RU2152162C1

RU2152162C1 - Method for increasing accuracy in detecting malignant neoplasms and determining their localization boundaries

Info

Publication number: RU2152162C1
Application number: RU96119671A
Authority: RU
Inventors: С.П. Селиванов; В.Е. Прокопьев; Б.Н. Зырянов
Original assignee: Научно-исследовательский институт онкологии Томского научного центра РАМН
Priority date: 1996-10-01
Filing date: 1996-10-01
Publication date: 2000-07-10

Abstract

FIELD: medicine. SUBSTANCE: method involves examining a patient by means of endoscope with spectral analysis device and video camera being connected to it and to computer. Intensities, reflection and fluorescence spectra taken in normal and suspicious zones are processed using personal computer. When detecting spectral differences and exceeded reflected light intensity in suspicious areas of tissue compared to normal ones to be by more than 25% higher, malignant neoplasm case conclusion is drawn. Tumor boundaries are determined visually on the computer display as a line connecting the image points characterized by brightness of normal areas changing more than by 3%. EFFECT: enhanced accuracy of the method. 7 dwg

Description

Изобретение относится к медицине, в частности к онкологии, и может быть использовано для диагностики злокачественных новообразований и определения границ их локализации неконтактным способом. The invention relates to medicine, in particular to oncology, and can be used to diagnose malignant neoplasms and determine the boundaries of their localization in a non-contact way.

1) Известен способ обнаружения злокачественных опухолей с помощью регистрации и анализа видимой естественной флуоресценции путем сравнения спектров флуоресценции исследуемой и нормальной тканей, вызванной облучением этих тканей пучком монохроматического видимого света (патент США N 4930516, МКИ A 61 B 5/00 - прототип). 1) A known method for detecting malignant tumors by recording and analyzing apparent natural fluorescence by comparing the fluorescence spectra of the test and normal tissues caused by irradiation of these tissues with a beam of monochromatic visible light (U.S. Patent No. 4,930,516, MKI A 61 B 5/00 - prototype).

Однако этот способ не позволяет: 1) установить область локализация и границы злокачественной опухоли; 2) имеет низкую, по сравнению с гистологическими исследованиями, ценность диагностики, обусловленную зависимостью спектральной характеристики флуоресценции от вида патологии тканей и физиологического состояния тканей, в частности, их кровенаполнения. However, this method does not allow: 1) to establish the area of localization and boundaries of the malignant tumor; 2) has a low diagnostic value compared with histological studies, due to the dependence of the spectral characteristics of fluorescence on the type of tissue pathology and physiological state of the tissues, in particular, their blood supply.

2) Известен также способ диагностики злокачественных опухолей и их границ, при котором регистрируется и анализируется изображение тканей в свете индуцированной флуоресценции, возбуждаемой лазерным светом. В этом способе пациенту предварительно вводится фотосенсибилизатор, который накапливается в опухолевых тканях (аналог, N 9010219, A 61 B 5/00, 09.07.90. Приоритет 22.02.89, 3900612-6, Швеция). 2) There is also a known method for the diagnosis of malignant tumors and their borders, in which the image of tissues is recorded and analyzed in the light of induced fluorescence excited by laser light. In this method, the patient is pre-injected with a photosensitizer that accumulates in the tumor tissues (analogue, N 9010219, A 61 B 5/00, 07/09/90. Priority 02/22/89, 3900612-6, Sweden).

К недостаткам этого способа относятся: 1) необходимость введения экзогенного фотосенсебилизатора в кровь пациента, который вызывает вертикальные и аллергические реакции; 2) фотосенсебилизатор накапливается не только в злокачественных, но и в доброкачестенных опухолях; 3) требуется 24-48 ч для того, чтобы фотосенсебилизатор селективно накопился в опухолевой ткани, что приводит к увеличению времени диагностики. The disadvantages of this method include: 1) the need to introduce an exogenous photosensitizer into the patient’s blood, which causes vertical and allergic reactions; 2) the photosensitizer accumulates not only in malignant, but also in benign tumors; 3) it takes 24-48 hours for the photosensitizer to selectively accumulate in the tumor tissue, which leads to an increase in the diagnostic time.

