RU187072U1

RU187072U1 - SAPPHIRE NEUROSURGICAL PROBE FOR TUMOR AND SPINAL TUMOR REMOVAL UNDER CONTROL OF THE COMBINED SPECTROSCOPIC DIAGNOSTICS

Info

Publication number: RU187072U1
Application number: RU2018112151U
Authority: RU
Inventors: Ирина Алексеевна Шикунова; Дмитрий Олегович Стрюков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Кронк" (ООО "Кронк")
Priority date: 2018-04-04
Filing date: 2018-04-04
Publication date: 2019-02-18

Abstract

Полезная модель относится к диагностической хирургии. Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что в сапфировом нейрохирургическом зонде в виде стержня с продольными каналами, часть из которых открыта для проведения аспирации, остальные закрыты и в них расположены оптические волокна для флуоресцентной диагностики, часть волокон используется для передачи широкополосного излучения в оба направления для диагностики по обратно рассеянному излучению. Использование сапфирового нейрохирургического зонда по данной полезной модели позволяет повысить тотальность удаления глиальных опухолей головного и спинного мозга, увеличить пространственную чувствительность диагностики обратного рассеяния. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.The utility model relates to diagnostic surgery. The essence of the proposed utility model is that in a sapphire neurosurgical probe in the form of a rod with longitudinal channels, some of which are open for aspiration, the rest are closed and there are optical fibers for fluorescence diagnostics, some of the fibers are used to transmit broadband radiation in both directions for diagnosis of backscattered radiation. The use of a sapphire neurosurgical probe according to this utility model makes it possible to increase the totality of removal of glial tumors of the brain and spinal cord, and to increase the spatial sensitivity of backscatter diagnostics. 2 s.p. f-ly, 4 ill.

Description

Полезная модель относится к медицине, а именно к диагностической хирургии, и может быть использована в хирургии глиальных опухолей головного и спинного мозга.The utility model relates to medicine, namely to diagnostic surgery, and can be used in the surgery of glial tumors of the brain and spinal cord.

Глиальные опухли - первичные опухоли головного мозга, которые характеризуется инфильтрационным ростом с сильно разветвленной границей.Glial tumors are primary brain tumors that are characterized by infiltration growth with a highly branched border.

Широко применяющимся способом выявления границ (участков, фрагментов) глиальных опухолей является возбуждение и наблюдение флуоресценции естественных пигментов ткани (аутофлуоресценция) или вводимых препаратов (фотосенсибилизаторов), концентрация которых различна для нормальных тканей и ткани опухоли.A widely used method for detecting the boundaries (sites, fragments) of glial tumors is the excitation and observation of fluorescence of natural tissue pigments (autofluorescence) or injected drugs (photosensitizers), the concentration of which is different for normal tissue and tumor tissue.

Кроме того, сложное морфологическое строение различных участков глиальной опухоли характеризуется существенным различием их оптических свойств, так, что измерение оптических параметров рассеяния излучения разными участками опухоли и окружающих здоровых тканей дает дополнительную информацию при определении границ глиомы. Для глиобластом GRADE IV можно различать до трех зон, параметры которых отличны от оптических характеристик здоровой ткани белого вещества головного мозга: область активного роста опухоли, перифокальная зона (граница опухоли) и область некроза.In addition, the complex morphological structure of different sections of a glial tumor is characterized by a significant difference in their optical properties, so that measuring the optical parameters of radiation scattering by different parts of the tumor and surrounding healthy tissues provides additional information when determining the boundaries of gliomas. For glioblastomas, GRADE IV can distinguish up to three zones, the parameters of which are different from the optical characteristics of healthy tissue of the white matter of the brain: the region of active tumor growth, the perifocal zone (border of the tumor) and the region of necrosis.

