозирующего соответствия, управление средством перемещения при помощи параметров активности источника на основании прогнозирующего соответствия. В данной заявке выражение «смещенная ткань» означает ткань, вызванное внутренними причинами смещение которой должно быть скомпенсировано. Ткань «вблизи» смещенной относится к ткани, которая перемещается совместно со смещенной тканью. Выражение «вызванное внутренними причинами» означает, что источник или причина смещения находится в субъекте, в частности в нервной системе субъекта. Предложенный способ позволяет компенсировать смещение ткани в макродиапазоне, то есть в диапазоне от миллиметров до сантиметров, а также в микродиапазоне, то есть в диапазоне менее м-4 - м-6 и даже еще менее. В отличие от известных спосо

- 1 012885 бов, в которых движение ткани отслеживают по параметрам положения, полученным способами визуализации, предложенный способ основан на прогнозировании движения, исходя из параметров активности источника.

Способ согласно изобретению предпочтительно включает периодическое или непрерывное обновление прогнозирующего соответствия.

При компенсации вызванного внутренними причинами смещения способом согласно изобретению предпочтительно принимать во внимание смещение ткани, которое далее называется «искусственным смещением», обусловленное средствами перемещения, в частности, их резким ускорением и/или торможением в начале или/и в конце компенсирующего смещение перемещения. Для того чтобы предотвратить или минимизировать искусственное смещение, можно использовать средства физической амортизации, такие как винтовая пружина или резиновый амортизатор. В альтернативном варианте или в дополнение к средствам физической амортизации можно предусмотреть средства программного обеспечения, которые регулируют ускорение и/или торможение средств перемещения.

Согласно первому предпочтительному аспекту изобретения основание перемещают линейно.

Согласно второму предпочтительному аспекту изобретения основание перемещают в плоскости.

Согласно третьему предпочтительному аспекту изобретения основание перемещают в трехмерном пространстве.

Согласно четвертому предпочтительному аспекту основание содержит средство, предназначенное для удержания животного или человека, либо части его тела неподвижно относительно основания. Удерживающее средство предпочтительно расположено на верхней поверхности основания; оно установлено на основании или выполнено как единое целое с ним. Удерживающее средство может представлять собой рамку, имеющую зажимы, ремни и тому подобное, в которые помещают пациента или животное, либо часть его тела, и к которым его прикрепляют. Рамка может быть выполнена на основании с возможностью перемещения, чтобы удерживать животное или пациента, либо часть его тела в заданном положении; например, рамку можно закрепить на основании при помощи ограниченного количества винтов, например от одного до шести винтов, установленных в соответствующие резьбовые отверстия из группы отверстий, выполненных в верхней поверхности основания. Кроме того, рамку можно прикрепить к верхней поверхности основания в выбранном положении. Выбор средства фиксации или иммобилизации животного или пациента, либо части его тела не является критичным. Можно использовать любое разъемное крепежное средство, подходящее для этой цели.

Согласно следующему предпочтительному аспекту изобретения средство перемещения выбирают из нижеперечисленного: электроприводное средство, соленоидное средство и гидравлическое средство. Комбинированное использование средств перемещения разных типов находится в рамках изобретения, как, например, использование двух средств перемещения для перемещения основания в одном направлении: первое средство предназначено для грубого перемещения, а второе средство предназначено для точного перемещения. Преимущественно средство точного перемещения может быть использовано для коррекции перемещения на основании сигнала обратной связи, поступающего отдатчика положения.

Если смещаемая ткань является тканью со слизистой оболочкой, в частности кожной тканью или тканью, смежной со слизистой оболочкой или кожей, предпочтительно, чтобы метка располагалась на слизистой оболочке или коже. Например, метка может представлять собой отметку, нанесенную на кожу краской. Положение метки может быть выявлено фотографическим путем, например, при помощи видеозаписи, в частности высокоскоростной видеозаписи, и, таким образом, параметры положения будут являться видеоинформацией. Если смещение является трехмерным, то предпочтительно контролировать перемещение метки, расположенной на слизистой оболочке, в частности, на коже, с двух или более углов зрения. В качестве меток также можно использовать светодиоды (СИД) или иные миниатюрные источники света, расположенные на слизистой оболочке, в частности, на коже. В альтернативном варианте положение метки можно проследить при помощи лазерного доплеровского оборудования обнаружения перемещения.

