Способ распознавания объекта при лазерной литотрипсии с использованием алгоритма цифровой обработки отраженного от него света Российский патент 2024 года по МПК A61B5/00 A61B18/26 

Область техники

Изобретение относится к способам распознавания объекта в организме по спектру отражения объектом электромагнитного излучения, а именно света, причем распознают объект в хирургических операциях лазерной литотрипсии, а именно камень и/или мягкая ткань (плоть), после числовой обработки светового сигала на основании анализа алгебраической суммы его характерных участков.

Предшествующий уровень техники

При выполнении лазерной эндоскопической хирургической операции по литотрипсии проблемным местом всегда является не только визуальное наблюдение места зоны операции хирургом, но и способ защиты мягких тканей от нежелательного воздействия лазерного излучения при неточном наведении луча на камень. Поэтому, способу распознавания объекта уделяют много внимания и разрабатывают определенные алгоритмы для достоверности наведения лазерного луча на разрушаемый объект -конкремент, например, в виде камня. Кроме того, в дополнение к телеметрической информации, которой обладает хирург визуально наблюдая объект, алгоритмы идентификации дублируют визуальный канал и способствуют более точному наведению на конкремент и тем самым уменьшает зону повреждения мягких тканей в хирургической области. При использовании лазерного излучения в хирургических операциях по дефрагментации камней в мочевом пузыре, мочеточниках, почках, или в желчных протоках и желчном пузыре, одним из основных принципов является сохранность здоровых мягких тканей в области лазерного воздействия. Разрушение камня достигается за счет поглощения энергии лазерного излучения, при этом желательно минимизировать воздействие на прилегающие мягкие ткани.

Спектральный анализ отраженного объектом света может давать информацию как о рассеивающих, так и о поглощающих его свойствах. Основными поглотителями в большинстве мягких биологических тканях являются оксигемоглобин (HbO2), дезоксигемоглобин (Hb), вода и липиды. Области спектров поглощения оксигемоглобина (λ1=542 нм, λ2=577 нм) и дезоксигемоглобина (λ=555 нм) играют доминирующую роль при анализе оптических спектров. Гемоглобин является одним из основных хромофоров в видимой области спектра в большинстве тканей слизистых оболочек, в том числе и в тканях различных отделов мочевыводящих путей (мочевой пузырь, мочеточник, почка), в то время как в камнях гемоглобина не содержится. Таким образом, по наличию поглощения света в области указанных длин волн в спектрах отраженного света можно идентифицировать объект засветки и распознать твердую ткань в окружении мягкой.

Известен метод контактной лазерной литотрипсии. В частности, этот метод соединяет в себе эндоскопический метод удаления камней из почек и лазеротерапию. Эндоскоп проводится через уретру и мочеточник к камню. После этого активируется лазер, который позволяет как фрагментировать, так и распылять камни с высокой эффективностью вне зависимости от их плотности и состава. Однако повреждение мягких тканей в области засветки является побочным, крайне нежелательным эффектом. Степень повреждения мягких тканей при лазерном облучении определяется его мощностью, длиной волны и длительностью воздействия импульсного или непрерывного режима работы лазера. С лучшей стороны себя зарекомендовали гольмиевые и тулиевые лазеры с длиной волны около 2 мкм. Глубина проникновения в мягкие ткани такого излучения составляет десятки долей миллиметра. Определяется это тем, что мягкие ткани содержат воду -основной поглотитель излучения на 2 мкм. С другой стороны, если применять лазерное излучение с длиной волны около 1 мкм, то глубина проникновения существенно возрастает до 1 см, что может приводить к глубинным повреждениям ткани. Важную роль играет точность наведения на объект облучения - камень. Как правило, для визуализации и наведения оптоволоконного излучателя, направляемого и подводимого к камню, применяют внешний мониторинг (например, ультразвуковой или непосредственное видеонаблюдение со встроенного в эндоскоп видеоустройства). После визуализации камня производят его облучение лазерным излучением, чем и достигается его дробление в результате поглощения лазерной энергии. Однако подобная процедура зависит от навыков персонала и не исключает случайного фактора поражения мягких тканей, что является существенным недостатком процедуры.

