RU2529629C1 - Parenchymal organ biopsy and spectroscopic inspection device - Google Patents

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: device comprises a laser light source, a light guide connected thereto, a biopsy cannula connected to a Luer adapter through a second input of which an optical fibre from the laser light source and at least one receiving fibre extend and are fixed in the cannula and a third input of which is configured for a syringe which is used to draw a biopsy material into the cannula; there are also provided spectrometer unit with a fibre-optic light input, personal computer.

EFFECT: continuous spectroscopic inspection of parenchymal tumour biopsy procedure without standard disorders of the given operation and without prolonging the procedure in general.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области лазерной медицины, а именно к устройствам для биопсии новообразований паренхиматозных органов в сочетании со спектроскопическим контролем с применением фотосенсибилизаторов.The invention relates to the field of laser medicine, namely to devices for biopsy of neoplasms of parenchymal organs in combination with spectroscopic control using photosensitizers.

Игольчатая биопсия применяется для инвазивной диагностики новообразований ряда внутренних органов. К ним относятся печень, поджелудочная железа, лимфоузлы забрюшинного пространства, почки, легкие. Традиционно для игольчатой биопсии этих органов применяется игла Менгини (Menghini). в которой взятие биопсии происходит путем аспирации ткани в иглу. Также применяется игла Vim-Silverman, которая позволяет вырезать биоптат из ткани, что повышает диагностическую ценность биопсии. В настоящее время широко распространены автоматизированные биопсийные системы, в которых рабочая часть биопсийной иглы автоматически забирает биоптат. Как правило, подобные биопсии проводятся под ультразвуковым контролем. Он позволяет точно провести иглу в цель, однако при попадании иглы в зону некроза в центре образования возможен ложноотрицательный результат.A needle biopsy is used for invasive diagnosis of neoplasms of a number of internal organs. These include the liver, pancreas, lymph nodes of the retroperitoneal space, kidneys, lungs. Traditionally, a Menghini needle is used for needle biopsies of these organs. in which a biopsy is taken by aspiration of tissue into a needle. A Vim-Silverman needle is also used, which allows the biopsy to be cut from the tissue, which increases the diagnostic value of the biopsy. Currently, automated biopsy systems are widespread in which the working part of the biopsy needle automatically picks up the biopsy. Typically, such biopsies are performed under ultrasound guidance. It allows you to accurately draw the needle into the target, however, if the needle hits the necrosis zone in the center of the formation, a false negative result is possible.

В нейрохирургии стереотаксическая биопсия опухолей головного мозга применяется как диагностическая операция, производимая для взятия образца опухолевой ткани с целью его детального гистологического изучения, при этом доступ к целевой точке осуществляется с использованием пространственной схемы по заранее рассчитанным координатам по трехмерной Декартовой системе координат. Полученные данные о виде опухоли и степени ее злокачественности позволяют решить вопрос о целесообразности хирургического лечения, объемах операции и методах консервативной терапии (химиотерапия, лучевое воздействие). Координаты для забора биоптата определяются на основе снимков компьютерной томографии (КТ) или магнитно-резонансной томографии головного мозга (МРТ) [M. Schulder Handbook of Stereotactic and Functional Neurosurgery. CRC Press, New York, U.S.A 2003. ISBN 0-8247-0720-6].In neurosurgery, a stereotactic biopsy of brain tumors is used as a diagnostic operation performed to take a sample of tumor tissue for the purpose of its detailed histological examination, while access to the target point is carried out using a spatial scheme according to pre-calculated coordinates using a three-dimensional Cartesian coordinate system. The obtained data on the type of tumor and its degree of malignancy allow us to solve the question of the advisability of surgical treatment, the volume of surgery and methods of conservative therapy (chemotherapy, radiation exposure). The coordinates for biopsy sampling are determined on the basis of computed tomography (CT) images or magnetic resonance imaging of the brain (MRI) [M. Schulder Handbook of Stereotactic and Functional Neurosurgery. CRC Press, New York, U.S. A 2003. ISBN 0-8247-0720-6].