Если смещаемая ткань расположена на таком расстоянии от слизистой оболочки или кожи, что за ее смещением трудно проследить путем наблюдения за смещающейся меткой, расположенной на слизистой оболочке или коже, соответственно, то метку имплантируют в смещаемую ткань или в ткань, смежную с ней. В таком случае метку можно обнаружить посредством соответствующей методики проникающей визуализации, например ультразвука, магнитного резонанса или рентгеновского излучения. Имплантированная метка предпочтительно является металлической или содержит металл. В альтернативном варианте перемещение метки, имплантированной в находящуюся глубоко ткань, можно проследить хирургически вводимыми оптоволоконными средствами. Кроме того, в рамках изобретения находится использование в качестве имплантируемой метки анатомической структуры, расположенной на смещаемой ткани или в ней, либо смежной с ней ткани или внутри нее, за положением которой можно проследить одним из вышеупомянутых способов. Помимо этого предпочтительно, чтобы имплантированная метка рассасывалась тканью, в которую она имплантирована. Подходящим материалом для рассасывающейся метки является, например, полиэфир, такой как поли(лактид), поли(гликолид), поли(лактид, гликолид), матрица которого избирательно содержит рентгеноконтрастный биологически совместимый и рассасывающийся

- 2 012885 материал, например карбонат кальция или фосфат кальция. Рассасывающиеся рентгеноконтрастные метки описаны в патентной заявке США 2005/0036945 и патенте США 6862470 В2, которые включены в данный документ посредством ссылки.

Предпочтительные параметры активности источника включают данные электромиограммы (ЭМГ), полученные от скелетной мышцы, например данные дыхательных мышц (дыхательная ЭМГ), и данные электрокардиограммы (ЭКГ).

Согласно второму предпочтительному аспекту изобретения приводное средство может перемещать основание в плоскости.

Согласно третьему предпочтительному аспекту изобретения приводное средство может перемещать основание в трехмерном пространстве.

Согласно другому предпочтительному аспекту изобретения приводное средство, предназначенное для линейного перемещения основания, может содержать два или более вспомогательных приводных средства, действующих в одном и том же направлении и/или в противоположных направлениях. Предпочтительна комбинация из вспомогательного приводного средства для грубого перемещения и вспомогательного приводного средства для точного перемещения, например, одно приводное средство для перемещения в сантиметровом диапазоне, а другое - в миллиметровом диапазоне, или одно средство для перемещения в миллиметровом диапазоне, а другое - в микрометровом диапазоне. Согласно предпочтительному варианту выполнения приводное средство для точного перемещения расположено отдельно от приводного средства для грубого перемещения, предпочтительно как можно ближе к той части тела, в которой расположена исследуемая ткань. В частности, предпочтительна регулировка перемещения рамки относительно основания при помощи приводного средства, предназначенного для точной регулировки. Приводное средство для точной регулировки может представлять собой электродвигатель или гидравлический цилиндр. В варианте выполнения изобретения, в котором должно компенсироваться перемещение ствола мозга, например, вызванное сердцебиением или дыханием, приводное средство для точной регулировки выполнено для работы на рамке или черепе пациента или животного.

Предпочтительно, чтобы основание, выполненное согласно изобретению, было по существу плоским и перемещалось в плоскости, примерно соответствующей его горизонтальной поверхности; в предпочтительном варианте выполнения основание опирается на одну или несколько плоских поверхностей опоры посредством находящейся между ним и опорой группы сфер. Если опора имеет две или более поверхностей, они расположены в одной или нескольких параллельных плоскостях. Сопротивление трению при перемещении основания должно быть как можно ниже. В другой предпочтительной конструкции основания на опоре, в которой минимизировано сопротивление трению при перемещении основания, используют подушку воздушного потока.

Описание чертежей

Далее изобретение будет объяснено со ссылкой на предпочтительные варианты выполнения, изображенные на чертежах, на которых фиг. 1 представляет собой вид в аксонометрии первого варианта выполнения предложенной позиционирующей системы;

фиг. 2 представляет собой вид сверху стола для пациента или животного системы, представленной на фиг. 1, на котором зафиксировано животное;

фиг. 2а представляет собой вид сверху стола для пациента или животного системы, представленной на фиг. 1, на котором находится животное, зафиксированное относительно рамки, установленной на столе;

фиг. 3 представляет собой опору основания стола для пациента или животного, представленного на фиг. 2, в том же виде, что и на фиг. 1;

фиг. 4 представляет собой блок-схему другого варианта выполнения предложенной системы;

фиг. 5 представляет собой блок-схему варианта выполнения предложенного способа;

фиг. 6 представляет собой блок-схему третьего варианта выполнения предложенной системы; фиг. 7 представляет собой блок-схему четвертого варианта выполнения предложенной системы.

Описание предпочтительных вариантов выполнения

Пациент 30 находится в лежачем положении на основании 3 для пациента или животного позиционирующегося стола 1 первого варианта выполнения предложенной позиционирующей системы (фиг. 1; ссылка также сделана на фиг. 2, фиг. 2а и фиг. 3). В целом основание 3 имеет форму прямоугольной плиты. Пациент иммобилизован на жестком основании 3 при помощи ремешков 31 (фиг. 1). Позиционирующая система содержит блок 2 управления перемещением, имеющий операторский интерфейс 25. Основание 3 выполнено с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости, определяемой параллельной плоской нижней поверхностью основания, которая скользит по параллельной плоской верхней поверхности жесткой опоры 4, зеркально отражающей нижнюю поверхность основания 3 и соответствующую ей по форме, при этом на указанной опоре находится множество сфер 15 (фиг. 3), закрепленных в подшипниках при помощи фиксирующих колец 20. На фиг. 1 зазор между основанием 3 и опорой 4 показан в несколько увеличенном масштабе. Основание 3 может перемещаться горизонтально посредством взаимодействующих пар поршней 11, 12, 13, 14, управляемых пневматическими цилиндрами, распо

