УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ САМОПРОИЗВОЛЬНЫХ ДВИЖЕНИЙ ГОЛОВЫ ПАЦИЕНТА ПРИ ЛЕЧЕНИИ ТРЕМОРА ГОЛОВЫ МЕТОДОМ ФОКУСИРОВАННОГО УЛЬТРАЗВУКА ПОД КОНТРОЛЕМ МРТ Российский патент 2024 года по МПК A61B5/00 A61B90/14 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области медицины и медицинской техники, в частности к неврологии, и может быть использовано при процедуре лечения тремора головы методом фокусированного ультразвука под контролем МРТ.

Предпосылки создания изобретения

Лечение фокусированным ультразвуком под контролем МРТ (МРФУЗ, MRgFUS) это неинвазивная операция, в которой используются фокусированные «лучи» ультразвука, направленные на цель. В настоящее время MRgFUS может применяться для лечения миомы матки, рака предстательной железы, метастатических опухолей костей, опухолей головного мозга, тремора, вызванного болезнью Паркинсона и эссенциального тремора.

В статье Blaabjerg M (Blaabjerg M, Pedersen CB, Andersen MS, Grønhøj MH, Krone W, Bode M, Poulsen FR. [MR-guided focused ultrasound for treatment of essential tremor]. Ugeskr Laeger. 2020 Jan 20;182(4):V09190533. Danish. PMID: 32052733) описываются возможности использования фокусированного ультразвука для лечения эссенциального тремора путем воздействия на определенные области в таламусе с небольшими побочными эффектами и ограниченным риском для пациента. Процедура лечения фокусированным ультразвуком под контролем МРТ является передовым методом неинвазивного лечения пациентов с тремором.

Для этого голова пациента жестко фиксируется стереотаксическим шлемом, который защищает голову от смещений во время процедуры, пациент укладывается в аппарат МРТ. Суть метода заключается в воздействии фокусированным ультразвуком на рассчитанные точки головного мозга пациента. Расположение точек воздействия известно, но у каждого человека есть небольшие отклонения. При проведении процедуры лечения, рассчитанную точку в мозге пациента, виновную в треморе, нагревают и проверяют не выключились ли какие-то нужные функции, например, нет ли онемения на теле и все ли движения сохранены, а также убедиться, что тремор прошел. Определение отключения тремора определяется визуальными методами наблюдения за пациентом, например, для контроля тремора руки, пациент вытягивает руки перед собой. При этом голова пациента продолжает быть жестко закрепленной стереотаксическим шлемом, и пациент находится на столе аппарата МРТ. Если точка выбрана правильно, производится лечебное воздействие фокусированным ультразвуком для закрепления результата.

Например, для проведения лечения фокусированным ультразвуком двигательных нарушений может используется шлем, разработанный компанией INSIGHTEC, который представляет собой матрицу с встроенными 1024 пьезокерамическими элементами, каждый из которых излучает ультразвуковые волны. Шлем оснащен интеллектуальным алгоритмами, которые позволяют осуществлять точную фокусировку ультразвуковой волны на цели в глубине мозга через череп человека. Мощные ультразвуковые волны проходят через сильно поглощающий их череп, доставляя достаточную акустическую энергию для нагревания “мишени” до желаемой температуры под контролем МРТ. Шлем фокусированного ультразвука является прорывной инновационной технологией, созданной, чтобы человек, сняв его, уверенно держал в руке предметы, которые за несколько часов до этого не мог удержать.

На сегодняшний день, метод фокусированного ультразвука под контролем МРТ, применяется только для лечения тремора конечностей: рук и ног. При этом остается актуальной проблема лечения тремора головы. Диагноз “тремор головы” врачи ставят пациентам, у которых было замечено дрожание этой части тела. Непроизвольные сокращения мышечных тканей могут являться следствием различных нарушений, которые присутствуют в организме. Метод фокусированного ультразвука под контролем МРТ не может быть применен для лечения тремора головы, так как невозможно визуально определить движения зафиксированной головы пациента (методика подразумевает жесткое крепление головы пациента) при пробном воздействии фокусированного ультразвука. В то время как при лечении тремора рук и ног присутствие тремора визуально определяется по движению конечностей пациента в режиме реального времени.

Существующие способы оценки тремора головы, фиксированной в стереотаксическом шлеме, не удовлетворяют новым требованиям совместимости с инновационными МРТ, оказывая влияние на вывод видеосигнала в виде шумов, наводящими помехами от электрической проводной системы, повышая риск проведения точных процедур операции, или делают проведение операции невозможной.

Таким образом, существует потребность в усовершенствовании конструкции шлемов, чтобы возможно было определить самопроизвольный тремор головы, жестко фиксированной в стереотаксическом шлеме, при проведении лечения тремора головы фокусированным ультразвуком под контролем МРТ.

