СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ВНУТРЕННИХ ОРГАНОВ И ТКАНЕЙ ЧЕЛОВЕКА Российский патент 2005 года по МПК A61B5/01 

Изобретение относится к области медицины и предназначено для диагностирования заболеваний внутренних органов человека.

Общеизвестно, что правильная постановка диагноза при помощи современных компьютерных средств - абсолютно безвредна для пациента. Уровень излучения мониторов современных компьютеров удовлетворяет самым строгим санитарным нормам. Тем более раннее прогнозирование заболеваний и их предотвращение - совершенно новая отрасль медицины, определенные успехи в которой наметились в последнее десятилетие в связи с развитием компьютерных технологий.

Организм человека - уникальная саморегулирующаяся система. Его нормальное состояние, определяющее здоровье, поддерживается непрерывной работой, функционированием внутренних органов и распределенных общеорганизменных систем: кровотока, биоэнергетики тканей, электрического возбуждения нервов, мышц и др. Физические поля и излучения организма - это фактически рабочий шум систем жизнеобеспечения. Этот шум дает возможность наблюдать организм в целом, любой его орган или систему в собственном свете, причем различные виды полей и излучений позволяют наблюдать функционирующий организм в различных аспектах. Например, в первом варианте, при наблюдении в инфракрасном (тепловом) спектре излучения видно функционирование капиллярного кровотока в коже, т. е. температуры поверхности тела обследуемого. В другом, радиотепловом выявляется биоэнергетика (уровень метаболизма) и кровоток в глубине организма, в частности в коре головного мозга, что более перспективно, но пока недоступно из-за высокой стоимости аппаратуры. В третьем, акустотепловом определяется теплопродукция мышц и внутренних органов. В четвертом, магнитном организм наиболее прозрачен, и видно состояние биоэлектрического возбуждения мозга, сердца, мышц и др.

Такой подход, а именно получение информации по собственным сигналам объекта в радиофизике и медицине, называют пассивным дистанционным зондированием. На основе опыта, накопленного в Институтах Российской Академии Наук, а также в ряде предприятий, разрабатывающих современную, наукоемкую медицинскую технику, создано новое поколение медицинской аппаратуры и методов функциональной диагностики, основанное на динамическом картировании любых физических полей и излучений организма человека: электрических, магнитных, электромагнитных, инфракрасных, радиотепловых, акустических и оптических видимого волнового спектра. Эти методы, получившие название функциональной визуализации, дают возможность обнаружить ранние функциональные предвестники заболеваний, т.е. осуществлять раннюю диагностику заболеваний внутренних органов, например по динамике или уровню повышения или снижения температуры этого органа. Современная аппаратура позволяет врачу наблюдать на экране персонального компьютера в виде цифрового фильма функционирование вышеуказанных основных систем жизнеобеспечения как в естественной изменчивости (динамике), так и в статике в виде цветной картины. Функциональное картирование организма по его собственным сигналам является экологически абсолютно чистым, безопасным, не воздействующим на организм, что открывает большие перспективы в наше экологически напряженное время. Разработанная аппаратура и программное обеспечение позволяют наблюдать изображения интересующих областей организма в собственном свете в различных диапазонах длин волн, строить по ним функциональные карты, характеризующие функциональное состояние микроциркуляции и метаболизма в биологических тканях, в том числе биоэлектрическую активность сердца, мозга, мышц, систем кровоснабжения, лимфосистемы в различные периоды времени. В современной медицине преобладают методы морфологической структурной диагностики, вершина которых современный томограф, позволяющий наглядно выявить место дисфукции организма. Однако задолго до возникновения нарушений в саморегулирующейся системе должно нарушаться ее функционирование. Выявить, где и в какой степени произошли функциональные изменения, – задача создания новой аппаратуры и методов, предназначенных для ранней функциональной диагностики. Кроме того, современная аппаратура и методы позволяют индивидуально контролировать и корректировать ход лечебных процедур с целью восстановления устойчивого функционирования организма, т.е. эффективного излечения пациента.