- 3 012885 ложенными в корпусах 7, 8, 9, 10. Поршни 11, 12, 13, 14 каждой пары прикреплены по центру к противоположным боковым стенкам основания 3. Корпуса 7, 8, 9, 10 цилиндров передвигаются, соответственно, по направляющим 16, 17, 18 19, которые установлены по центру на противоположных боковых стенках опоры 4 и проходят в горизонтальном направлении. Центральная часть опоры 4 опирается на стойку 5, имеющую круглую ножку 6.

Рабочий газ подводится к пневматическим цилиндрам, находящимся в корпусах 7, 8, 9, 10, посредством электрических насосов в корпусах (не показаны) под управлением блока 2 управления перемещением через кабели 21, 22, 23, 24. Блок управления 2 содержит микропроцессор и записанное в память программное обеспечение управления перемещением. При помощи клавиатуры 27 интерфейса 25 оператор вводит команды для микропроцессора. Рабочие параметры и другая информация отображается на мониторе 26.

Пациенту 30 назначена хирургическая операция на тканях 35 грудной клетки, на которую влияет функционально независимое сокращение сердца и движение дыхательных мышц. Чтобы предотвратить эффект неавтономных вдохов и выдохов, пациент находится под общей анестезией. Движение ткани 35 контролируют видеокамерой 33, сфокусированной на метке 32, которая прикреплена к коже поблизости от ткани 35. Видеоданные передаются от камеры 33 в центральный блок 2 посредством видеокабеля 34. Вместо видеокамеры 33 можно использовать, например, лазерный доплеровский зонд. Для определения трехмерного пространственного положения метки 32, которое необходимо при компенсации перемещения ткани 35, понадобятся изображения от двух или более видеокамер. Электроды 36, 37, 38 для ЭКГ прикреплены к предплечьям и к левой ноге пациента 30 с целью контроля сердечной деятельности пациента; их выводы соединены с блоком 2 управления через шину 39; в альтернативном варианте электроды 36, 37, 38 могут быть прикреплены к груди пациента. Однако для регистрации появления сердечной деятельности обычно достаточно одного электрода, размещенного на грудной клетке пациента или животного. Для получения более полной информации в соответствующих местоположениях можно прикрепить дополнительные электроды ЭКГ и соединить их с блоком 2 управления; однако для ясности они не показаны на чертеже.

На фиг. 2 основание 3 для пациента или животного позиционирующего стола 1, представленного на фиг. 1, изображено с размещенным на нем животным 30'. Лапки животного 30' прикреплены к основанию 3 четырьмя зажимами 40, установленными в резьбовых отверстиях, выполненных в основании 3, при помощи болтов 42, проходящих через прорези 41, выполненные в зажимах 40. Данная конструкция обездвиживает животное 30' на основании 3. За счет конструкции зажимов и наличия множества отверстий (не показаны), предназначенных для установки болтов 42, животное 30' может находиться на основании 3 неподвижно в заданном положении. Посредством гидравлических цилиндров 9, 10, 11, 12, как описано применительно к фиг. 1, не допускается вызванное нервным импульсом или другими внутренними причинами смещение ткани 35' в плоскости основания 3.

На фиг. 2а основание 3 для пациента или животного позиционирующего стола 1, представленного на фиг. 1, изображено с размещенным на нем животным 30. Три лапки животного 30 прикреплены к основанию 3 зажимами 60, 63, 64, имеющими прорези 61, через которые проходят болты 62. Болты 62 установлены в соответствующих отверстиях, выбранных из множества резьбовых отверстий (не показаны), выполненных в верхней поверхности основания 3. Четвертая лапка животного 30 прикреплена зажимами 45, 46 к нижней пластине 44 И-образной внутренней рамки 43. Внутренняя рамка 43 расположена с возможностью скольжения на основании 3 и может быть перемещена в противоположных направлениях перпендикулярно ее боковым сторонам при помощи гидравлических цилиндров 48, 50, установленных на боковых сторонах И-образной наружной рамки 47. Наружная рамка 47 закреплена на основании при помощи болтов 52 и окружает внутреннюю рамку 43, на которой работают штоки 49, 51 поршней гидравлических цилиндров 48, 50. Гидравлические цилиндры 48, 50 предназначены для точного перемещения внутренней рамки 43 во взаимодействии с грубым перемещением основания 3, выполняемым гидравлическими цилиндрами 7, 8, 9, 10. Это предохраняет исследуемую ткань 44 зажатой лапки от вызванного нервным импульсом или другими внутренними причинами смещения.