Известным устройством, позволяющим проводить одновременно регистрацию спектроскопических и фотометрических данных, и далее, на основе известных оптических параметров вышеперечисленных зон определять кровенаполнение, оксигенацию, концентрацию протопорфирина IX и оценку клеточного изменения строения тканей, является волоконно-оптический зонд для проведения операций по удалению глиом с сопровождением комбинированной спектроскопии [Потапов А.А., Горяйнов С.А., Лощенов В.Б., Савельева Т.А. и др. «Интраоперационная комбинированная спектроскопия (оптическая биопсия) глиом головного мозга», Вопросы нейрохирургии 2013; 2: 3-10.]. Зонд представляет собой жгут из кварцевых волокон, помещенных в общую полимерную оболочку, два из этих волокон для передачи белого излучения и регистрации рассеянного излучения (фотометрических измерений, волокно для передачи излучения для возбуждения флуоресценции, остальные для захвата излучения флуоресценции).A well-known device that allows simultaneous recording of spectroscopic and photometric data, and then, based on the known optical parameters of the above zones, determine the blood filling, oxygenation, concentration of protoporphyrin IX and the assessment of cellular changes in the structure of tissues, is a fiber-optic probe for carrying out operations to remove gliomas accompanied combined spectroscopy [Potapov AA, Goryainov SA, Loshchenov VB, Savelyeva TA et al. “Intraoperative combined spectroscopy (optical biopsy) of brain gliomas”, Issues of Neurosurgery 2013; 2: 3-10.]. The probe is a bundle of quartz fibers placed in a common polymer shell, two of these fibers for transmitting white radiation and recording scattered radiation (photometric measurements, a fiber for transmitting radiation to excite fluorescence, the rest to capture fluorescence radiation).

Для своего предназначения зонд имеет ряд недостатков, а именно ограничение на повторное и тем более многократное использование из-за невозможности жесткого обеззараживания рабочей части зонда после контактного использования в ходе операции. Кроме того, существенным недостатком является небольшая фиксированная глубина диагностики с данным зондом, которая определяется расстоянием между передающим и диагностическим волокнами. При работе данного зонда в контакте с тканью эффективная область диагностики заключена в вытянутом объеме («банане»), опирающемся на торцы волокон и ограничена следующими размерами: 0,3 мм вглубь ткани с диаметром на поверхности около 1,5 мм. Кроме того, при работе различными инструментами для обнаружения участка опухоли в столь малом объеме в процессе диагностики и удаления этого участка высока вероятность ошибки, что приводит к необходимости удаления с запасом здоровой ткани.For its purpose, the probe has a number of drawbacks, namely, the restriction on repeated and especially repeated use due to the impossibility of hard disinfection of the working part of the probe after contact use during the operation. In addition, a significant drawback is the small fixed diagnostic depth with this probe, which is determined by the distance between the transmitting and diagnostic fibers. When this probe is in contact with tissue, the effective diagnostic area is enclosed in an elongated volume (“banana”), resting on the ends of the fibers and limited by the following dimensions: 0.3 mm deep into the tissue with a diameter on the surface of about 1.5 mm. In addition, when using various tools to detect a tumor site in such a small volume during the diagnosis and removal of this area, the probability of error is high, which leads to the need to remove healthy tissue with a reserve.