Однако устройства для забора биоптата при их введении внутрь головного мозга не обеспечивают информацией о точном расположении иглы относительно исследуемой локализации. Из-за отсутствия возможности определения границ опухолевой локализации нет возможности определения степени прорастания опухоли в нормальную ткань.However, devices for biopsy sampling when introduced into the brain do not provide information about the exact location of the needle relative to the studied location. Due to the lack of the ability to determine the boundaries of tumor localization, it is not possible to determine the degree of tumor growth into normal tissue.

Наряду с этим в современной клинической практике активно используются различные методы интраоперационной навигации, одним из которых является флуоресцентная диагностика с использованием в качестве опухолевого маркера протопорфирина IX (Рр IX) [B.W. Pogue, S. Gibbs-Strauss, P.A. Valdés, K. Samkoe, D.W. Roberts, K.D. Paulsen Review of Neurosurgical Fluorescence Imaging Methodologies. IEEE J Sel Top Quantum Electron. - 2010. - №16. - P.493-505.]. Его накопление в опухоли индуцируется введением в организм 5-аминолевулиновой кислоты, которая избирательно накапливается в опухолевых тканях из-за ферментативного нарушения в быстро пролиферирующих клетках опухоли. Устройства, используемые во флуоресцентной диагностике, обеспечивают высокую скоростью получения данных, имеют значительную чувствительность и высокое пространственное разрешение. Важным плюсом их использования является сравнительная легкость интраоперационного использования.Along with this, in modern clinical practice, various methods of intraoperative navigation are actively used, one of which is fluorescence diagnosis using protoporphyrin IX (PP IX) as a tumor marker [B.W. Pogue, S. Gibbs-Strauss, P.A. Valdés, K. Samkoe, D.W. Roberts, K.D. Paulsen Review of Neurosurgical Fluorescence Imaging Methodologies. IEEE J Sel Top Quantum Electron. - 2010. - No. 16. - P.493-505.]. Its accumulation in the tumor is induced by the introduction of 5-aminolevulinic acid into the body, which selectively accumulates in the tumor tissues due to the enzymatic disturbance in rapidly proliferating tumor cells. Devices used in fluorescence diagnostics provide high speed data acquisition, have significant sensitivity and high spatial resolution. An important advantage of their use is the comparative ease of intraoperative use.

Известно устройство, обеспечивающее количественное измерение концентрации опухолевых маркеров в точке [Патент РФ на изобретение 2169590, A61N 5/06, 2001]. Данное устройство включает полихроматор в спектрометре с волоконно-оптическим вводом излучения, в котором установлен специальный узкополосный фильтр, блок регистрации, ЭВМ, лазер с длиной волны, превышающей 600 нм, с устройством ввода лазерного излучения в световод, содержащий фильтр. Кроме того, источник света с непрерывным спектром, содержащий пропускающий фильтр. Волоконно-оптический катетер, включающий световод доставки лазерного излучения, световод доставки излучения источника света с непрерывным спектром и приемные оптические волокна.A device is known that provides a quantitative measurement of the concentration of tumor markers at a point [RF Patent for the invention 2169590, A61N 5/06, 2001]. This device includes a polychromator in a spectrometer with a fiber-optic radiation input, in which a special narrow-band filter, a recording unit, a computer, a laser with a wavelength exceeding 600 nm, with a device for inputting laser radiation into a fiber containing a filter are installed. In addition, a continuous spectrum light source containing a transmission filter. A fiber optic catheter including a laser delivery fiber, a continuous spectrum light source, and receiving optical fibers.

Известное устройство позволяет точечно измерять концентрации опухолевого маркера PpIX путем подведения световода к зоне интереса. Световод подлежит многократной стерилизации стандартными методами и используется в ходе хирургических вмешательств.The known device allows you to accurately measure the concentration of the tumor marker PpIX by bringing the fiber to the zone of interest. The optical fiber is subject to repeated sterilization by standard methods and is used during surgical interventions.

Данное устройство не может использоваться в ходе стереотаксической биопсии по ряду следующих причин:This device cannot be used during a stereotactic biopsy for the following reasons:

световод, включающий в себя оптическое волокно для доставки лазерного излучения и приемные оптические волокна, не жесткий, поэтому при прохождении через плотные ткани он может существенно отклониться от места наведения;the optical fiber, which includes an optical fiber for delivering laser radiation and receiving optical fibers, is not rigid, so when passing through dense tissue, it can deviate significantly from the point of pointing;

толщина световода не позволяет провести его через биопсийную канюлю; В результате становится невозможным одновременный спектроскопический контроль и взятие образцов. Это требует последовательного введения световода и биопсийной канюли, что резко повышает риск операционных осложнений.the thickness of the fiber does not allow it to pass through the biopsy cannula; As a result, simultaneous spectroscopic monitoring and sampling become impossible. This requires the sequential introduction of a fiber and a biopsy cannula, which dramatically increases the risk of surgical complications.