Теперь обратимся к фиг. 4 и фиг. 5. Блок-схема, показанная на фиг. 4, представляет собой схематическое изображение варианта выполнения системы компенсации смещения согласно изобретению. Млекопитающее А иммобилизовано на горизонтальной опоре 8ИР. Необходимо не допустить перемещения ткани N млекопитающего во время хирургического вмешательства, биопсии, облучения и тому подобного; вследствие близости ткани N к главной артерии на нее влияет расширение и сужение артерии в процессе сердечных сокращений и, следовательно, ткань смещается. Движение ткани N контролируется видеокамерой, сфокусированной на метке М, расположенной на коже, в непосредственной близости от ткани N. Видеосигнал посылается в видеопроцессор, в котором изображение анализируется для определения и обновления координат метки М, которые хранятся в памяти микропроцессора. Помимо этого и независимо от этого микропроцессор получает усиленные параметры сигнала ЭКГ, поступающего от электродов Е (показан только один электрод), установленных на млекопитающем А. Для получения электрокардиограммы параметры сигнала анализируются в блоке расшифровки ЭКГ, встроенном в микропроцессор. В электрокардиограмме посредством специализированного программного и аппаратного

- 4 012885 обеспечения проводится поиск заданного события, например зубца О электрокардиограммы, который предшествует и, таким образом, предсказывает сокращение левого желудочка сердца. При идентификации зубца О микропроцессор дает команду переключателям двигателей X и/или Υ на запуск одного из пары приводных средств X, X' и Υ, Υ', работающих на опоре 8ИР, вызывая соответствующее перемещение опоры в плоскости х, у. Дистанция и направление перемещения базируются на предыдущем перемещении метки М, записанном на видео, для того, чтобы скомпенсировать перемещение на протяжении интервала времени, в течение которого оно происходит. Например, приводные средства X, X' и Υ, Υ' могут представлять собой электродвигатели, но предпочтительно сочетание электрических насосных средств и поршней в пневматических цилиндрах, которые могут перемещаться рабочим газом. Спаренные приводные средства работают в противоположных направлениях. Если приводное средство содержит электродвигатели, в частности шаговые двигатели постоянного тока, то в принципе достаточно одного двигателя для линейного перемещения в обоих направлениях, поскольку полярность двигателя можно легко изменить. Однако необходимость точного и, главное, быстрого перемещения предполагает использование спаренных приводных средств. В случае необходимости можно выполнить перемещение в направлении ζ, перпендикулярном плоскосги х, у (вертикальном направлении), путем приведения в действие приводного средства Ζ, Ζ' с помощью переключателей двигателя Ζ. Ткань N смещается вместе с опорой 8ИР. Тем самым сохраняется пространственное положение ткани N относительно, например, хирургического инструмента или источника облучения. Параметры ЭКГ содержат информацию, прогнозирующую начало систолы. Источником сокращения сердечной мышцы является электрическая активность проводящей системы сердца. Таким образом, параметры ЭКГ можно назвать «параметрами активности источника». Микропроцессор сопоставляет параметры положения (видеоданные) с усиленными и расшифрованными параметрами активности источника (параметры ЭКГ) для получения прогнозирующего соответствия. Прогнозирующее соответствие между параметрами положения и параметрами активности источника используется для управления приводными средствами X, X', Υ, Υ', Ζ, Ζ', которые обеспечивают перемещение опоры 8ИР. Параметры положения постоянно обновляются посредством видеоконтроля метки М; обновленные параметры сравнивают с параметрами положения, хранящимися в памяти микропроцессора. Если обнаружена разница между обновленными и хранящимися в памяти параметрами, обновленные параметры используют для корректировки корреляции между параметрами положения и параметрами активности источника и, следовательно, прогнозирующего соответствия. Тем самым, можно бороться с изменением, например, минутного объема или ритма дыхания. Программное обеспечение микропроцессора содержит алгоритм, который регулирует ускорение и торможение приводных средств с целью минимизации эффекта запаздывания, действующего во время смещения на ткань Ν, который обусловлен инерцией смежных мягких тканей.

В альтернативном варианте сокращение дыхательной мускулатуры, которое дает риск смещения ткани Ν, может быть спрогнозировано посредством контроля электрической активности соответствующего нерва (нервов); в известном уровне техники для этой цели используют соответствующие имплантируемые электроды. Показания внутримышечной электромиограммы (ЭМГ) дыхательных движений можно получить от групп мышц, сокращающихся в фазе вдоха, в частности от ростральных парастернальных межреберных мышц, грудино-ключично-сосцевидной мышцы и диафрагмальных мышц, а также от групп мышц живота, сокращающихся в фазе выдоха, в частности от прямой мышцы живота, внутренней косой мышцы живота, наружной косой мышцы живота, поперечной мышцы живота и от межреберных мышц, в частности от задней части треугольной мышцы. Применимый к данному изобретению способ получения показаний ЭМГ от мышц, участвующих в дыхании, описан в работе Сгапбсу1а и др., опубликованной в журнале 1 ΡΠνδίοΙ 573:263-275, 2006, которая включена в данный документ посредством ссылки. Несмотря на то что в способе согласно изобретению также можно использовать снятие показаний с поверхности некоторых из указанных мышц, их уровень сигнал-шум гораздо ниже, чем для внутримышечных показаний, и, таким образом, это не является предпочтительным.