Известно устройство для удаления опухолей мозга с выделением границ опухоли флуоресцентной диагностикой с одновременной коагуляцией и аспирацией [патент РФ 2510248 С2 «Способ удаления опухолей мозга с выделением границ опухоли флуоресцентной диагностикой с одновременной коагуляцией и аспирацией и устройство для его осуществления» Курлов В.Н., Шикунова И.А., Киселев A.M., Есин И.В. опубл. 2014-03-27], позволяющее в контактном режиме осуществлять флуоресцентную спектроскопию тканей мозга для уточнения границ опухоли, выявления неопределяемых визуально опухолевых участков и одновременно выполнять удаление этих участков единым хирургическим инструментом. Система содержит источник излучения, возбуждающего флуоресценцию маркеров опухолевых клеток (эндогенных и экзогенных), спектрометрическую систему с волоконным выводом, Y-образный волоконно-оптический световод, аспиратор, а также хирургический инструмент - сапфировый контактный нейрозонд. Кроме того, в систему могут входить дополнительные источники лазерного излучения для осуществления своевременной коагуляции сосудов или локального лазерного воздействия на ткани мозга.A device for removing brain tumors with the allocation of tumor borders by fluorescence diagnostics with simultaneous coagulation and aspiration [RF patent 2510248 C2 "Method for removing brain tumors with the allocation of tumor borders by fluorescence diagnosis with simultaneous coagulation and aspiration and device for its implementation" Kurlov V.N., Shikunova I.A., Kiselev AM, Esin I.V. publ. 2014-03-27], which allows performing fluorescence spectroscopy of brain tissues in contact mode to clarify the boundaries of the tumor, identify visually undetectable tumor sites and simultaneously remove these sites with a single surgical tool. The system contains a source of radiation that excites fluorescence of tumor cell markers (endogenous and exogenous), a spectrometric system with a fiber output, a Y-shaped fiber optic light guide, an aspirator, and a surgical instrument - a sapphire contact neuro probe. In addition, additional laser radiation sources may be included in the system for timely coagulation of blood vessels or local laser exposure to brain tissue.

Нейрозонд представляет собой сапфировый монокристаллический стержень, содержащий продольные каналы. Часть каналов закрыта со стороны рабочего торца инструмента - они предназначены для размещения кварц-полимерных оптоволоконных световодов для передачи излучения для возбуждения и захвата флуоресценции. Также в стержне имеется сквозной продольный аспирационный канал, через который выявленные фрагменты опухоли и кровь удаляются из операционной зоны. Предложены схемы с различной формой и размещением каналов в нейрозонде как с симметричным, так и несимметричным расположением каналов для флуоресцентной диагностики. В устройстве не предусмотрена возможность фотометрических измерений, что снижает его диагностическую эффективность, надежность определения опухолевых тканей.A neurosonde is a sapphire single crystal rod containing longitudinal channels. Some of the channels are closed from the side of the working end of the instrument - they are designed to accommodate quartz-polymer fiber optic fibers for transmitting radiation to excite and capture fluorescence. Also, the rod has a through longitudinal aspiration channel through which the identified tumor fragments and blood are removed from the operating area. Schemes with different shapes and placement of channels in the neuro probe both with symmetric and asymmetric arrangement of channels for fluorescence diagnostics are proposed. The device does not provide for the possibility of photometric measurements, which reduces its diagnostic effectiveness, the reliability of the determination of tumor tissue.

Техническим результатом, на который направлена полезная модель, является увеличение эффективности (показателя тотальности) удаления глиальных опухолей головного и спинного мозга, увеличение пространственной чувствительности диагностики обратного рассеяния, улучшение свето-энергетических параметров данной диагностики, увеличенный срок службы сапфирового нейрохирургического зонда для удаления глиальных опухолей головного и спинного мозга.The technical result, which the utility model is aimed at, is to increase the efficiency (totality index) of removing glial tumors of the brain and spinal cord, increase the spatial sensitivity of the backscattering diagnosis, improve the light-energy parameters of this diagnosis, increase the service life of a sapphire neurosurgical probe to remove glial brain tumors and spinal cord.

Технический результат достигается за счет того, что в сапфировом нейрохирургическом зонде, представляющем собой сапфировый стержень с продольными каналами, часть из которых открыта, остальные закрыты, в них расположены оптические волокна для передачи излучения для возбуждения флуоресценции и волокна для передачи излучения флуоресценции, часть волокон используется для передачи широкополосного излучения в оба направления, толщина слоя сапфира перед рабочими торцами волокон для передачи широкополосного излучения по оси не превышает 1 мм.The technical result is achieved due to the fact that in the sapphire neurosurgical probe, which is a sapphire rod with longitudinal channels, some of which are open, the rest are closed, they have optical fibers for transmitting radiation to excite fluorescence and fibers for transmitting fluorescence radiation, some of the fibers are used for transmitting broadband radiation in both directions, the thickness of the sapphire layer in front of the working ends of the fibers for transmitting broadband radiation along the axis does not exceed 1 m.