Задачей данного изобретения является создание устройства для проведения непрерывного спектроскопического контроля при биопсии новообразований паренхиматозных органов без нарушения стандартного алгоритма данной операции и без удлинения по времени процедуры в целом.The objective of the invention is to provide a device for continuous spectroscopic control during biopsy of neoplasms of parenchymal organs without violating the standard algorithm of this operation and without lengthening the time of the procedure as a whole.

Поставленная задача решается тем, что устройство для биопсии с одновременным спектроскопическим контролем включает источник лазерного излучения, соединенный с ним световод для доставки лазерного излучения, световод доставки излучения источника света с непрерывным спектром, спектрометр с волоконно-оптическим вводом излучения, содержащим фильтр, и включающий полихроматор, фотодиодную линейку, блок регистрации, ЭВМ с программным обеспечением для обработки сигналов спектрометра, канюлю для биопсии, соединенную с первым входом тройника типа «луер», через второй вход которого проходят и крепятся в канюле оптическое волокно от лазерного источника и как минимум одно приемное волокно, а третий вход которого предназначен для шприца, с помощью которого подсасывается биоптат внутрь канюли.The problem is solved in that the biopsy device with simultaneous spectroscopic control includes a laser radiation source, a fiber connected to it for delivering laser radiation, a fiber of a light source with a continuous spectrum, a spectrometer with a fiber-optic input of radiation containing a filter, and including a polychromator , photodiode array, registration unit, a computer with software for processing spectrometer signals, a biopsy cannula connected to the first input of the tee Luer type, through the second entrance of which an optical fiber from a laser source and at least one receiving fiber pass and are mounted in the cannula, and the third input of which is intended for a syringe, with which a biopsy sample is sucked into the cannula.

Предлагаемое устройство позволило получить новый неочевидный эффект при процедуре стереотаксической биопсии. Оно позволяет интраоперационно находить границы исследуемого новообразования благодаря тому, что здоровый мозг, граница и тело опухоли по-разному накапливают опухолевый маркер. Полученные данные с помощью предлагаемого устройства повышают точность диагноза и увеличивают информированность врача при назначении лечения.The proposed device allowed to obtain a new non-obvious effect in the stereotactic biopsy procedure. It allows intraoperatively finding the boundaries of the tumor under study due to the fact that a healthy brain, border and body of the tumor accumulate the tumor marker in different ways. The data obtained using the proposed device increase the accuracy of the diagnosis and increase the awareness of the doctor when prescribing treatment.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами:The invention is illustrated by the following drawings:

Фиг.1 - схема предлагаемого устройства;Figure 1 - diagram of the proposed device;

Фиг.2 - спектры растворов PpIX различных концентраций, полученные с помощью предлагаемого устройства;Figure 2 - spectra of PpIX solutions of various concentrations obtained using the proposed device;

Фиг.3 - гистограмма соответствующих концентраций раствора Рр1Х, полученная с помощью предлагаемого устройства.Figure 3 is a histogram of the corresponding concentrations of the PP1X solution obtained using the proposed device.