Из уровня техники известна методика определения движений головы, основанная на регистрации и визуализации упругих напряжений элементов конструкции стереотаксического шлема или мышц шейного отдела на теле пациента, вызванных самопроизвольными движениями головы пациента (US6533793 B1, опубл. 18.03.2003). Данный способ определения напряжений использует тензодатчики, которые крепятся на опорные элементы стереотаксического шлема, которые передают сигнал по электрическим проводам (витым экранированным парам) до зоны размещения интерфейса и монитора оператора.

Данный способ измерения напряжений в конструктивных элементах стереотаксического шлема имеет серьезный недостаток: при использовании передачи данных с тензодатчика электрической связью возникают «шумы» или помехи, ухудшающие вывод видеоинформации МРТ, особенно на новейших современных МР томографах, что делает невозможным применение тензодатчиков, либо приводит к необходимости новых дополнительных разработок мероприятий для исключения помех.

Следовательно, существует потребность в создании усовершенствованного устройства для определения и визуализации движения зафиксированной головы пациента при треморе головы. Решению этой проблемы и посвящена настоящая заявка.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретение является разработка совместимого с процедурой МРТ устройства для визуализации тремора головы при ее жесткой фиксации в стереотаксическом шлеме.

Техническим результатом настоящего изобретения является разработка устройства для определения в режиме реального времени с высокой частотой дискретизации самопроизвольных движений головы пациента, жестко фиксированной в стереотаксическом шлеме, при лечении тремора головы методом фокусированного ультразвука под контролем МРТ.

Технический результат обеспечивается за счет того, что устройство для определения самопроизвольных движений головы пациента, жестко фиксированной в стереотаксическом шлеме, с помощью пьезооптического преобразователя давления при лечении тремора головы методом фокусированного ультразвука под контролем МРТ, включает сенсор упругих деформаций, интегрированный в корпус фиксирующего опорного винта, расположенного по меньшей мере на одной из вертикальных стоек стереотаксического шлема; находящиеся вне зоны МРТ источник света для генерации света и средство прием и регистрации данных, получаемых с сенсора упругих деформаций; при этом сенсор упругих деформаций включает расположенный вдоль оси корпуса фиксирующего опорного винта упорный шток, один конец которого упирается в кость черепа пациента, а другой - в фотоупругий чувствительный элемент, установленный в головке корпуса фиксирующего упорного винта; причем перпендикулярно оси упорного штока и фотоупругого чувствительного элемента расположены оптический коннектор для подключения оптического волокна для подвода светового луча к фотоупругому чувствительному элементу и оптический коннектор для подключения двух оптических волокон для регистрации света, прошедшего через фотоупругий чувствительный элемент, при этом все три оптических волокна соединены с другой стороны с источником света и со средством приема и регистрации данных.

При этом оптический коннектор для подвода светового луча к чувствительному фотоупругому элементу выполнен с возможностью подвода светового луча от источника света через оптическое волокно, фазовую четверть волновую пластинку и поляризатор. А оптический коннектор для регистрации света, прошедшего через чувствительный фотоупругий элемент, выполнен с возможностью сбора проходящего света через чувствительный фотоупругий элемент через анализатор с выводом для двух оптических волокон с каждой из площадок анализатора, идущих параллельно друг другу.

При этом анализатор выполнен в виде двух ортогонально направленных поляризационных пленок.

Кроме того, упорный шток является сменным элементом.

Кроме того, вертикальная стойка и опорный винт стереотаксического шлем, фотоупругий чувствительный элемент, оптические коннекторы и упорный шток выполнены из немагнитных материалов.

Кроме того, оптическое волокно является одномодовым или многомодовым.

Краткое описание рисунков

Цели, особенности и преимущества данного изобретения станут более очевидными после обращения к следующему описанию и приложенным чертежам, на которых изображено:

На Фиг.1 изображены разрезы сенсора упругих деформаций, интегрированный в корпус фиксирующего опорного винта, расположенного на вертикальной стойке стереотаксического шлема.

На фиг. 2 изображен вид сверху сенсора упругих деформаций и его разрез.

На фиг. 3 представлен вид собранного сенсора упругих деформаций, интегрированного в конструкцию стандартного стереотаксического шлема и его разрез.

На фиг. 4, 5 представлены вариант используемого стереотаксического шлема с четырьмя вертикальными стойками, на которых могут быть расположены сенсоры упругих деформаций (фиг. 4 - вид без сенсоров, фиг. 5 - вид с сенсорами).

Подробное описание предлагаемого изобретения

Несмотря на то, что изобретение описано со ссылкой на раскрываемые варианты воплощения, для специалистов в данной области должно быть очевидно, что конкретные подробно описанные варианты приведены лишь в целях иллюстрирования настоящего изобретения, и их не следует рассматривать как каким-либо образом ограничивающие объем изобретения. Должно быть понятно, что возможно осуществление различных модификаций без отступления от сути настоящего изобретения.