Технический результат также достигается за счет того, что в сапфировом нейрохирургическом зонде все оптические волокна собраны в жгут и размещены в одном закрытом канале сапфирового стержня. Изоляция всех волокон от контакта со средой допускает мягкие способы стерилизации кварц полимерного зонда, что позволяет использовать его многократно.The technical result is also achieved due to the fact that in the sapphire neurosurgical probe, all optical fibers are collected in a bundle and placed in one closed channel of the sapphire rod. The isolation of all fibers from contact with the medium allows for mild sterilization of the quartz polymer probe, which allows it to be used repeatedly.

Технический результат также достигается за счет того, что в сапфировом нейрохирургическом зонде по крайней мере у части каналов дно канала имеет форму полусферы.The technical result is also achieved due to the fact that in the sapphire neurosurgical probe, at least at some of the channels, the bottom of the channel has the shape of a hemisphere.

Компонента диффузно рассеянного тканью излучения в направлении приемника появляется в результате существенного (близкого к полному) отклонения направления движения пакетов фотонов от первоначального направления в результате многократного рассеяния на неоднородностях показателя преломления в объеме биологической ткани. Системой регистрируются фотоны, попадающие в результате такого движения на площадку приемного торца диагностического волокна (или волокон) и вписывающихся в рабочую апертуру этого волокна. Наличие окна (плоскопараллельной пластины перед рабочими торцами волокон спектрометрической системы в сапфировом зонде), позволяет увеличить площадь перекрытия угловых полей освещающего и приемных волокон, что приводит к повышению свето-энергетической эффективности диагностической обратного рассеяния.The component of radiation diffusely scattered by the tissue in the direction of the receiver appears as a result of a significant (close to full) deviation of the direction of motion of the photon packets from the original direction as a result of multiple scattering on the inhomogeneities of the refractive index in the volume of biological tissue. The system detects photons that fall as a result of such movement to the site of the receiving end of the diagnostic fiber (or fibers) and fit into the working aperture of this fiber. The presence of a window (a plane-parallel plate in front of the working ends of the fibers of the spectrometric system in the sapphire probe) makes it possible to increase the overlap area of the angular fields of the illuminating and receiving fibers, which leads to an increase in the light-energy efficiency of diagnostic backscattering.

Наличие полусферической поверхности на торце каналов, содержащих волокна позволяет с одной стороны увеличить область облучения (так как имеющее кривизну дно зонда в совокупности с плоской поверхностью контакта действует как отрицательная рассеивающая линза), а также, с другой стороны, позволяет проводить селекцию захватываемых приосевых лучей, так как крайние лучи при попадании такую поверхность испытают внутренне отражение и не захватываются приемным волокном. Это обеспечивает увеличение пространственной точности диагностики. Глубина диагностики при этом увеличена до нескольких миллиметров (зависит от глубины проникновения излучения), что существенно выше, чем у аналога (0,3 мм - определяется геометрией зонда).The presence of a hemispherical surface at the end of the channels containing fibers makes it possible to increase the irradiation area on the one hand (since a probe bottom having a curvature in combination with a flat contact surface acts as a negative scattering lens) and, on the other hand, allows selection of captured axial rays, since the extreme rays when they hit such a surface will experience internal reflection and are not captured by the receiving fiber. This provides an increase in the spatial accuracy of diagnostics. In this case, the diagnostic depth is increased to several millimeters (depending on the depth of radiation penetration), which is significantly higher than that of the analog (0.3 mm - determined by the geometry of the probe).

Полезная модель поясняется чертежами, представленными на Фиг. 1-4, где на Фиг. 1 показана схема сапфирового нейрохирургического зонда для удаления опухолей головного и спинного мозга под контролем комбинированной спектроскопический диагностики. На Фиг. 2 показана схема фотометрических измерений по полезной модели, на Фиг. 3 и 4 показаны схемы фотометрических измерений по частным случаям полезной модели.The utility model is illustrated by the drawings shown in FIG. 1-4, where in FIG. 1 shows a diagram of a sapphire neurosurgical probe for removal of brain and spinal cord tumors under the control of a combined spectroscopic diagnosis. In FIG. 2 shows a diagram of photometric measurements according to a utility model; FIG. Figures 3 and 4 show diagrams of photometric measurements in particular cases of a utility model.