В нормальном и анормальном неврологическом состоянии пациента или животного может иметь место тремор скелетных мышц. Тремор представляет собой периодическое сокращение и расслабление скелетных мышц и может передаваться в ткань, смещение которой нужно предотвратить. Физиологический тремор с частотой 8-10 Гц случается у здоровых людей, находящихся в состоянии физической активности или пассивном состоянии.

Повреждение некоторых участков нервной системы, например центральных нервных узлов и мозжечка, может существенно увеличить тремор как в состоянии физической активности человека или животного, так и в состоянии покоя. Тремор, вызванный таким повреждением, может возникнуть на частотах, находящихся за пределами частотного диапазона физиологического тремора. Чтобы компенсировать тремор, в пораженной скелетной мышце снимают показания ЭМГ, предпочтительно посредством одного или нескольких электродов, помещенных внутрь мышцы. Такие электроды выпускают в промышленном масштабе и используют в клинической практике.

Зачастую движение внутренних органов, например желудка, кишечника и мочевого пузыря, возникает периодически. В этих случаях электрическую активность такой мышцы, чаще всего гладкой мускулатуры, можно зарегистрировать, вводя один или несколько электродов в мышцу или размещая их в не

- 5 012885 посредственной близости от нее. Для снятия показаний гладкой мускулатуры можно применять электроды, предназначенные для использования в скелетной мышце или нервной системе.

Сигналы в нервной системе, которые инициируют мышечную активность, опережают начало мышечной активности на несколько миллисекунд, иногда на 30-100 мс. В некоторых ситуациях преимущественно регистрировать такие сигналы, поступающие от нервной системы, вместо сигналов, исходящих от соответствующей мышцы, или в дополнение к ним. Снятие показаний сигналов, поступающих от нервной системы, можно выполнить при помощи электрода, имплантированного в двигательный центр, вызывающий тремор, или от двигательных нервов. Соответствующие электроды выпускаются серийно; они могут содержать или состоять из тонкого провода, выполненного из платины, золота, нержавеющей стали или соответствующих сплавов, а также, например, из электропроводящего полимера. Электроды могут быть имплантированы в нервную систему хирургическим путем или путем чрескожного введения в периферические нервы.

Фиг. 6 представляет собой блок-схему другого варианта выполнения системы согласно изобретению. Описаны будут только элементы, отличающиеся от соответствующих элементов системы, представленной на фиг. 4. Движение глубокой ткани т млекопитающего а, которое иммобилизовано на опоре 8ИР, недоступно для прямого или косвенного видеоконтроля метки, нанесенной на поверхность кожи, граничащую со смежной тканью. Метка т имплантирована в ткань п. Положение метки т контролируется путем обследования ткани п ультразвуковым зондом. Отраженный ультразвуковой сигнал подается в устройство обработки ультразвукового изображения, в котором сигнал переводится в ряд оцифрованных двумерных изображений. Трехмерное изображение, которое позволяет получить точное местоположение метки т, получается из ряда двумерных изображений, полученных с разных ракурсов. Таким образом, полученные параметры местоположения метки т сопоставляются в микропроцессоре с параметрами активности источника ЭКГ, как описано выше для параметров местоположения метки М, полученных при помощи видео.

Вариант выполнения системы согласно изобретению, представленный на фиг. 7, является примером устройства, предназначенного для компенсации микроскопических смещений ткани п, в которую имплантирована метка т. Для объяснения элементов, уже представленных на фиг. 4 и/или фиг. 6, обратимся к этим чертежам. Ткань п наблюдается с увеличением через микроскоп. Параметры положения метки т, находящейся в ткани п, получаются посредством лазерного доплеровского виброметрического микрозонда, установленного на двухлучевом микроскопе. Сигнал, полученный от лазерного доплеровского зонда, демодулируется в лазерном виброметре, из которого параметры положения передаются в центральный микропроцессорный блок. Параметры активности источника, замеренные зондами ЭКГ и дыхательной ЭМГ (Е; Е), передаются в усилители сигналов, соответственно, ЭКГ и дыхательной ЭМГ. Усиленные сигналы передаются в центральный микропроцессорный блок, где они анализируются и сопоставляются с параметрами положения метки т, как описано выше для параметров положения метки М, полученных при помощи видео. Пары двигателей X, X'; Υ, Υ', Ζ, Ζ' приводятся в действие при помощи соответствующих переключателей двигателей, перемещая опору 8ИР, на которой иммобилизована ткань п, таким образом, чтобы компенсировать ее смещение, вызванное сердечной деятельностью и активностью участвующих в процессе вдоха мышц.

