RU2539817C1 - Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани - Google Patents
Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани Download PDFInfo
- Publication number
- RU2539817C1 RU2539817C1 RU2013133185/28A RU2013133185A RU2539817C1 RU 2539817 C1 RU2539817 C1 RU 2539817C1 RU 2013133185/28 A RU2013133185/28 A RU 2013133185/28A RU 2013133185 A RU2013133185 A RU 2013133185A RU 2539817 C1 RU2539817 C1 RU 2539817C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optic probe
- biological tissue
- fiber optic
- fluorescence spectroscopy
- channel
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области медицинской техники и касается устройства для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани. Устройство содержит флуоресцентно-отражательный спектрометр, включающий осветительную и спектрометрическую системы, подключенные к Y-образному волоконно-оптическому щупу. Кроме того, устройство снабжено двумя каналами, один из которых предназначен для подачи жидкости на исследуемый орган для смыва крови и подключен к насосу, а другой канал, предназначенный для аспирации жидкости и крови с исследуемого органа, соединен с помпой. Оба канала и дистальный конец волоконно-оптического щупа помещены в наконечник, образуя волоконно-оптический зонд. Наконечник выполнен в виде металлического цилиндра с раструбом на конце, прилегающим к исследуемому органу. Технический результат заключается в повышении точности и стабильности результатов измерений, а также в обеспечении возможности проведения исследований сердца, находящегося в организме. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.
Description
Изобретение относится к медицине, в частности к хирургии, и к медицинской технике, а именно к устройствам для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани и может быть использовано для интраоперационной оценки функционального и метаболического статуса биологических тканей, в том числе для определения состояния миокарда и других органов при ишемическом повреждении.
Для интраоперационной оценки функционального и метаболического статуса биологических тканей, в том числе для определения состояния миокарда и других органов при ишемическом повреждении, может быть использован метод флуоресцентной спектроскопии. Метод основан на явлении, заключающемся в том, что на ранней стадии ишемии происходит накопление избыточных количеств NADH в результате нарушения его окисления в NAD+ через цепь митохондриального транспорта электронов, которые обладают способностью к свечению в видимой области спектра при возбуждении ультрафиолетовыми лучами, причем интенсивность их свечения зависит от нахождения в окисленном или восстановленном состоянии. Таким образом, феномен автофлуоресценции тканей может быть использован для неинвазивной регистрации ишемических изменений в органах и тканях. Важными аспектами данной технологии являются низкая инвазивность и техническая простота методики оценки жизнеспособности тканей.
Известно устройство для лазер-индуцированной флуоресцентной спектроскопии (LIFAS) для определения ишемии и гипоксии в биологической ткани (US 6697657 Method and devices for laser induced fluorescence attenuation spectroscopy (LIFAS)), содержащее осветительную и спектрометрическую системы, волоконно-оптический жгут, соединенный с осветительной и спектрометрической системами, зонд, в котором размещен рабочий конец волоконно-оптического жгута, и процессор для обработки сигналов осветительной и спектрометрической систем. Использование устройства обеспечивает высокую точность результатов в экспериментах, выполненных ex-vivo, например, на изолированном перфузируемом сердце лабораторного животного.
Вместе с тем в аналогичных экспериментах in-vivo, когда сердце находится еще в организме, проведение такого рода измерений затруднительно либо невозможно. Связано это с тем, что кровь, находящаяся в операционном поле, неизбежно попадает в зазор между зондом и поверхностью исследуемой ткани, это приводит к падению сигнала из-за поглощения гемоглобином возбуждающего и флуоресцентного излучений и, как следствие, нестабильности результатов. Те же сложности возникают при проведении измерений в клинических условиях.
Известен также спектрометр для флуоресцентно-отражательных биомедицинских исследований (KangUk, Папаян Г.В., Березин В.Б., Петрищев Н.Н., Галагудза М.М. Спектрометр для флуоресцентно-отражательных биомедицинских исследований // Оптический журнал. 2013. Т.80. №1. С.32-38), который является наиболее близким к заявляемому изобретению и выбран в качестве прототипа.