Сапфировый нейрохирургический зонд для удаления опухолей головного и спинного мозга под контролем комбинированной спектроскопической диагностики содержит сапфировый стержень 1 с продольными каналами, часть из которых закрыты, и в них расположены оптические волокна для передачи излучения для возбуждения флуоресценции и регистрации флуоресценции, волокна для передачи широкополосного излучения 2. Перед волокнами для передачи широкополостного излучения в оба направления имеется слой сапфира, толщиной не более 1 мм. Облучение производят через рабочий торец 3 (Фиг. 1)A sapphire neurosurgical probe for removing brain and spinal tumors under the control of combined spectroscopic diagnostics contains a sapphire rod 1 with longitudinal channels, some of which are closed, and they contain optical fibers for transmitting radiation to excite fluorescence and register fluorescence, fibers for transmitting broadband radiation 2 There is a sapphire layer no more than 1 mm thick in front of the fibers to transmit broadband radiation in both directions. Irradiation is carried out through the working end 3 (Fig. 1)

Для проведения комбинированных спектральных и фотометрических измерений рабочий торец 3 зонда приводится в контакт с тканью 4. Широкополосное излучение покидает волокно в пределах его выходной апертуры, при этом за счет наличия слоя сапфира диаметр пятна, через которое излучение входит в ткань, превышает диаметр волокна. Рассеяние в ткани приводит к появлению ореола 5 вокруг этого пятна - рассеянного обратно, покидающего ткань излучения. Это излучение далее регистрируется приемным волокном, расположенным в канале зонда, параллельным каналу с облучающим волокном (Фиг. 2) или в том же канале зонда (Фиг. 3). Приемные волокна в обоих случаях находятся на удалении от рабочего торца. Перекрытие рабочих апертур облучающего и приемного волокон позволяет эффективно регистрировать фотоны, рассеянные тканью в обратном направлении из области диагностики 6.To carry out combined spectral and photometric measurements, the working end face 3 of the probe is brought into contact with fabric 4. Broadband radiation leaves the fiber within its output aperture, and due to the presence of a sapphire layer, the diameter of the spot through which radiation enters the fabric exceeds the diameter of the fiber. Scattering in the tissue leads to the appearance of a halo 5 around this spot - backscattered, leaving the tissue radiation. This radiation is then detected by the receiving fiber located in the probe channel, parallel to the channel with the irradiating fiber (Fig. 2) or in the same probe channel (Fig. 3). The receiving fibers in both cases are located at a distance from the working end. Overlapping the working apertures of the irradiating and receiving fibers makes it possible to efficiently register photons scattered by the tissue in the opposite direction from the diagnostic area 6.

Полусферическое дно 7 канала для облучающего волокна дополнительно увеличивает диаметр пятна, через которое излучение входит в ткань (Фиг. 4). Далее, при регистрации обратно-рассеянного тканью излучения приемным волокном, находящимся в канале с полусферическим дном, крайние лучи 8 (имеющие большие углы к оси приемного волокна) будут отражены внутри сапфира от полусферической поверхности канала, а волокном будут захвачены лучи, идущие под небольшими углами к оптической оси приемного волокна. Это приводит к уменьшению объема диагностики 6 и улучшению пространственной чувствительности диагностики обратного рассеяния с сапфировым нейрозондом по предложенной полезной модели.The hemispherical bottom 7 of the channel for the irradiating fiber further increases the diameter of the spot through which the radiation enters the tissue (Fig. 4). Further, when registering radiation back-scattered by the fabric with a receiving fiber located in a channel with a hemispherical bottom, the extreme rays 8 (having large angles to the axis of the receiving fiber) will be reflected inside the sapphire from the hemispherical surface of the channel, and rays traveling at small angles will be captured by the fiber to the optical axis of the receiving fiber. This leads to a decrease in the volume of diagnostics 6 and an improvement in the spatial sensitivity of the diagnostics of backscattering with a sapphire neuro probe according to the proposed utility model.