Настоящее изобретение в целом относится к устройству для определения самопроизвольных движений головы пациента, жестко фиксированной в стереотаксическом шлеме, при лечении тремора головы методом фокусированного ультразвука под контролем МРТ. Предпочтительный вариант осуществления изображен на фиг. 1.

В конструкционные элементы стандартного стереотаксического шлема интегрирован сенсор упругих деформаций пьезооптического преобразователя давления. В качестве сенсора упругих деформаций используется пьезооптический датчик, не содержащий магнитных материалов, электропроводов и не оказывающий влияние на работу МРТ. Интеграция пьезооптического датчика позволяет уловить мышечные сокращения при фиксированной голове, чего не может тензометр, поскольку его чувствительность для этого недостаточная.

Стандартный стереотаксический шлем имеет несущую раму, на которой зафиксирована по меньшей мере одна вертикальная стойка 1 своей нижней частью, например, поджимными гайками. В верхней части вертикальная стойка 1 снабжена резьбой для установки фиксирующего опорного винта 2, в корпус которого интегрирован сенсор упругих деформаций. Интеграция сенсора упругих деформаций в опорный винт позволяет улавливать деформации непосредственно в самой зоне их возникновения, исключая помехи всей конструкции, а также исключает косвенные упругие деформации конструктива стереотаксического шлема. Сенсор включает упорный шток 3, расположенный внутри корпуса фиксирующего опорного винта 1 вдоль его продольной оси по всей его длине и выходящий за его длину с одной стороны для контакта с костью черепа пациента. С другой стороны упорный шток 3 упирается в фотоупругий чувствительный элемент 4 и находится с ним в плотном контакте. Фотоупругий чувствительный элемент 4 установлен в головке опорного винта 2.

Упорный шток является взаимозаменяемым, сменным элементом и выбирается из комплекта штоков индивидуально под каждого пациента. Упорный шток является стерильным элементом.

К обеим сторонам фотоупругого чувствительного элемента 4 перпендикулярно оси упорного штока 3 подсоединяют оптические коннекторы 5, 6, которые предназначены для подсоединения оптических магистралей в виде оптического волокна к фотоупругому чувствительному элементу 4. Один из оптических коннекторов 6 предназначен для подвода светового луча к фотоупругому чувствительному элементу 4 через оптическое волокно, фазовую четверть волновую пластинку 7 и поляризатор. Другой из оптических коннекторов 5 выполнен с возможностью сбора проходящего через фотоупругий чувствительный элемент 4 света. В коннектор 5 встроен анализатор (две ортогонально направленные поляризационные пленки) с выводом для двух оптических волокон с каждой из площадок анализатора, идущих параллельно друг другу.

Все элементы устройства, изготовлены из немагнитных материалов, таких как полимеры цветных металлов (например, полиамид) и их сплавов (например, дюраль или латунь), а также других немагнитных материалов (например, карбон). Чувствительный элемент выполнен из прозрачного полимера или кварца. Упорный шток выполнен из титана. Это позволяет использовать устройство в зоне работы аппарата МРТ.

В качестве оптических волокон могут использоваться как одномодовые, так и многомодовые волокна. Оптические волокна после подключения через оптические коннекторы 5,6 к фотоупругому чувствительному элементу 4 сенсора выводятся из зоны действия магнитного поля аппарата МРТ в комнату управления (операторскую), находящуюся вне зоны действия МРТ. В данной комнате управления находится источник света для генерации света, доставляемого с помощью оптического волокна через коннектор 6 к фотоупругому чувствительному элементу 4, средство приема и регистрации данных, получаемый с сенсора с помощью двух оптических волокон через коннектор 5 со встроенным анализатором.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Голова пациента жестко фиксируется в стереотаксическом шлеме. Опорный винт резьбовой частью вкручивается в специальное отверстие в верхней части вертикальной стойки стереотаксического шлема таким образом, что упорный шток сенсора упругих деформаций упирался в костью черепа пациента. Пьезооптический преобразователь давления предназначен для регистрации напряжений на фотоупругом чувствительном элементе сенсора упругих деформаций с высокой чувствительностью, Напряжения вызваны упругими деформациями упорного штока от давления головы на него, что позволяет определить движения зафиксированной головы пациента при пробном воздействии фокусированного ультразвука. Известно, что пьезооптические преобразователи, используемые для измерения деформаций (напряжений), обладают наибольшей чувствительностью по сравнению с другими, например, с тензорезистивными.