Важная характеристика программного обеспечения, предназначенного для анализа входных параметров, поступающих от датчиков и видеоаппаратуры для управления компенсаторным перемещением ткани, которую необходимо удержать от смещения в одном или двух измерениях, либо в трехмерном пространстве, состоит в том, что входные параметры должны быть обработаны за очень короткое время, например за 1 млс или менее, так что разница во времени между последними полученными входными параметрами, используемыми в команде, поступающей на средство перемещения, например гидравлическое средство или электродвигатель, и соответствующей командой очень мала, например одна или две миллисекунды и даже менее. Компенсаторное перемещение, которое может учитываться оператором, как правило, должно быть заранее отрегулировано. Обычная регулировка занимает около 10 мин, но может составлять и 1 мин. Путем регулировки оператор устанавливает соотношение между сигналами источника и движением исследуемой ткани, определенным, например, при помощи видео или ультразвука. Затем, исходя из вышеупомянутой регулировки, при помощи оператора и/или программного обеспечения оптимизируют компенсаторное перемещение ткани посредством одного или нескольких исполнительных механизмов. Оператор может следить за процессом оптимизации на экране или при помощи распечаток, а также любым иным подходящим способом. Далее, на втором этапе параметры оптимизированного компенсаторного перемещения закладываются в память микропроцессора. Команды, подаваемые программным обеспечением одному или нескольким исполнительным механизмам, являются зеркальным отображением движения ткани, спрогнозированного входными параметрами реального времени и/или хранящимися в памяти входными параметрами, которые могли быть проанализированы и модифицированы или нет.

После этой двухэтапной регулировки производится определение критерия для достоверной регистрации возникновения активности вдоха/выдоха и желудочковой/предсердной деятельности сердца. Достоверность такого определения увеличивается с увеличением периода выборки, в котором получают вы

- 6 012885 борочные параметры положения и активности источника и закладывают их в память. Исходя из этих данных вычисляют пороговое значение или пороговый профиль для параметров активности источника, на основании которых рассчитывается компенсаторное перемещение. После этого пороговое значение или пороговый профиль контролируются датчиком параметров активности источника. Команды компенсаторного перемещения от микропроцессора к исполнительному механизму подаются посредством зарегистрированного порогового значения или порогового профиля, идентифицированного микропроцессором. Поскольку с течением времени может происходить отклонение от направления перемещения исследуемой ткани, важно контролировать такое отклонение и, если оно обнаружено, компенсировать его посредством программного обеспечения микропроцессора, переустанавливая пороговое значение или модифицируя пороговый профиль. Кроме того, важно контролировать потенциальное отклонение параметров активности источника, которое оказывает воздействие на пороговое значение или значение порогового профиля, и компенсировать такое отклонение. Сигнал ошибки, то есть сигнал отклонения от прогнозируемой модели движения исследуемой ткани, зарегистрированного средствами видео или иным средством контроля параметров положения, используют для обновления прогнозируемой модели движения ткани. Чтобы добиться плавного исправления прогнозируемой модели движения ткани и, тем самым, избежать больших колебаний в ней, обновление прогнозируемой модели движения может происходить малыми шагами, например по 5% от сигнала ошибки или менее для каждого цикла обновления. Корректировку прогнозируемой модели движения ткани осуществляют при помощи программного обеспечения в следующем цикле компенсации. Процент сигнала ошибки, используемый при указанном обновлении, может быть установлен оператором или заложен в программное обеспечение. Кроме того, обновление прогнозируемой модели движения может осуществляться при помощи фильтра Калмана, который определяет вес сигнала обратной связи, то есть сигнала отклонения от прогнозируемой модели перемещения исследуемой ткани, зарегистрированного средствами видео или иным средством контроля параметров положения, по отношению к ранее определенной модели для упреждающей коррекции. В случае неожиданного большого перемещения исследуемой ткани перемещение исполнительного механизма может быть ограничено последующими отрезками временного интервала, во время которого возникает неожиданное перемещение. В случае заметного изменения параметров амплитуды активности источника это позволяет обновлять упреждающую коррекцию ступенчато и, таким образом, использовать параметры источника активности для прогнозирования амплитуды периодического движения. Использование параметров амплитуды активности источника позволяет пропорционально установить корректирующее компенсаторное перемещение, выполняемое посредством исполнительного механизма. В варианте выполнения предложенного устройства, в котором используются отдельные исполнительные механизмы для точного и грубого перемещения в одном или нескольких направлениях, необходимо соответствующим образом обновлять упреждающую коррекцию на уровне как точного, так и грубого перемещения.

Положение исследуемой ткани можно также определить при помощи серийно выпускаемых зондов. Одним примером такого зонда является оптоволоконный зонд, который обнаруживает свет, отраженный от метки, расположенной на ткани, или от ткани (ΜΤΙ-2100 Ро1ошс 8еп§ог, ΜΤΙ шйгитепк, 1пс.), при помощи которого можно обнаружить и контролировать смещение в нанометровом диапазоне. Используя два или три зонда такого типа, расположенные на малом расстоянии от исследуемой ткани, можно контролировать смещение ткани в плоскости или в пространстве. Кроме того, известны и могут применяться для определения положения ткани в микрометровом масштабе лазерная триангуляция и лазерная доплеровская технология.