С увеличением толщины слоя сапфира от 1 миллиметра и больше происходит снижение свето-энергетической эффективности регистрации обратно рассеянного излучения из-за уменьшения плотности излучения на контактной поверхности и увеличения потерь излучения за счет полного внутреннего отражения в зонде для наклонных лучей (засветка). Кроме того, радиальное увеличение области рассеяния излучения приводит к снижению пространственной чувствительности диагностики, так как диагностическим волокном могут захватываться фотоны, испытывающие рассеяние в существенно удаленных от наиболее вероятного объема диагностики областях.With an increase in the thickness of the sapphire layer from 1 mm or more, there is a decrease in the light-energy efficiency of registration of backscattered radiation due to a decrease in the radiation density on the contact surface and an increase in radiation losses due to total internal reflection in the probe for oblique rays (illumination). In addition, a radial increase in the area of radiation scattering leads to a decrease in the spatial sensitivity of diagnostics, since photons experiencing scattering in regions substantially remote from the most probable volume of diagnostics can be captured by the diagnostic fiber.

Работа предлагаемого нейрохирургического зонда может быть осуществляться следующим образом. Волокна для флуоресцентной диагностики подключаются к источнику лазерного излучения и спектрофотометру. Волокна для передачи широкополосного излучения подключаются к источнику широкополосного излучения и спектрофотометру. Пациент готовится для флуоресцентного контрастирования опухоли по стандартному протоколу. На различных этапах операции по удалению опухоли проводится спектрофотометрическая оценка концентрации протопорфирина-IX или аутофлуоресценции в окрестности рабочего окончания сапфирового нейрохирургического зонда с одновременной регистрацией излучения обратного рассеяния. Для различения участков опухоли и нормальной ткани проводят комбинированную спектрофотометрическую диагностику. Для ее проведения на основе статистических данных для данной геометрии оптической системы зонда предварительно сформировано признаковое пространство диагностики на основе спектральной информации (флуоресцентный контраст, контраст аутофлуоресценции) и коэффициента обратного диффузного отражения. Получаемые в течение операции данные непрерывно помещаются в признаковое пространство, что дает возможность определить, является ли область диагностики тканью опухоли или нет.The work of the proposed neurosurgical probe can be carried out as follows. Fibers for fluorescence diagnostics are connected to a laser source and a spectrophotometer. Fibers for transmitting broadband radiation are connected to a broadband radiation source and a spectrophotometer. The patient is prepared for fluorescence contrasting of the tumor according to the standard protocol. At various stages of the tumor removal operation, a spectrophotometric assessment of the concentration of protoporphyrin-IX or autofluorescence is performed in the vicinity of the working end of the sapphire neurosurgical probe with simultaneous registration of backscattering radiation. To distinguish between tumor sites and normal tissue, a combined spectrophotometric diagnosis is performed. To carry it out on the basis of statistical data for a given geometry of the optical system of the probe, a diagnostic diagnostic space has been preliminarily formed based on spectral information (fluorescence contrast, autofluorescence contrast) and diffuse reflectance. The data obtained during the operation is continuously placed in the sign space, which makes it possible to determine whether the diagnostic area is tumor tissue or not.

Claims

A sapphire neurosurgical probe, which is a sapphire rod with longitudinal channels, one of which is open for aspiration, the other is closed, they contain optical fibers for transmitting radiation to excite fluorescence and fibers for transmitting fluorescence radiation, characterized in that all optical fibers are bundled and placed in one of the closed channels of the sapphire rod, with some of the fibers used to transmit broadband radiation in both directions, the thickness of the sapphire layer in front of the slave Chimi ends of fibers for transmission of broadband emission axis does not exceed 1 mm and the closed bottom of the channel has the shape of a hemisphere