Предложен способ дробления почечных камней с использованием фемтосекундного лазера: US 20110218524А1, Giorgio CATTANEO, METHOD AND APPARATUS FOR LASER-BASED SURGERY AND TREATMENT. Автор утверждает, что лазерные импульсы длительностью до 100 фс не вызывают побочных эффектов, ожогов мягких тканей из-за малого времени воздействия. Это утверждение в общем случае неверно. Во многом, степень повреждение определяется длиной волны излучения лазера и мощностью импульса, а точнее глубиной проникновения в мягкие ткани, как это было указано выше. Для точного наведения излучателя в виде объектива с подвижной линзой для фокусировки излучения, используют оптическую обратную связь. При этом часть излучения, отраженного от камня или от мягких тканей, попадает обратно в объектив и анализируется на спектрофотометре. Автор утверждает, что длина волны отраженного излучения зависит от химического состава отражающего объекта. Поэтому, путем анализа характерного для облучаемого твердого объекта спектра отражения можно достоверно утверждать, что объектив наведен куда надо, путем анализа химического состава объекта. Но для того, чтобы при выполнении спектрального анализа не повредить ткань, ее засветку проводят при пониженной мощности излучения лазера и фокусировке излучения с помощью подвижной оптической системы линз. Недостатком такого способа является необходимость перестройки лазера посредством управляющей аппаратуры, и это необходимо выполнять после каждого мощного импульса, что технически является сложной и не оптимальной процедурой, с технической точки зрения. Кроме того облучение мягких тканей лазерным излучением даже пониженной мощности может вызвать ее повреждение. О степени достоверности наведения луча лазера на камень речь даже не идет.

В публикации US2021038304 (А1) - Раскрыты системы, устройства и способы для идентификации различных типов структур с различным составом in vivo и соответствующей регулировки мощности хирургического лазера в медицинской процедуре литотрипсии. Система лазерной обработки содержит лазерную систему, выполненную с возможностью генерирования лазерного луча для доставки к мишени в теле - конкременту, и схему контроллера, выполненную с возможностью приема светового сигнала, отраженного от мишени, создаваемого, в частности, источником света. Анализируют одно или более спектроскопических свойств из отраженного сигнала, без уточнения какого. Лазерной системой можно управлять для работы в рабочем режиме, основанном на идентификации цели. Тем не менее авторы не приводят критерия достоверности распознавания камня в апертуре лазерного волокна и, тем более, в присутствии мягкой ткани.

Поэтому, разработка малоинвазивного безопасного лазерного способа дефрагментации камней в организме с надежной системой идентификации облучаемого объекта, не требующего сложного спектрального анализа отраженного излучения и повышающего безопасное применение лазера является важной и актуальной задачей.

Указанных выше недостатков лишено предлагаемое изобретение.

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является повышение безопасности лазерной литотрипсии за счет применяемого критерия распознавания камня в апертуре лазерного луча во время хирургической операции. При этом достигается технический результат - повышение безопасности применения лазера при литотрипсии в реальном времени при минимизации возможности повреждения мягких тканей, и достижение более высокой эффективности методики дефрагментации камней за счет более достоверного наведения лазерного луча на камень после числовой обработки отраженного от него светового сигала на основании предложенного критерия.

В изобретении предлагается способ распознавания объекта - камня и/или мягкой биологической ткани во время хирургической операции лазерной литотрипсии, состоящий в анализе отраженного от них света используемого источника, отличающийся тем, что осуществляют прием отраженного света посредством лазерного волокна, наведенного на объект в отсутствии лазерного излучения, регистрируют уровни отраженного от объекта света по меньшей мере на двух длинах волн I(λ1) и I(λ2) и вычисляют их нормированные значения по отношению к предварительно измеренным уровням света, на соответствующих длинах волн I_o(λ1) и I_o (λ2) упомянутого источника при отражении от эталонного тела до проведения операции, как логарифм их отношения

где i=1-2 - порядковый номер длины волны λ_i;

далее для разделения на два класса объектов: камень или мягкая ткань используют алгоритм обработки данных вида (1) по определенному критерию распознавания камня в апертуре лазерного волокна, основанному на сравнении весовых слагаемых алгебраической суммы нормированных сигналов (1):

где - весовые числовые коэффициенты;

если данное условие выполняется, то волокно направлено на мягкую ткань, если нет - на камень.

Другие преимущества и отличительные особенности предложенного изобретения станут очевидными из нижеследующего описания предпочтительных вариантов его осуществления, приведенных со ссылкой на прилагаемые чертежи, что иллюстрируется ниже на фигурах и в их кратком описании.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. Схема приема лазерным волокном 4 обратно отраженного света 2 от объекта 10 при освещении его источником света 3 в зоне хирургического лазерного воздействия 11.

Фиг. 2. Схематичное изображение эндоскопа 9 с хирургическим лазерным волокном 4.