Таким образом, открываются принципиально новые возможности выявления патологии на самых ранних стадиях путем создания специализированных банков функциональных изображений - предвестников патологии, т.е. набора статистических данных зависимости определенных изменений волновых излучений органа от нарушения его функции. Речь идет о новой, наиболее естественной, эффективной и абсолютно безопасной медицинской технологии. Области применения этой новой аппаратуры и технологии охватывают практически всю медицину - от пренатальной до геронтологии.

Возможности естественного функционального мониторинга по собственным динамическим изображениям организма незаменимы: при реанимации, в реабилитационных клиниках, в геронтологических клиниках, при испытаниях фармпрепаратов, при оптимизации дозировки фарма- и физиотерапии.

В ходе диагностики и лечения практически всех заболеваний наиболее существенный интерес для медиков представляет температура, ее распределение и динамика изменений по поверхности тела человека. Одним из наиболее распространенных приборов, позволяющих визуализировать температурные поля человека, является, например, инфракрасный тепловизор (типа AGA, Радуга, ТВ-03 и др.). Такие приборы позволяют регистрировать, наблюдать и анализировать на экране монитора распределение температурных полей по поверхности кожи, основаны на приеме собственного теплового излучения тела человека в инфракрасном диапазоне длин волн. Инфракрасная термография уже применяется при диагностике различных видов онкологических, неврологических, сосудистых и других заболеваний на протяжении более 15 лет и здесь накоплен к настоящему времени значительный опыт в других ведущих медицинских учреждениях. Имеется значительный опыт также в проведении исследований и оценке радиотермографических изображений. Следует заметить, что применяемая обычно ИК-термография имеет дело в лучшем случае с набором статических изображений участков поверхности тела, либо непосредственно пораженных, либо являющихся зонами тепловой или рефлекторной проекции внутренних патологически измененных органов. Но в связи с сильным затуханием волн инфракрасного диапазона в теле человека не всегда достоверны. Все глубинные процессы могут находить отражение в температурных полях кожи только в результате действия тех или иных механизмов теплопередачи. Применение тепловизионной техники для лечения заболеваний неизвестно.

Для исследования температурных распределений в глубине тела необходимо применение приборов, принимающих собственное тепловое излучение человека на более длинных волнах, например в радиодиапазоне.

Принцип действия прибора для регистрации и визуализации глубинных тепловых полей тела человека - радиотермографа основан на приеме собственного теплового (планковского) излучения тела человека в дециметровом диапазоне длин волн. Основой прибора является высокочувствительный многоканальный приемник - радиометр, на входах которого подключены контактные антенны-аппликаторы. Антенны-аппликаторы устанавливаются на интересующей исследователя области тела или головы человека. Для эффективного приема сигналов антенны должны иметь хороший электродинамический контакт (малый коэффициент отражения) и быть согласованными по импедансу (волновому сопротивлению) с телом человека. Так как волновое сопротивление зависит от величины диэлектрической проницаемости вещества, а тело человека имеет усредненные значения диэлектрической проницаемости 40-60, то размеры антенн существенно уменьшаются относительно размеров для свободного пространства. Соответственно улучшается и разрешающая способность. Так, в частности, для длины волны в свободном пространстве 40 см длина волны в теле человека составляет 5-7 см. При этом можно получить разрешающую способность в 2,5-3,5 см.

Многоканальный радиотермограф представляет собой аппаратно-программный комплекс, состоящий из высокочувствительного приемника дециметрового диапазона волн (радиометра), комплекта антенн-аппликаторов (по числу каналов) с устройствами крепления на голове и теле человека, персонального компьютера типа IBM и пакета программного обеспечения. Передача информации с радиометра на компьютер осуществляется в цифровом виде через стандартный порт RS-232. В приборе предусмотрен светодиодный контроль качества установки антенн-аппликаторов на теле (голове) человека. Имеются датчики температуры кожи под антеннами и датчик комнатной температуры. Калибровка прибора производится путем установки всех антенн в термостат с физраствором. По двум температурам термостата вычисляются соответствующие коэффициенты для расчета температур по каждому каналу. Радиотермограф значительно сложнее и дороже тепловизора, не получил широкого распространения в клиниках страны и требует высококвалифицированных специалистов для его обслуживания.

Известны способ и устройство для исследования внутренних органов по патенту РФ №2071725. Недостаток - воздействие на организм вредного рентгеновского излучения.