Устройство для биопсии с одновременным спектроскопическим контролем (Фиг.1) содержит источник лазерного излучения 1, соединенный с ним световод 2, канюлю для биопсии 3, соединенную с приемными волокнами 4 и световодом, спектрометр 5 с полихроматором 6 с волоконно-оптическим вводом излучения 7, содержащим фильтр 8, фотодиодную линейку 9, блок регистрации 10, персональный компьютер 11, тройник типа «луер» 12.A biopsy device with simultaneous spectroscopic monitoring (Fig. 1) contains a laser source 1, a fiber 2 connected to it, a biopsy cannula 3 connected to the receiving fibers 4 and a fiber, a spectrometer 5 with a polychromator 6 with fiber optic input 7, comprising a filter 8, a photodiode array 9, a recording unit 10, a personal computer 11, a Luer-type tee 12.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Лазерное излучение, выходящее из источника лазерного излучения 1, входит в световод 2, по которому попадает в канюлю для биопсии 3. Выходя из оптического волокна внутри канюли 3, излучение взаимодействует с биологической тканью. Рассеянное лазерное излучение, вместе с флуоресцентным излучением попадает в приемные волокна 4. Далее это излучение с помощью волоконно-оптического ввода 7 попадает в спектрометр 5. Полихроматор 6 раскладывает входящее излучение в спектр и проецирует на фотодиодную линейку 9. Блок регистрации 10 передает оцифрованную информацию в персональный компьютер 11, в котором в специальной программе происходит обработка приходящей информации. Для захвата биоптата в свободное отверстие тройника 12 вставляется шприц. С его помощью подсасывается воздух внутри канюли, в результате чего биоптат попадает внутрь канюли. Для последующего вымывания биоптата из канюли в пробирку необходимо пропустить через нее воздух либо жидкость с помощью шприца.The laser radiation exiting from the laser radiation source 1 enters the optical fiber 2, through which it enters the cannula for biopsy 3. Leaving the optical fiber inside the cannula 3, the radiation interacts with the biological tissue. The scattered laser radiation, together with the fluorescent radiation, enters the receiving fibers 4. Next, this radiation, using the fiber optic input 7, enters the spectrometer 5. Polychromator 6 decomposes the incoming radiation into the spectrum and projects onto the photodiode array 9. The recording unit 10 transmits the digitized information to personal computer 11, in which a special program processes incoming information. To capture the biopsy sample, a syringe is inserted into the free opening of the tee 12. With its help, the air inside the cannula is sucked in, as a result of which the biopsy specimen enters the cannula. For subsequent washing of the biopsy sample from the cannula into the tube, air or liquid must be passed through it with a syringe.

На Фиг.2 показаны спектры флуоресценции раствора PpIX в интралипиде различных концентраций, полученные с помощью устройства. Были использованы следующие концентрации PpIX: 0% - линия 0, 1% - линия 1, 5% - линия 2, 10% - линия 3. PpIX возбуждали с помощью He-Ne лазера с длиной волны 632.8 нм. Максимум флуоресценции 695-705 нм. Растворам с большей концентрацией PpIX соответствует большее значение интенсивности флуоресценции. Для аналитического расчета концентрации PpIX используется отношение площади под графиком в области флуоресценции 690 нм - 730 нм к площади под графиком в области лазерного возбуждения 630 нм - 640 нм. Полученное отношение представлено в виде гистограммы Фиг.3, соответствующие концентрации PpIX: 0% - столбик 0, 1% - столбик 1, 5% столбик 2, 10% - столбик 3. Чем выше концентрация PpIX, тем выше отношение площадей. Зная калибровочную кривую, можно рассчитать концентрацию содержания PpIX в исследуемой ткани.Figure 2 shows the fluorescence spectra of a solution of PpIX in intralipid of various concentrations obtained using the device. The following PpIX concentrations were used: 0% - line 0, 1% - line 1, 5% - line 2, 10% - line 3. PpIX was excited using a He-Ne laser with a wavelength of 632.8 nm. The maximum fluorescence is 695-705 nm. Solutions with a higher concentration of PpIX correspond to a greater value of the fluorescence intensity. For the analytical calculation of PpIX concentration, the ratio of the area under the graph in the fluorescence region of 690 nm - 730 nm to the area under the graph in the field of laser excitation 630 nm - 640 nm is used. The resulting ratio is presented in the form of a histogram of Figure 3, the corresponding concentration of PpIX: 0% - column 0, 1% - column 1, 5% column 2, 10% - column 3. The higher the concentration of PpIX, the higher the ratio of areas. Knowing the calibration curve, it is possible to calculate the concentration of PpIX content in the test tissue.

Процедура биопсии с использованием устройства для биопсии с одновременным спектроскопическим контролем состоит из следующих основных этапов.A biopsy procedure using a biopsy device with simultaneous spectroscopic control consists of the following main steps.