Таким образом, диагностика злокачественных новообразований этими способами имеет диагностическую ценность, не превышающую 30%, длительный срок проведения диагностики и не позволяет определить границы локализации злокачественной опухоли. Thus, the diagnosis of malignant neoplasms by these methods has a diagnostic value not exceeding 30%, a long diagnostic period and does not allow to determine the boundaries of the localization of a malignant tumor.

Предлагается с целью повышения точности обнаружения злокачественных новообразований и определения границ новых локализаций измерить и сравнивать спектры флуоресценции и отражания нормальных и подозреваемых участков тканей в видимой области спектра с помощью спектрального прибора, а определять границы злокачественных новообразований по изобретению тканей в отраженном свете на длинах волн 550-590 нм визуально на экране монитора персонального компьютера. It is proposed with the aim of increasing the accuracy of detecting malignant neoplasms and determining the boundaries of new localizations to measure and compare the fluorescence and reflection spectra of normal and suspected tissue regions in the visible region of the spectrum using a spectral instrument, and to determine the boundaries of malignant neoplasms according to the invention of tissues in reflected light at wavelengths 550- 590 nm visually on a personal computer monitor screen.

Указанная цель достигается тем, что измеряются и сравниваются не только спектры флуоресценции в видимой области спектра, индуцированные монохроматическим светом, для нормальных и подозреваемых тканей, но и отраженный и рассеянный от тканей свет и при превышении интенсивности отраженного излучения от подозреваемого участка по сравнению с нормальным на 25% судят о наличии злокачественного новообразования, а границы опухоли определяют визуально на экране монитора по изображению тканей в отраженном свете на длинах волн 550-590 нм как линию, соединяющую точки изображения, в которых контраст яркости между нормальной и раковой тканью изменяется больше, чем на 3%. This goal is achieved by measuring and comparing not only the fluorescence spectra in the visible spectrum induced by monochromatic light for normal and suspected tissues, but also the light reflected and scattered from the tissues and when the intensity of the reflected radiation from the suspected area is higher than normal at 25% judge the presence of a malignant neoplasm, and the boundaries of the tumor are visually determined on the monitor screen by the image of tissues in reflected light at wavelengths of 550-590 nm as a line, with unifying point image in which the brightness contrast between normal and cancerous tissue varies by more than 3%.

Новым в предлагаемом способе является то, что дополнительно измеряют и сравнивают интенсивности и спектры отражения от тканей, а также то, что границы локализации опухоли определяют по изображению ткани в отраженном свете на длинах волн 550-590 нм. New in the proposed method is that it additionally measures and compares the intensities and spectra of reflection from tissues, as well as the fact that the boundaries of tumor localization are determined by the image of the tissue in reflected light at wavelengths of 550-590 nm.