Известный спектрометр для флуоресцентно-отражательных биомедицинских исследований включает в себя светодиодный осветитель, генерирующий излучение в ближней ультрафиолетовой области с центральной длиной волны 365 нм, Υ-образный волоконно-оптический щуп, объединяющий в дистальной его части волокна осветительного канала и детекторного канала (измерительного канала), а также спектрометр и компьютер, осуществляющие регистрацию спектра в диапазоне 350-750 нм.
Однако известный спектрометр для флуоресцентно-отражательных биомедицинских исследований обладает теми же недостатками, что и аналог, то есть ограниченными функциональными возможностями, которые не позволяют проводить эксперименты in-vivo.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани, а также повышение точности и стабильности результатов измерений в операционном поле.
Для достижения технического результата устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани, содержащее флуоресцентно-отражательный спектрометр, включающий осветительную и спектрометрическую системы, к каждой из которых подключен соответствующий выход Υ-образного волоконно-оптического щупа, выполненного из измерительного и осветительных волокон, образующих соответственно осветительный и приемный каналы, и компьютер, согласно изобретению дополнительно снабжено двумя каналами, один из которых предназначен для подачи жидкости на исследуемый орган для смыва крови и подключен к насосу, а другой канал, предназначенный для аспирации жидкости и крови с исследуемого органа, соединен с помпой, при этом оба канала и дистальный конец волоконно-оптического щупа помещены в наконечник, образуя волоконно-оптический зонд, причем наконечник, выполненный в виде металлического цилиндра с раструбом на конце, прилегающим к исследуемому органу, снабжен двумя штуцерами, предназначенными для подключения насоса и помпы к соответствующим каналам.
Для достижения технического результата в устройстве для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани канал для подачи жидкости и канал для аспирации выполнены в виде двух соосных металлических цилиндров, оси которых совпадают с осью волоконно-оптического щупа, или канал для подачи жидкости и канал для аспирации выполнены в виде двух цилиндров, оси которых параллельны оси волоконно-оптического щупа, а дистальный конец волоконно-оптического щупа дополнительно помещен в тонкостенную металлическую трубку.
По сравнению с известными аналогами предлагаемое техническое решение позволяет расширить функциональные возможности устройства за счет проведения не только экспериментов ex-vivo, то есть на изолированном перфузируемом сердце, но и экспериментов in-vivo, когда сердце находится в организме. Это стало возможным благодаря предложенной совокупности существенных признаков, позволяющих не только расширить функциональные возможности устройства, исключив зависимость результатов измерения от наличия крови в операционном поле, но и повысить точность диагностики ишемического состояния отдельных участков исследуемых органов во время операции и стабильность результатов измерений в операционном поле.
Выполнение наконечника из металла (например, из нержавеющей стали) позволило упростить и сократить время процесса стерилизации.
Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает достижение поставленной задачи.
Предложенное техническое решение является новым, не известным в практике разработки волоконно-оптических спектрометров, а совокупность отличительных признаков не следует из уровня техники. Изобретение является промышленно применимым из-за простоты конструкции устройства и известности технологических процессов изготовления отдельных элементов устройства. Это решение предполагает использование современных материалов и технологических приемов, серийно освоенных промышленностью.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани с каналами для подачи жидкости и аспирации, выполненными в коаксиальном варианте;
на фиг. 2 представлен наконечник в разрезе А-А;
на фиг. 3 - спектр автофлуоресценции миокарда в состоянии перфузии;
на фиг. 4 - спектр автофлуоресценции миокарда в состоянии ишемии;
на фиг. 5 - зависимость интегрального сигнала автофлуоресценции в области спектра 440-460 нм от времени, прошедшего с начала эксперимента при цикличной ишемии/реперфузии.
Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани (фиг. 1) содержит источник света 1 и спектрометр 2, образующие вместе флуоресцентно-отражательный спектрометр, насос для подачи жидкости 3, помпу для аспирации 4, Υ-образный волоконно-оптический щуп, один конец которого выполнен в виде жгута, образованного из осветительных оптических волокон, и является осветительным волоконным каналом 5, соединенным с источником света 1, другой конец волоконно-оптического щупа образован из измерительного оптического волокна и является приемным волоконным каналом 6, соединенным со спектрометром 2, а также содержит канал для подачи жидкости на исследуемый орган 7 и канал аспирации 8, которые могут быть выполнены в виде двух соосных металлических цилиндров, оси которых совпадают с осью волоконно-оптического щупа или в виде двух цилиндров, оси которых параллельны оси волоконно-оптического щупа. Устройство также содержит наконечник 9, раструб 10, прилегающий к исследуемому органу и выполненный как единое целое с наконечником 9, компьютер 11. Дистальный конец 12 волоконно-оптического щупа выполнен в виде жгута с гексагональной укладкой шести осветительных оптических волокон, в центре которых расположено измерительное оптическое волокно, и помещен в наконечник 9. В наконечнике 9 расположены также канал подачи жидкости 7 и канал аспирации 8, которые вместе с дистальным концом 12 волоконно-оптического щупа, дополнительно помещенным в тонкостенную металлическую трубку, образуют волоконно-оптический зонд. Канюли 13 и 14 (фиг. 2), предназначенные для подключения канала для подачи жидкости 7 и канала аспирации 8 соответственно к насосу 3 и к помпе 4 через штуцеры 15 и 16 (фиг. 2), которыми снабжен наконечник 9. Соединение осветительного волоконного канала 5 и приемного волоконного канала 6 соответственно с источником света 1 и спектрометром 2 осуществляется с помощью коннекторов, например SMA 905. В качестве осветителя 1 может быть использован, например, светодиодный осветитель собственной разработки на базе мощного светодиода LEDEngin LZ1-00U600. В качестве спектрометра 2 использован, например, спектрометр Avantes-2048-USB2, В качестве насоса 3 использован перистальтический насос.
Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани работает следующим образом.
Волоконно-оптический зонд накладывается на исследуемый орган раструбом 10, который создает вакуум в области контакта с поверхностью исследуемого органа. Создаваемый вакуум обеспечивает надежный контакт дистального конца волоконно-оптического щупа с органом, а подача жидкости для смыва крови предотвращает затекание крови в зазор между дистальным концом щупа и поверхностью исследуемого органа. После установки волоконно-оптического зонда, на исследуемый орган одновременно подается возбуждающее флуоресценцию излучение с длиной волны 365 нм от источника света 1, по осветительному каналу 5 волоконно-оптического щупа, и жидкость (вода или физиологический раствор) от насоса 3 через канюлю 13 и канал 7 для смыва крови с поверхности исследуемого органа и производится аспирация жидкости и крови через канал 8, канюлю 14 с помощью помпы 4. В ткани исследуемого органа возбуждается флуоресценция различных эндогенных флуорофоров, в том числе NADH. Флуоресцентное излучение ткани воспринимается приемным каналом 6, который передает его на вход спектрометра 2, в котором производится аналого-цифровое преобразование полученного по приемному каналу 6 сигнала флуоресцентного возбуждения, его первичная обработка и передача в компьютер 11 через интерфейс USB2.