Известен способ диагностики поверхностей биообъектов с использованием отраженной лучистой энергией по патенту РФ на изобретение №2086177, МПК 6 А 61 В 6/00, опубл. 10.08.97. Способ подразумевает воздействие на поверхность человека лазерного излучения и регистрацию отраженного излучения аппаратурой, содержащей компьютер и монитор. Недостатки этого способа: он применим только для исследования поверхности биологического объекта, для исследования внутренних органов не приспособлен. Устройство достаточно сложное и дорогостоящее, т.к. оно содержит кроме компьютера лазерный излучатель и фотоприемники.

Известны способ и устройство для исследования внутренних органов и тканей человека по патенту РФ на изобретение №2069063, прототип. Способ заключается в регистрации лазерного излучения, проходящего через исследуемый орган. Устройство содержит лазерный излучатель, фотоприемник, телекамеру и видеоблок (монитор).

Недостаток этого способа и устройства: сложность и высокая стоимость аппаратуры и воздействие на организм человека лазерным излучением.

Задачи создания изобретения:

1. Упрощение аппаратуры до уровня использования стандартных, серийно изготавливаемых блоков.

2. Исключение воздействия вредного излучения на организм человека.

Решение указанных задач достигнуто в способе исследования внутренних органов и тканей человека, заключающемся в регистрации теплового излучения при помощи радиотермографа, формировании его тепловизионного изображения в виде многоцветной тепловизионной картины на экране монитора для рассмотрения и разделения изображения на элементы матрицы температурных полей, тем, что регистрацию теплового излучения объекта исследования проводят в разных сеансах с определенной их периодичностью, полученные тепловизионные картины сохраняют в базе данных с указанием даты сеанса и приводят к одному масштабу, при рассмотрении на экране монитора тепловизионные картины демонстрируют в виде кадров последовательно с интервалом по времени, прямо пропорциональным промежутку времени между сеансами, и в случае, если этот промежуток времени больше 0,02 с, вставляют дополнительные кадры таким образом, чтобы частота смены кадров превышала 50 Гц, при этом для дополнительных кадров выполняют линейную интерполяцию цветовой гаммы в соответствии с цветами температуры элементов матрицы, сравнивают температуры соседних точек матрицы температурных полей, полученных в одном сеансе, и температуры одноименных точек матрицы температурных полей, полученных в разных сеансах, и определяют соответственно пространственный градиент температуры и градиент температуры во времени, данные о которых используют при диагностировании.

Температурные поля высокочувствительны даже к весьма малым (0,1...2 мг/мин) изменениям скорости кровотока. Локальные изменения кровотока в определенном объеме органа могут быть выявлены через интерпретацию температурных полей, фиксируемых тепловизором и нашим устройством.

Проведенные патентные исследования и анализ показали, что предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью. Изобретательский уровень обеспечивается тем, что новая совокупность существенных признаков, необходимая и достаточная для реализации способа, позволяет получить новые свойства: значительное повышение эффективности лечения и расширение функциональных возможностей способа, а именно обеспечить самолечение или лечение под контролем профессионала.

Сущность изобретения поясняется на чертежах: фиг.1-6, где:

на фиг.1 приведена принципиальная схема системы для реализации способа с применением тепловизора,

на фиг.2 приведена оптическая схема тепловизора,

на фиг.3 - схема подключения системы к Интернет,

на фиг.4 - программное обеспечение способа,

на фиг.5 и 6 - пример приведения в соответствие масштаба тепловизионного изображения исследуемого органа.