Способ осуществляется следующим образом. У пациента с подозрением на наличие злокачественной опухоли обследуется поверхность полого органа с помощью эндоскопа через наблюдательный канал эндоскопа, к выходу которого через бинокуляр присоединяется вход спектрального прибора и видеокамера. Приемник излучения спектрального прибора и видеокамера через плату сопряжения подключаются к персональному компьютеру ЖПК). На экране ПК наблюдаются спектры и изображение тканей в отраженном и флуоресцентном свете. Управление спектральным прибором осуществляется с помощью программы, задаваемой компьютером. Облучение ткани происходит через световод осветительного канала эндоскопа от источника света с непрерывным либо монохроматическим спектром излучения. После обнаружения подозрительного участка путем управления дистальным концом эндоскопа добиваются максимальной четкости изображения подозреваемого участка на экране монитора. В этом положении эндоскопа спектры флуоресценции и отражения, а также видеоизображение подозреваемого участка регистрируются, обрабатываются и запоминаются на ПК. Аналогичная процедура проделывается для нормальных участков ткани. Затем спектры и интенсивности отраженного и флуоресцентного излучения сравниваются с помощью ПК и на основании этого сравнения делается вывод о характере опухоли. The method is as follows. In a patient with a suspected malignant tumor, the surface of the hollow organ is examined using an endoscope through the observation channel of the endoscope, to the output of which through the binocular is connected the input of the spectral device and a video camera. The radiation receiver of the spectral device and the video camera are connected to the personal computer of the ZhPK via the interface card). On the PC screen, spectra and images of tissues in reflected and fluorescent light are observed. The spectral instrument is controlled by a program set by a computer. The tissue is irradiated through the light guide of the illumination channel of the endoscope from a light source with a continuous or monochromatic radiation spectrum. After the detection of a suspicious area by controlling the distal end of the endoscope, maximum clarity of the image of the suspected area on the monitor screen is achieved. In this position of the endoscope, the fluorescence and reflection spectra, as well as the video image of the suspected area, are recorded, processed and stored on a PC. A similar procedure is done for normal tissue sites. Then, the spectra and intensities of the reflected and fluorescent radiation are compared using a PC and, based on this comparison, a conclusion is made about the nature of the tumor.

Экспериментально были определены длины волн в видимой области спектра, для которых интенсивности отраженного и рассеянного излучения по длине волны падающего (возбуждающего) света значительно различаются для раковых и нормальных тканей. При облучении светом в диапазоне 400-600 нм интенсивность сигналов отражения и рассеяния назад, а также флуоресценция на длинах волн 600 нм для раковых тканей больше, чем для нормальных, а для длин волн 530-590 нм разница интенсивностей максимальна. В этом случае контраст интенсивности в изображении нормальных и раковых тканей максимальный, что позволяет наблюдать границы ярко светящейся опухолевой ткани на фоне темной нормальной визуально на экране монитора. The wavelengths in the visible region of the spectrum were determined experimentally, for which the intensities of the reflected and scattered radiation along the wavelength of the incident (exciting) light significantly differ for cancerous and normal tissues. When irradiated with light in the range of 400-600 nm, the intensity of the reflection and scattering signals backward, as well as fluorescence at wavelengths of 600 nm, is greater for cancerous tissues than normal ones, and the difference in intensities is maximum for wavelengths of 530-590 nm. In this case, the intensity contrast in the image of normal and cancerous tissues is maximum, which allows one to observe the boundaries of brightly glowing tumor tissue against the background of normal dark visually on the monitor screen.

В видимой области спектра это длины волн, на которых проявляется поглощение молекул окси- и дезоксигемоглобинов (400-600 нм). Поэтому поглощение в этой области зависит от степени кровенаполнения и вискуляризации тканей. Интенсивность флуоресценции в нормальных и раковых тканях может отличаться в результате накопления в онкологических тканях свободных порфириновых молекул, флуоресцирующих в красной области спектра. На фиг. 1 показаны спектры отражения нормальной (2) и опухолевой (1) тканей в видимой области спектра: на фиг. 2 - спектра флуоресценции нормальной (2) и опухолевой (1) тканей при возбуждении излучением на длине волны 532 нм. Стрелками указаны границы длин волн, на которых наблюдается максимальный контраст интенсивности изображения нормальной и раковой ткани. Эти спектры получены в результате усреднения спектров отражения и флуоресценции подозреваемых опухолевых (1) и нормальных (2) тканей для 12 пациентов. In the visible region of the spectrum, these are the wavelengths at which the absorption of oxy- and deoxyhemoglobin molecules (400-600 nm) is manifested. Therefore, absorption in this area depends on the degree of blood supply and tissue visculization. The fluorescence intensity in normal and cancerous tissues may differ as a result of the accumulation of free porphyrin molecules in oncological tissues that fluoresce in the red region of the spectrum. In FIG. 1 shows the reflection spectra of normal (2) and tumor (1) tissues in the visible region of the spectrum: in FIG. 2 - fluorescence spectrum of normal (2) and tumor (1) tissues upon excitation by radiation at a wavelength of 532 nm. The arrows indicate the boundaries of the wavelengths at which the maximum contrast of the image intensity of normal and cancerous tissue is observed. These spectra were obtained by averaging the reflection and fluorescence spectra of suspected tumor (1) and normal (2) tissues for 12 patients.