От источника света, расположенного в операторской, по оптическому волокну свет доставляется в зону действия МРТ до фотоупругого чувствительного элемента через поляризатор, четверть волновую пластину, проходит через фотоупругий чувствительный элемент и через анализатор по двум оптическим волокнам с каждой из площадок анализатора поступает на двухплощадочный фотоприемник, расположенный в операторской. Информация о присутствии тремора или его остановке при пробном воздействии фокусированным ультразвуком на рассчитанные точки головного мозга пациента при проведении процедуры лечения тремора головы фокусированным ультразвуком под контролем МРТ визуализируется выходным сигналом с сенсора упругих деформаций по величине его амплитуды, которая пропорциональна величине напряжений от упругих деформаций упорного штока, вызванных тремором головы.

В некоторых вариантах реализации, возможно применение нескольких сенсоров упругих деформаций, установленных на конструкционные элементы стереотаксического шлема. При этом визуальная информация отображается с сенсора независимо и параллельно что позволяет более точно контролировать состояние пациента и минимизирует возможность ошибки при проведении процедуры лечения.

В комнате управления (операторской), за пределами действия магнитного поля аппарата МРТ, оптоволоконные кабели подключаются к аналого-цифровому преобразователю, который подключен через интерфейс к персональному компьютеру с установленным специальным программным обеспечением. На персональном компьютере полученные данные графически визуализируются в режиме реального времени и сохраняются посредством специального программного обеспечения.

Таким образом, данные, полученные от сенсора упругих деформаций, транслируются в операторскую на монитор в реальном времени с сохранением операционного протокола: в виде графика амплитуды и частоты тремора до операции и после, отображая результат. Монтаж связи с оператором не требует сложных, дорогостоящих работ, исключает возможные магнитные и электрические помехи и не требует затрат по экранированию линии передачи данных для снижения уровня «шума». Заявляемое устройство позволяет в режиме реального времени с высокой частотой дискретизации (до 5000 измерений в секунду и более) графически визуализировать движения головы пациента, жестко зафиксированной стереотаксическим шлемом.

Изобретение относится к медицине. Устройство для определения самопроизвольных движений головы пациента с помощью пьезооптического преобразователя давления, включающее сенсор упругих деформаций, источник света для генерации света и средство приема и регистрации данных, получаемых с сенсора упругих деформаций, сенсор упругих деформаций включает расположенный вдоль оси корпуса фиксирующего опорного винта упорный шток, один конец которого упирается в кость черепа пациента, а другой - в фотоупругий чувствительный элемент, установленный в головке корпуса фиксирующего упорного винта. Техническим результатом изобретения является разработка устройства для определения в режиме реального времени с высокой частотой дискретизации самопроизвольных движений головы пациента, жестко фиксированной в стереотаксическом шлеме, при лечении тремора головы методом фокусированного ультразвука под контролем МРТ. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для определения самопроизвольных движений головы пациента, жестко фиксированной в стереотаксическом шлеме, с помощью пьезооптического преобразователя давления, включающее

сенсор упругих деформаций, интегрированный в корпус фиксирующего опорного винта, расположенного по меньшей мере на одной из вертикальных стоек стереотаксического шлема,

находящиеся вне зоны МРТ источник света для генерации света и средство приема и регистрации данных, получаемых с сенсора упругих деформаций,

при этом сенсор упругих деформаций включает расположенный вдоль оси корпуса фиксирующего опорного винта упорный шток, один конец которого упирается в кость черепа пациента, а другой - в фотоупругий чувствительный элемент, установленный в головке корпуса фиксирующего упорного винта,

причем перпендикулярно оси упорного штока и фотоупругого чувствительного элемента расположены оптический коннектор для подключения оптического волокна для подвода светового луча к фотоупругому чувствительному элементу и оптический коннектор для подключения двух оптических волокон для регистрации света, прошедшего через фотоупругий чувствительный элемент,

при этом оптическое волокно для подвода светового луча с одной стороны соединено с источником света, а два оптических волокна для регистрации света с другой стороны соединены со средством приема и регистрации данных.

2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что оптический коннектор для подключения оптического волокна для подвода светового луча к чувствительному фотоупругому элементу выполнен с возможностью подвода светового луча от источника света через оптическое волокно, фазовую четвертьволновую пластинку и поляризатор.

3. Устройство по п. 2, характеризующееся тем, что оптический коннектор для подключения двух оптических волокон для регистрации света, прошедшего через чувствительный фотоупругий элемент, выполнен с возможностью сбора проходящего света через чувствительный фотоупругий элемент через анализатор с выводом для двух оптических волокон с каждой из площадок анализатора, идущих параллельно друг другу.

4. Устройство по п. 3, характеризующееся тем, что анализатор выполнен в виде двух ортогонально направленных поляризационных пленок.

5. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что упорный шток является сменным элементом.

6. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что вертикальные стойки и опорный винт стереотаксического шлема, фотоупругий чувствительный элемент, оптические коннекторы и упорный шток выполнены из немагнитных материалов.

7. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что оптическое волокно является одномодовым или многомодовым.