Устройство предназначено для визуализации исследуемого органа 1 с целью терапевтического воздействия на него и содержит тепловизор 2 (или радиотермограф), к которому подключен компьютер 3 (типа Пентиум) и монитор 4. Тепловизор 2 (фиг.2) содержит ИК (инфракрасные) объективы 5 и б, линейку фотоприемников 7, двустороннее сканирующее зеркало 8, линейку излучателей 9, коллимирующий объектив 10 и 11, два зеркальных элемента 12 и 13, два фокусирующих объектива 14, 15 и 16, 17, две пентапризмы 18 и 19, два окуляра 20, 21 и 22, 23, электродвигатель 24 с кривошипно-шатунным приводом на сканирующее зеркало. Линейка излучателей 9 выполнена в виде 64 элементной линейки светоизлучающих диодов зеленого цвета свечения, изготовитель ОКБ “Протон”, г. Орел. На выходе системы установлен фотоприемники 25 и 26 и электронный усилитель 27. Программное обеспечение компьютера 3 приведено на фиг.4. Компьютер 3 (типа Пентиум) содержит электронные компоненты компьютера 34 и программное обеспечение компьютера 35. Программное обеспечение компьютера 35 содержит операционную систему 36, программу диагностирования 37, программу формирования тепловизионного изображения 38, программу матрицы температур 39 и программу определения временных градиентов 40, программу определения пространственных градиентов 41.

На фиг.5 и 6 показано приведение тепловизионных изображений исследуемого органа 1, полученных в разные периоды времени Т₁ Т₂, к одному масштабу. Для этого определяют максимальные габариты органа А и В.

Соотношение размеров А и В будет являться коэффициентом масштабирования

К=А/В

Изображение, полученное в период времени Т₂, уменьшается в К раз.

Все тепловизионные изображения разбиваются на элементы 1, 2, 3...I...N по горизонтали и 1, 2, 3,...J,... М - по вертикали.

Каждый элемент матрицы в период времени t имеет температуру - Tijt. Эта матрица вводится в базу данных компьютера и постоянно в ней хранится и служит основным компонентом для формирования динамически изменяемой (по цветовой гамме тепловизионной картине исследуемого органа).

Тепловидением называется получение видимого изображения объекта на основании его собственного инфракрасного (теплового) излучения. Инфракрасные лучи невидимы для человека. Для их восприятия нужны специальные приборы - тепловизоры. Принцип устройства всех тепловизоров отчасти напоминает прибор ночного видения. Излучение при помощи линз проецируется на фотоприемник, который имеет избирательную чувствительность к определенной длине волны инфракрасного спектра. Принятое излучение вызывает изменение электрических свойств фотоприемника и усиливается электронным усилителем. Сигнал подвергается обработке (оцифровке) и передает информацию о температуре идентифицируемого объекта и каждой его части с точностью выше 0,1°С. Переданный на компьютер сигнал позволяет определить на экране монитора контуры биологического объекта и температуру его поверхности, при этом каждому значению температуры соответствует свой цвет на экране монитора.

При работе ИК объектив, состоящий из двух компонентов 5 и 6, каждый из которых содержит положительную линзу, фокусирует изображение на линейке фотоприемников 7 через одну сторону зеркала 8, сканирующего тепловую картину угловыми колебаниями от вращения электродвигателя 24 с кривошипно-шатунным приводом. Излучение от линейки излучателей 9 коллимируется объективом, состоящим из отрицательной линзы 10 и положительной линзы 11, через другую сторону зеркала 8, сохраняя равенство масштабов изображения по вертикали и горизонту. Параллельный пучок после объектива 10, 11 отражается от зеркальных элементов 12 и 13 и разделяется в разные стороны к объективам 14, 15, 16, 17, фокусируется ими, оборачивается в горизонтальной плоскости пентапризмами 18 и 19 и рассматривается через оккуляры 20, 21 и 22, 23, двумя глазами, при этом соотношение размеров выходного зрачка объектива 10, 11 и выходного зрачка объектива должно соответствовать Dвых≥Dвx.

При использовании компьютера излучение поступает на фотоприемники 25 и 26, а электрический сигнал на фотоэлектронный усилитель 27 и далее на порт компьютера 3. Компьютер 3 обрабатывает сигнал и формирует на экране монитора 4 (фиг.3) цветное изображение объекта. Если датчики измерили температуру, и она отличается для каждого из них хотя бы на 0,1°С, то изображение будет многоцветным.

Компьютер 3 (фиг.4) может быть через модем 28, линию связи 29, сеть Интернет 30 подключен к модемам 32 и далее к компьютерам учреждений 33, установленным на территории медицинских учреждений 31. Под медицинскими учреждениями 31 понимаются институты, клиники, лаборатории, консультационные пункты и т.д.

ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА

Пример 1

Пациент А, 47 лет, в течение 2 лет исследовался на тепловизоре с периодичностью 1 раз в месяц. Объект исследования - сердце. Отмечено стойкое снижение средней температуры сердца на 0,4°С. Исследования другими, традиционными методами показали развитие инфаркта миокарда.

Пример 2

Пациент С, 54 года, в течение 1 года с периодичностью в 1 месяц исследовал почки на тепловизоре. Отмечено стойкое снижение средней температуры левой почки на 0,7°С. Диагноз, поставленный традиционными методами, - острая почечная недостаточность.

Пример 3

При недостаточном собственном опыте врач, работающий на компьютере 3, через сеть Интернет передает тепловизионное изображение тыльной стороны руки исследуемого (пациента) на компьютер 33 медицинского учреждения (или ведущих специализированных медицинских учреждений регионального или международного значения для консультации со специалистами самой высокой квалификации, работающими в клиниках других городов страны или за рубежом) и практически немедленно получает обратно через Интернет ответ по любому, интересующему его вопросу. Консультант руководствуется при диагностировании не только словесным описанием признаков заболевания, но и объективными физическими измерениями, не зависимыми от субъективного восприятия.

Применение изобретения позволило:

1. Повысить точность диагностирования за счет многократного проведения исследований и анализа тепловизионной картины в динамике.

2. Обеспечить качественную картину градиента температур во времени и ее визуализацию в виде фильма на экране монитора персонального компьютера.

3. Применять стандартную серийно-выпускаемую промышленностью всех стран мира аппаратуру: тепловизор любой марки и персональный компьютер типа Пентиум любой конфигурации.

4. Устранить воздействие на человека любых электромагнитных излучений, в том числе лазерного или рентгеновского.

Изобретение относится к области медицины. Способ исследования внутренних органов и тканей человека заключается в регистрации теплового излучения при помощи фотоприемника и формировании его тепловизионного изображения в виде многоцветной тепловизионной картины на экране монитора. Изображение разделяют на элементы матрицы температурных полей. Полученные при различных сеансах тепловизионные картины сохраняют в базе данных с указанием даты сеанса и приведением к одному масштабу, а при рассмотрении на экране монитора тепловизионные картины демонстрируют в виде кадров последовательно с интервалом времени между кадрами, прямо пропорциональным времени между сеансами. В случае, если этот промежуток времени оказывается более 0,02 сек, то вставляют дополнительные кадры таким образом, чтобы частота смены кадров превышала 50 Гц, при этом для дополнительных кадров выполняют линейную интерполяцию цветовой гаммы путем линейной интерполяции соответствующей этим цветам температуры матрицы. Сравнивают температуры одноименных элементов матрицы температурных полей, полученных в разных сеансах для определения временного градиента, а также сравнивают температуры соседних точек матрицы температурных полей, полученных в одном сеансе для определения пространственного градиента температур. Эти данные используют при диагностировании. Способ обеспечивает повышенную точность результатов исследования. 6 ил.

Способ исследования внутренних органов и тканей человека, заключающийся в регистрации теплового излучения при помощи радиотермографа, формировании его тепловизионного изображения в виде многоцветной тепловизионной картины на экране монитора для рассмотрения и разделения изображения на элементы матрицы температурных полей, отличающийся тем, что регистрацию теплового излучения объекта исследования проводят в разных сеансах с определенной их периодичностью, полученные тепловизионные картины сохраняют в базе данных с указанием даты сеанса и приводят к одному масштабу, при рассмотрении на экране монитора тепловизионные картины демонстрируют в виде кадров последовательно с интервалом по времени, прямо пропорциональным промежутку времени между сеансами, и в случае, если этот промежуток времени больше 0,02 с, вставляют дополнительные кадры таким образом, чтобы частота смены кадров превышала 50 Гц, при этом для дополнительных кадров выполняют линейную интерполяцию цветовой гаммы в соответствии с цветами температуры элементов матрицы, сравнивают температуры соседних точек матрицы температурных полей, полученных в одном сеансе, и температуры одноименных точек матрицы температурных полей, полученных в разных сеансах, и определяют соответственно пространственный градиент температуры и градиент температуры во времени, данные о которых используют при диагностировании.