Устройство для реализации способа содержит источник видимого света - оптические светофильтры, оптическое волокно (световод) для передачи излучения к поверхности живой ткани, регулярное оптическое волокно для переноса изображения этих тканей на длинах волн падающего света и длинах волн индуцированной этим светом флуоресценции на видеокамеру, подключенную к компьютеру через плату сопряжения (видеоадаптер) для обработки изобретения. A device for implementing the method comprises a visible light source - optical filters, an optical fiber (light guide) for transmitting radiation to the surface of living tissue, a regular optical fiber for transferring images of these tissues at the wavelengths of incident light and wavelengths of fluorescence induced by this light to a video camera connected to computer through the interface card (video adapter) for processing the invention.

На фиг. 3 изображена блок-схема устройства для диагностики злокачественных новообразований. In FIG. 3 shows a block diagram of a device for diagnosing malignant neoplasms.

Устройство работает следующим образом. Источник видимого света 1 и блок светофильтров 2 формируют на выходе световое излучение, лежащее в видимой области спектра, которое направляется через световод 3 на исследуемую ткань 4. Отраженный от последней световой сигнал вместе с сигналом флуоресценции по регулярному (наблюдательный канал) оптическому световоду 5 и спектральный прибор 6 поступает на электроанализатор 7 и вход видеокамеры 8, формирующей видеосигнал, который передается затем на компьютер, где обрабатывается и запоминается. Контрастность изображения между исследуемой тканью и нормальной указывает на наличие злокачественного новообразования, а границы опухоли определяются по изолиниям равной интенсивности, на которых достигается определенный контраст изображения между нормальной и опухолевой тканью. При этом изолинии равной интенсивности вычисляются компьютером и выделяются. Режим работы источника света 1 и блока светофильтров 2 задается по каналам А и В компьютером по программе. Источник света может быть лазером, работающим в непрерывном или импульсном режиме на одной из длин волн в диапазоне спектра 500-600 нм, например, VAJ : Nd лазер с длиной волны 532 нм, либо источником света с непрерывным спектром излучения в видимой области спектра, длины волн которого выделяются с помощью светофильтров блока. The device operates as follows. The visible light source 1 and the filter block 2 form the output of the light lying in the visible region of the spectrum, which is directed through the light guide 3 to the tissue under investigation 4. The light signal reflected from the last signal along with the fluorescence signal is transmitted through a regular (observation channel) optical fiber 5 and spectral the device 6 is fed to an electric analyzer 7 and the input of a video camera 8, which forms a video signal, which is then transmitted to a computer, where it is processed and stored. The contrast of the image between the test tissue and normal indicates the presence of a malignant neoplasm, and the boundaries of the tumor are determined by contours of equal intensity, which achieve a certain image contrast between normal and tumor tissue. In this case, contours of equal intensity are calculated by the computer and highlighted. The mode of operation of the light source 1 and the filter unit 2 is set on channels A and B by the computer according to the program. The light source can be a laser operating in a continuous or pulsed mode at one of the wavelengths in the spectral range 500-600 nm, for example, a VAJ: Nd laser with a wavelength of 532 nm, or a light source with a continuous spectrum in the visible region of the spectrum, length the waves of which are emitted using the light filters of the unit.

Проведенные нами исследования показывают, что наличие патологического процесса в ткани практически во всех случаях приводит к изменению спектров отраженного патологическим участком света по сравнению с нормальными тканями. Это приводит к возникновению контраста в интенсивностях (яркости) патологического участка на фоне окружающей нормальной ткани, причем величина этого контраста может быть значительной и достигать для некоторых участков спектра 80-90%. При этом контраст определяется как отношение: K=I₂/I₁•100%,
где I₁и I₂- соответственно интенсивности излучения из области патологической и нормальной тканей на одной и той же длине волны.Our studies show that the presence of a pathological process in tissue in almost all cases leads to a change in the spectra of the reflected pathological region of light compared with normal tissues. This leads to a contrast in the intensities (brightness) of the pathological area against the background of surrounding normal tissue, and the magnitude of this contrast can be significant and reach 80-90% for some parts of the spectrum. In this case, the contrast is defined as the ratio: K = I ₂ / I ₁ • 100%,
where I ₁ and I ₂ , respectively, the radiation intensity from the pathological and normal tissue at the same wavelength.