Лазерными доплеровскими приборами для прецизионных измерений микроструктур, перемещающихся при частотах до 20 Мгц, для использования в предложенных способе и системе являются адаптер ручного микроскопа М8У-050 и адаптер микроскопа с дистанционным управлением М8У-100 компании Ро1у1ес СтЬН, ^аИЬтопп, Германия. Для измерения перемещения макроструктур могут использоваться портативный трехмерный лазерный виброметр СБУ-ЗО и сканирующий виброметр Р8У-400-3Э этой же фирмы.

При изучении деятельности головного и спинного мозга животных для контроля нейронной активности и нейронных структур может использоваться конфокальная или мультифотонная конфокальная микроскопия. Однако действие сердцебиения и дыхания значительно снижает разрешение изображений, полученных такими способами. Визуализация более мелких деталей нейронов в микрометровом диапазоне, например синапсов, может быть невозможной без стабилизации. Путем компенсации периодического движения, вызванного дыханием и сердцебиением, при помощи предложенных способа и системы эти движения могут быть в значительной степени скомпенсированы, а оптическое разрешение соответственно увеличено.

Другим примером стабилизации ткани в одном, двух или трех измерениях согласно изобретению является регистрация нейронной активности при помощи сверхтонких электродных наконечников диаметром менее 10-6 м; в данном случае исследуемую ткань вскрывают хирургическим путем, вставляют один или несколько микроэлектродов в нервную систему при помощи микроманипулятора, прикрепленного к жесткой рамке. Движения ткани относительно микроэлектрода, вызванные сердцебиением или дыханием, будут привносить электрический шум и могут даже вызвать повреждения нейронов, ослабляя

- 7 012885 или препятствуя записи информации от подвергшихся воздействию нейронов; этот риск исключается или, по меньшей мере, существенно уменьшается путем использования способа согласно изобретению.

Датчики положения предпочтительно расположены как можно ближе к исследуемой ткани. Миниатюрные размеры датчиков положения позволяют проследить даже движение отдельных нервных клеток. Животное помещают на основании опорного стола для животных, выполненного согласно изобретению, который в принципе соответствует опорному столу для пациентов варианта выполнения, представленного на фиг. 1 и фиг. 2, полностью или частично иммобилизуют на основании в заданном положении при помощи средства крепления, такого как фиксирующая рамка, установленная на верхней поверхности основания, в которой размещена и при помощи которой удерживается голова, участок спинного мозга, конечность или другая часть тела животного. Смещение исследуемой ткани в рассматриваемой части тела компенсируется посредством электрических или гидравлических исполнительных механизмов, имеющихся в предложенной позиционирующей системе. Данное устройство позволяет изучать нейронную ткань с помощью конфокальной или мультифотонной конфокальной микроскопии в условиях, при которых смещение ткани вследствие мышечной активности животного не снижает разрешение изображения ткани или снижает его в незначительной степени.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ компенсации вызванного нервным импульсом или другими внутренними причинами смещения ткани животного организма, включая человека, содержащейся в части тела, зафиксированной на основании в контакте со средством перемещения, включающий:

(a) размещение в ткани или вблизи нее метки или идентификация в качестве метки структуры, находящейся в ткани или вблизи нее, (b) получение параметров положения от указанной метки или структуры, (c) получение параметров активности источника от одного или нескольких источников смещения, (й) сопоставление параметров положения и параметров активности источника с целью получения прогнозирующего соответствия, (е) управление средством перемещения с помощью параметров активности источника на основании прогнозирующего соответствия, для того чтобы переместить основание с обеспечением компенсации вызванного нервным импульсом или другими внутренними причинами смещения ткани.
2. Способ по п.1, включающий:

(1) периодическое или постоянное обновление прогнозирующего соответствия.
3. Способ по п.1 или 2, в котором управляют средством перемещения для ускорения и/или торможения ткани средством смещения в начале или в конце смещения.
4. Способ по любому из пп.1-3, в котором компенсаторное перемещение основания является любым из следующих: линейным, в плоскости, трехмерным.
5. Способ по любому из пп.1-4, в котором основание имеет средство иммобилизации, предназначенное для удержания указанного животного или человека либо части его тела на основании в фиксированном положении.
6. Способ по п.5, в котором средство иммобилизации содержит рамку, установленную на верхней части основания.
7. Способ по п.5 или 6, в котором основание или рамка имеет фиксирующее средство, которое является одним из следующих: зажим, ремешок, лента, липучая прокладка или ремешок с липучкой, ремешок Уе1сто®.
8. Способ по п.6 или 7, в котором дополнительно перемещают рамку относительно основания с помощью средства перемещения, управляемого параметрами активности источника на основании прогнозирующего соответствия.
9. Способ по любому из пп.1-8, в котором средство перемещения является одним из следующих: гидравлическое средство, соленоидное средство и электроприводное средство.
10. Способ по любому из пп.1-9, в котором средство перемещения основания и/или рамки в одном направлении содержит средство грубого перемещения и средство точного перемещения.
11. Способ по п.10, в котором корректируют перемещение основания или рамки с помощью указанного средства точного перемещения на основании сигнала обратной связи от датчика положения.
12. Способ по любому из пп.1-11, в котором параметры положения получают от высокоскоростной видеокамеры, лазерного доплеровского оборудования обнаружения перемещения, трехмерного ультразвукового устройства, магниторезонансного устройства, рентгеновского устройства.
13. Способ по любому из пп.1-12, в котором метка является одним из следующего: отметка краской, цветная липучая прокладка, металлический имплантат, светодиод, структура ткани.
14. Способ по любому из пп.1-13, в котором параметры активности источника представляют собой по меньшей мере одно из следующего: параметры электромиограммы (ЭМГ) скелетной мышцы, в частности параметры дыхательных мышц (дыхательная ЭМГ), или параметры электрокардиограммы (ЭКГ).
15. Система компенсации вызванного нервным импульсом или другими внутренними причинами

- 8 012885 смещения ткани животного организма, включая человека, содержащая основание, имеющее средства иммобилизации животного или человека либо части его тела, в которой находится указанная ткань, по меньшей мере одно средство перемещения, находящееся в контакте с основанием, средство получения параметров положения от метки, расположенной в ткани или вблизи нее, средство получения параметров активности источника от одного или нескольких источников смещения, микропроцессорное средство для сопоставления параметров положения и параметров активности источника для получения прогнозирующего соответствия и средство управления указанным по меньшей мере одним средством перемещения с помощью параметров активности источника на основании прогнозирующего соответствия.
16. Система по п.15, содержащая средство периодического или постоянного обновления прогнозирующего соответствия.
17. Система по п.15 или 16, содержащая средство управления средством перемещения для ускорения и/или торможения указанной ткани средством смещения в начале или в конце смещения.
18. Система по пп.15-17, в которой средство перемещения основания способно выполнять одно из следующих перемещений: линейное, в плоскости, трехмерное.
19. Система по любому из пп.15-18, в которой средство иммобилизации установлено на основании в фиксированном положении или с возможностью перемещения.
20. Система по п.19, в которой средство иммобилизации представляет собой рамку, имеющую по меньшей мере одно фиксирующее средство.
21. Система по п.20, в которой фиксирующее средство является одним из следующих: зажим, ремешок, лента, липучая прокладка или ремешок с липучкой, ремешок Уе1ето®.
22. Система по любому из пп.15-21, в которой средство перемещения является одним из следующих: гидравлическое средство, соленоидное средство и электроприводное средство.
23. Система по любому из пп.15-22, в которой средство перемещения основания и/или рамки в одном направлении содержит средство грубого перемещения и средство точного перемещения.
24. Система по любому из пп.15-23, в которой средство получения параметров положения представляет собой высокоскоростную видеокамеру, лазерное доплеровское оборудование обнаружения перемещения, трехмерное ультразвуковое устройство, магниторезонансное устройство, рентгеновское устройство.
25. Система по любому из пп.15-24, в которой метка является одним из следующего: отметка краской, цветная липучая прокладка, металлический имплантат, светодиод, структура ткани, рентгеноконтрастный саморассасывающийся материал.
26. Система по любому из пп.15-25, в которой средство получения параметров активности источника содержит по меньшей мере одно из следующего: параметры электромиограммы (ЭМГ) скелетной мышцы, в частности параметры дыхательных мышц (дыхательная ЭМГ), параметры электрокардиограммы (ЭКГ), параметры дыхательного объема воздуха, параметры нейронной активности нервной системы, в частности нейронные моторные команды, параметры, относящиеся к активности гладкой мускулатуры.
27. Система по любому из пп.15-26, в которой приводное средство линейного перемещения основания содержит по меньшей мере два приводных вспомогательных средства, работающих в том же направлении и/или в противоположном направлении.
28. Система по любому из пп.15-27, в которой основание является, по существу, плоским и выполнено с возможностью перемещения в плоскости, соответствующей его горизонтальной поверхности.
29. Система по п.28, в которой основание лежит на плоской опоре и может быть помещено на опору в горизонтальной плоскости.
30. Применение системы по любому из пп.15-29 в прецизионной микрохирургии, при взятии проб биопсии, медицинской визуализации, регистрации и стимуляции электрической активности в нейронах и нейроглиальных клетках или от них, лечебном облучении пораженной ткани, имплантации электронных устройств.
31. Способ компенсации вызванного нервным импульсом или другими внутренними причинами смещения ткани животного организма, включая человека, в котором компенсаторное перемещение ткани инициируют электрическим сигналом от источника, вызванного нервным импульсом или другими внутренними причинами смещения.