Подготовка пациента к операции осуществляется путем перорального введения в организм пациента раствора гидрохлорида 5-аминолевулиновой кислоты за несколько часов до начала процедуры биопсии. Далее следует расчет координат биопсии по КТ и/или МРТ, если таковые имеются. Осуществляется подготовка устройства, которая состоит из следующих этапов: включение лазера, калибровка спектрометра, подготовка персонального компьютера к работе с устройством. Введение устройства под контролем УЗИ, если имеется возможность. При введении начинается анализ спектроскопических данных в персональном компьютере, производится расчет концентрации опухолевых маркеров, содержащихся в биологической ткани. В процессе введения устройства резкое увеличение концентрации дает понять, что устройство попадает в опухоль. По различным концентрациям опухолевых маркеров можно судить об области, в которой находится канюля для биопсии. При этом можно производить взятие биоптата из различных зон опухоли путем подсасывания воздуха через канюлю с помощью шприца.Preparation of the patient for surgery is carried out by oral administration of a solution of 5-aminolevulinic acid hydrochloride into the patient's body several hours before the start of the biopsy procedure. The following is a calculation of the biopsy coordinates for CT and / or MRI, if any. The device is being prepared, which consists of the following steps: turning on the laser, calibrating the spectrometer, preparing a personal computer for working with the device. The introduction of the device under the supervision of ultrasound, if possible. With the introduction of the analysis begins spectroscopic data in a personal computer, the calculation of the concentration of tumor markers contained in biological tissue. During the introduction of the device, a sharp increase in concentration makes it clear that the device enters the tumor. By different concentrations of tumor markers, one can judge the area in which the biopsy cannula is located. In this case, you can take a biopsy from various areas of the tumor by sucking air through the cannula using a syringe.

Предложенное устройство было использовано в процедуре стереотаксической биопсии головного мозга и дало положительный результат. Во время погружения биопсийной канюли до заданного уровня производился непрерывный спектроскопический анализ тканей головного мозга. При изменении концентраций опухолевых маркеров были сделаны дополнительные заборы биоптата. Дальнейшее сравнение с результатами гистологического анализа позволило уточнить степень прорастания опухоли в нормальные ткани головного мозга и скорректировать данные для дальнейшего назначения операционного удаления опухоли. Показанный положительный результат применения устройства дает основания предполагать, что данное устройство даст положительный результат в случае применения его для других паренхиматозных органов.The proposed device was used in the procedure of stereotactic biopsy of the brain and gave a positive result. During immersion of the biopsy cannula to a predetermined level, a continuous spectroscopic analysis of brain tissue was performed. With a change in the concentration of tumor markers, additional biopsy samples were taken. Further comparison with the results of histological analysis made it possible to clarify the degree of tumor growth in normal brain tissue and to adjust the data for further appointment of surgical removal of the tumor. The shown positive result of the use of the device gives reason to believe that this device will give a positive result if applied to other parenchymal organs.

Таким образом, предложено устройство, которое обеспечивает проведение непрерывного спектроскопического контроля при биопсии новообразований паренхиматозных органов без нарушения стандартного алгоритма данной операции и без удлинения процедуры в целом.Thus, a device is proposed that provides continuous spectroscopic monitoring during biopsy of neoplasms of parenchymal organs without violating the standard algorithm of this operation and without lengthening the procedure as a whole.

Claims (1)

Устройство для биопсии паренхиматозных органов с одновременным спектроскопическим контролем, включающее источник лазерного излучения, соединенное с ним оптическое волокно для доставки лазерного излучения, спектрометр с волоконно-оптическим вводом излучения, содержащим фильтр, и включающий полихроматор, фотодиодную линейку, блок регистрации, ЭВМ с программным обеспечением, канюлю для биопсии, соединенную с первым входом тройника типа «луер», через второй вход которого проходят и крепятся в канюле оптическое волокно от лазерного источника и, как минимум, одно приемное волокно, третий вход которого предназначен для шприца, с помощью которого подсасывается биоптат внутрь канюли.  A device for biopsy of parenchymal organs with simultaneous spectroscopic control, including a laser source, an optical fiber connected to it for delivering laser radiation, a spectrometer with a fiber-optic input of radiation containing a filter, and including a polychromator, a photodiode array, a recording unit, a computer with software a biopsy cannula connected to the first input of the Luer tee, through the second input of which an optical fiber from a laser source passes and is attached to the cannula nick and at least one receiving fiber, the third input of which is intended for a syringe by which the biopsy sample is drawn into the cannula.

Images