По предлагаемому способу продиагностировано 12 пациентов. В 90% случаев диагноз, поставленный по предлагаемому нами способу, совпал с результатами гистологических исследований. According to the proposed method, 12 patients were diagnosed. In 90% of cases, the diagnosis made by our proposed method coincided with the results of histological studies.

Определение границ опухоли предложенным нами способом позволило достоверно снизить число послеоперационных рецидивов в сравнении с группой больных, опухоли которых диагностировались традиционным способом. Determining the boundaries of the tumor by our proposed method allowed us to significantly reduce the number of postoperative relapses in comparison with a group of patients whose tumors were diagnosed in the traditional way.

Пример 1. Больной А. , 49 л. Диагноз: рецидив рака мочевого пузыря T₂N_xM₀.Example 1. Patient A., 49 l. Diagnosis: relapse of bladder cancer T ₂ N _x M ₀ .

Обследование поверхности слизистой мочевого пузыря проводилось с помощью цистоскопа. Examination of the surface of the bladder mucosa was carried out using a cystoscope.

Излучение от галогенового источника света фирмы "Karl Stortz" по осветительному каналу цистоскопа поступало на исследуемый участок ткани. Отраженный свет от исследуемого участка по регулярному световоду (наблюдательному каналу) цистоскопа поступал на оптико-акустический спектроанализатор "Кварц" 3102 В" и видеокамеру Color CCD Camera VDC2974 "SANYO", соединенную через плату сопряжения (производство ТОО "Элекард", г. Томск) с РС-386 для запоминания и визуального воспроизведения исследуемого участка ткани на экране монитора PC. Radiation from a Karl Stortz halogen light source was transmitted through the illumination channel of the cystoscope to the tissue site under investigation. The reflected light from the studied area through a regular cystoscope fiber (observation channel) was fed to a Quartz 3102 V optical-acoustic spectrum analyzer and a Color CCD Camera VDC2974 SANYO video camera connected via an interface card (manufactured by Elecard LLP, Tomsk) with RS-386 for storing and visual reproduction of the examined tissue area on the PC monitor screen.

На фиг. 4, 5 показаны спектры отраженного света и гфлуоресценции от подозреваемого (кривая 1) и нормального (кривая 2) участка слизистой. Из сравнения кривых на фиг. видно, что в отраженном свете в области спектра 500 - 600 нм наблюдается существенная разница в интенсивностях отраженного света от патологического и нормального участков ткани, обусловленная поглощением излучения молекулами оксигемоглобина. В результате при наблюдении в отраженном свете на длинах волн 500-600 нм на экране монитора опухолевая ткань видна как ярко светящаяся область с четкими границами, по сравнению со слабо светящейся окружающей нормальной тканью. In FIG. Figures 4 and 5 show the spectra of reflected light and gfluorescence from the suspect (curve 1) and normal (curve 2) of the mucosa. From a comparison of the curves in FIG. it can be seen that in reflected light in the spectral region of 500 - 600 nm, there is a significant difference in the intensities of reflected light from the pathological and normal tissue regions, due to the absorption of radiation by oxyhemoglobin molecules. As a result, when observed in reflected light at wavelengths of 500-600 nm on the monitor screen, the tumor tissue is visible as a brightly luminous region with clear boundaries, compared with faintly luminous surrounding normal tissue.