Использование устройства для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани можно пояснить на примере одного из экспериментов исследования различных органов животных, в частности на сердце крысы, проведенного в ФГБУ «ФЦСКЭ им. В.А. Алмазова» Министерства здравоохранения России. Эксперимент заключался в изучении динамики автофлуоресцении сердца в процессе выполнения повторных эпизодов кратковременной ишемии и реперфузии, известных под названием прекондиционирование (адаптивный феномен, заключающийся в повышении резистентности миокарда к последующей продолжительности ишемии). Опыт in-vivo проводился на изолированном перфузируемом по Лангендорфу сердце крысы с использованием макета предлагаемого изобретения в режиме непрерывной регистрации интегральной интенсивности флуоресценции в максимуме эмиссии NADH на длине волны 450±10 нм при возбуждении 365 нм. Волоконно-оптический щуп при регистрации находился в постоянном контакте с работающим сердцем. В результате наличия в волоконно-оптическом зонде канала для подачи жидкости и канала аспирации, происходило постоянное удаление крови в месте контакта щупа с поверхностью миокарада, что обеспечивало независимость измерений от наличия крови в операционном поле. Благодаря этому удалось зарегистрировать спектры флуоресценции миокарда в состоянии перфузии (фиг. 3) и ишемии (фиг. 4), где видно увеличение интенсивности сигнала автофлуоресценции в области 440-460 нм при ишемии. Кроме того, удалось зарегистрировать зависимость интегрального сигнала автофлуоресценции в области спектра 440-460 нм от времени прошедшего с начала эксперимента (фиг. 5). В эксперименте проводилось три цикла ишемии 17, после которых следовал период реперфузии 18 (фиг. 5). Эксперимент продолжался в течении 11 минут. Ишемия вызывалась в период времени 2:45-3:45, 5:45-6:45 и 8:45-9:45. На фиг. 5 видно четкое соответствие между периодами ишемии и реперфузии и уровнем сигнала со спектрометра.
Таким образом, использование заявленного изобретения позволяет расширить функциональные возможности устройства для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани, а также повысить точность и стабильность результатов измерений в операционном поле.
Claims (7)
1. Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани, содержащее флуоресцентно-отражательный спектрометр, включающий осветительную и спектрометрическую системы, к каждой из которых подключен соответствующий конец разветвленной части Υ-образного волоконно-оптического щупа, выполненного из измерительного и осветительных волокон, образующих соответственно осветительный и приемный каналы, и компьютер, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено двумя каналами, один из которых предназначен для подачи жидкости на исследуемый орган для смыва крови и подключен к насосу, а другой канал, предназначенный для аспирации жидкости и крови с исследуемого органа, соединен с помпой, при этом оба канала и дистальный конец волоконно-оптического щупа помещены в наконечник, образуя волоконно-оптический зонд, причем наконечник, выполненный в виде металлического цилиндра с раструбом на конце, прилегающим к исследуемому органу, снабжен двумя штуцерами, предназначенными для подключения насоса и помпы к соответствующим каналам.
2. Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани по п.1, отличающееся тем, что раструб с наконечником выполнен как единое целое.
3. Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани по п.1, отличающееся тем, что канал для подачи жидкости и канал для аспирации выполнены в виде двух соосных металлических цилиндров, оси которых совпадают с осью волоконно-оптического щупа.
4. Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани по п.1, отличающееся тем, что канал для подачи жидкости и канал для аспирации выполнены в виде двух цилиндров, оси которых параллельны оси волоконно-оптического щупа.
5. Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани по п.1, отличающееся тем, что дистальный конец Υ-образного волоконно-оптического щупа, выполнен в виде жгута с гексагональной укладкой шести осветительных оптических волокон, в центре которых расположено измерительное оптическое волокно.
6. Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани по п.1, отличающееся тем, что концы разветвленной части Υ-образного волоконно-оптического щупа соединены соответственно с осветительной и спектрометрической системами через коннекторы.
7. Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани по п.1, отличающееся тем, что дистальный конец волоконно-оптического щупа дополнительно помещен в тонкостенную металлическую трубку.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013133185/28A RU2539817C1 (ru) | 2013-07-16 | 2013-07-16 | Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013133185/28A RU2539817C1 (ru) | 2013-07-16 | 2013-07-16 | Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013133185A RU2013133185A (ru) | 2015-01-27 |
RU2539817C1 true RU2539817C1 (ru) | 2015-01-27 |
Family
ID=53280991
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013133185/28A RU2539817C1 (ru) | 2013-07-16 | 2013-07-16 | Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2539817C1 (ru) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6697657B1 (en) * | 1997-07-07 | 2004-02-24 | Cedars-Sinai Medical Center | Method and devices for laser induced fluorescence attenuation spectroscopy (LIFAS) |
RU2454965C2 (ru) * | 2006-11-17 | 2012-07-10 | Байосенс Уэбстер, Инк. | Усовершенствованный катетер с всенаправленным оптическим наконечником с изолированными оптическими путями |
-
2013
- 2013-07-16 RU RU2013133185/28A patent/RU2539817C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6697657B1 (en) * | 1997-07-07 | 2004-02-24 | Cedars-Sinai Medical Center | Method and devices for laser induced fluorescence attenuation spectroscopy (LIFAS) |
RU2454965C2 (ru) * | 2006-11-17 | 2012-07-10 | Байосенс Уэбстер, Инк. | Усовершенствованный катетер с всенаправленным оптическим наконечником с изолированными оптическими путями |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Kang Uk, Папаян Г.В. и др. "Спектрометр для флуоресцентно-отражательных биомедицинских исследований", ОПТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, т.80, N1, 2013 г., стр.56-67. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013133185A (ru) | 2015-01-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Marcu | Fluorescence lifetime techniques in medical applications | |
CN105997000B (zh) | 一种基于纤维内窥镜的拉曼光谱检测装置及其实现方法 | |
Kim et al. | Optical spectroscopy for in vivo medical diagnosis—a review of the state of the art and future perspectives | |
US9820655B2 (en) | Systems and methods for spectral analysis of a tissue mass using an instrument, an optical probe, and a Monte Carlo or a diffusion algorithm | |
KR101955134B1 (ko) | 형광-조정 광전용적맥파 측정기를 사용한 조직 내의 절대적인 혈류의 정량화 | |
US20180070830A1 (en) | Systems and methods for time-resolved diffuse correlation spectroscopy | |
US20060217594A1 (en) | Endoscopy device with removable tip | |
EP2906106B1 (en) | Systems, methods, and apparatus for imaging of diffuse media featuring cross-modality weighting of fluorescent and bioluminescent sources | |
WO2015164774A1 (en) | Fluorescence guided surgical systems and methods gated on ambient light | |
US20150185207A1 (en) | Quantifying Neutrophil Concentration in Blood | |
Zahra | Technological advancements to reduce the influence of absorption and scattering on the optical imaging | |
RU2539817C1 (ru) | Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани | |
Rolfe et al. | Advances in fibre-optic sensing in medicine and biology | |
CA2501613A1 (en) | Method and device for the non-invasive analysis of metabolic processes | |
Lloyd et al. | Biophotonics: clinical fluorescence spectroscopy and imaging | |
Sharma et al. | A dual-modality optical biopsy approach for in vivo detection of prostate cancer in rat model | |
Hickey et al. | Optimal spacing between transmitting and receiving optical fibres in reflectance pulse oximetry | |
Gorpas et al. | Fluorescence lifetime spectroscopy and imaging techniques in medical applications | |
WO2021081972A1 (zh) | 一种腔内组织内窥拉曼光谱检测装置 | |
Papayan et al. | Spectrofluorimeter for estimating the metabolic state of organs and tissues | |
RU2775461C1 (ru) | Устройство для оценки состава иммунокомпетентных клеток в опухолевой ткани спектрально-флуоресцентными методами с применением фотосенсибилизатора на основе хлорина е6 | |
Angelova et al. | Fluorescence spectroscopy of gastrointestinal tumors: in vitro studies and in vivo clinical applications | |
Katika et al. | In vivo time-resolved autofluorescence measurements on human skin | |
Wang et al. | A trifurcated fiber-optic-probe-based optical system designed for AGEs measurement | |
Baria et al. | In vivo multimodal fibre-probe spectroscopy for glioblastoma detection in mouse model |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160717 |