Флуоресценция тканей возбуждалась излучением второй гармоники неодимого лазера с длиной волны 532 нм (фиг. 5). Интенсивность флуоресценции в красной области спектра 600 - 800 нм для раковых тканей превышает интенсивность флуоресценции для нормальных тканей. Поэтому опухолевая ткань выделяется на экране монитора как ярко светящаяся область на фоне темной нормальной, с границами, совпадающими при наблюдении патологического участка в отраженном свете. Tissue fluorescence was excited by the second harmonic of a neodymium laser with a wavelength of 532 nm (Fig. 5). The red fluorescence intensity of 600–800 nm for cancerous tissues exceeds the fluorescence intensity for normal tissues. Therefore, the tumor tissue stands out on the monitor screen as a brightly luminous region against a dark normal background, with borders coinciding when observing a pathological site in reflected light.

Полученные данные указывают на злокачественный характер опухоли, а границы светящихся областей позволяют объективно судить о границах злокачественной ткани. The data obtained indicate the malignant nature of the tumor, and the boundaries of the luminous regions allow you to objectively judge the boundaries of the malignant tissue.

Гистологическое исследование подтвердило полученные выше выводы. Histological examination confirmed the above findings.

В данном случае A. была сделана операция трансуретральная резекция мочевого пузыря. In this case, A. a transurethral resection of the bladder was performed.

Пример 2. Больной Б., 52 г. Диагноз: Рак мочевого пузыря T₂N₀M₀.Example 2. Patient B., 52 g. Diagnosis: Cancer of the bladder T ₂ N ₀ M ₀ .

На установке, описанной выше, проведено исследование слизистой мочевого пузыря больного. On the installation described above, a study was made of the patient’s bladder mucosa.

На фиг. 6 показаны спектры отражения подозреваемого (1) и нормального (2) участков слизистой. Разница в спектрах указывает на наличие злокачественного новообразования. Сравнение спектров флуоресценции также указывает на наличие злокачественных новообразований. In FIG. Figure 6 shows the reflection spectra of the suspected (1) and normal (2) sections of the mucosa. The difference in the spectra indicates the presence of a malignant neoplasm. Comparison of the fluorescence spectra also indicates the presence of malignant neoplasms.

Больному выполнена операция трансуретральная резекция мочевого пузыря. The patient underwent surgery transurethral resection of the bladder.

Пример 3. Больная К., 74 г. Ds: Рак мочевого пузыря T₂N₀M₀. Состояние после оперативного лечения.Example 3. Patient K., 74 g. Ds: Cancer of the bladder T ₂ N ₀ M ₀ . Condition after surgical treatment.

Больная поступила на контрольное обследование. Во время цистоскопического исследования проведен спектральный анализ слизистой мочевого пузыря. Сравнение спектров отражения (фиг. 7) участков ткани, подозрительных на опухолевое поражение (1), и нормальных (2) не обнаружило характерных для злокачественных опухолей отклонений. Аналогичный вывод был сделан на основе сравнения спектров флуоресценции. The patient was admitted for follow-up examination. During a cystoscopic examination, a spectral analysis of the bladder mucosa was performed. Comparison of the reflection spectra (Fig. 7) of tissue sites suspicious of tumor damage (1) and normal (2) did not reveal deviations characteristic of malignant tumors. A similar conclusion was made by comparing the fluorescence spectra.

Гистологические исследования подтвердили данное заключение. Histological studies confirmed this conclusion.

Claims

A method for increasing the accuracy of detecting malignant neoplasms and determining the boundaries of their localization, which consists in recording and comparing the fluorescence spectrum of suspected and normal tissue sites, characterized in that, in order to improve the accuracy of diagnosis of malignant neoplasms and determining the boundaries of its localization, the reflected spectrum is additionally measured and compared light in the visible region, with the intensity of the reflected light from the tissue being examined, exceeding the intensity of reflection from normal tissue by more than 25%, a malignant tumor is diagnosed, the border of the tumor is determined by the image of tissues in reflected light at wavelengths in the range of 550 - 590 nm visually on a personal computer monitor screen as a line connecting the image points in which the brightness contrast between normal and carcinogenic tissue changes by more than 3%.