Фиг. 3. Исходные оптические спектры отраженного от объекта света в логарифмическом масштабе: 12 - спектр источника света (осветителя), 13 -спектр отраженного от камня света, 14 - спектр отраженного от мягкой ткани света.

Фиг. 4. Нормированные спектры от объекта I*, по отношению к спектру осветителя Io фиксированной мощности (уровню засветки):

15 - нормированный спектр отражения света от камня,

16 - нормированный спектр отражения света от плоти,

17 - нормированный спектр отражения света от камня и плоти в равной доли присутствия в апертуре лазерного волокна.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 представлен объект 1 под действием облучаемого света 2, излучаемого волоконным световодом 3 светом от источника 5, когда лазерное излучение, формируемое лазером 6 и доставляемое по волокну 4, выключено. В отсутствии лазерного излучения, по лазерному волокну 4, отраженный от объекта 1 свет, попадая в апертуру лазерного волокна, поступает в спектральное фотоприемное устройство (спектранализатор) 7 и далее в контроллер 8, сопряженный с вычислительным цифровым программируемым устройством для обработки данных по принятому алгоритму путем вычисления критерия (2). После такой обработки, в контроллер 8 поступает управляющая команда на включение или выключения лазера. Эта команда дублирует визуализацию камня 10 (фиг. 2) хирургом и помогает ему минимизировать область 11 хирургического повреждения мягкой ткани в окрестности камня.

Существенно, что в качестве источника света 5 используют источник с непрерывным спектром в диапазонах длин волн критерия (2). Пример такого спектра 12 приведен на фиг. 3. Источник может быть выполнен на основе светодиодов достаточно большой яркости, что положительно скажется на соотношении сигнал/ шум принимаемого фотоприемным устройством светогвого сигнала.

Алгоритм распознавания объекта предполагает определение весовых числовых коэффициентов критерия (2). Для этого лучше всего подходят области спектров поглощения оксигемоглобина (λ1=542 нм, λ2=577 нм) и дезоксигемоглобина (λ=555 нм), которые играют доминирующую роль при анализе оптических спектров, а также прилегающая к ним область интенсивного отражения света от камня 600-630 нм. Для случая, когда в анализе используют две длины волны λ1 и λ2 числовые коэффициенты находят имперически (или с использованием известных методов линейной регресии [1]) при моделировании на эталонном объекте в лабораторных условиях, при освещении его источником со спектром аналогичным спектру источника в хирургическом инструменте. Объектом может служить поверхность, например, матового стекла или тефлона. Для приведенных на фиг 1 спектров установлены следующие весовые числовые коэффициенты для двух длин волн: 575±5 и 600±5 нм, и соответствующие им весовые коэффициенты: λ_i ∈(575, 600}, w₅₇₅=+1, w₆₀₀=-1, с=-0.13. Очевидно, что по свойству любого неравенства они могут быть изменены пропорционально умножением на любое действительное число, кроме нуля.

Существенно, что критерий (2) вычисляют в диапазоне длин волн: 540-630 нм.

Существенно, что в указанном диапазоне длин волн вычисляют критерий (2) при двух длинах волн: 575±5 и 600±5 нм и соответствующие им весовые числовые коэффициенты, например:

В процессе хирургической операции по литотрипсии проводят диагностику наличия камня в апрертуре лазерного волокна. Для этого осуществляют прием по лазерному волокну 4 отраженного света при засветке объекта источником света 5. Измеряют уровень отраженного света спектральным фотоприемным устройством (спекрофотометром или селективными фотодиодами) 7 на выбранных по меньшей мере двух длинах волн. Далее вычисляют соотношения (1), и по критерию (2) устанавливают на какой объект ориентировано лазерное волокно - на камень или мягкую ткань. Если на камень, то можно включить лазер и разрушить его. Ели на ткань, то это решает хирург по обстоятельствам операции (камень возможно нужно освободить от плоти его прикрывающей). При этом хирург может отключить данную систему защиты.

Для нахождения весовых коэффициентов для трех и более длин волн удобно использовать математические вероятностные методы классификации двух классов объекта, например, метод логистической регрессии [1]. Логистическая регрессия вычисляет вероятность того, что данное исходное значение принадлежит к определенному классу. Она используется для задач классификации: оценивает апостериорные вероятности принадлежности данного объекта к тому или иному классу (мягкая ткань или камень). Далее если выбрать порог вероятности принадлежности к одному из классов (обычно это 50%), то граница между классами будет описываться гиперплоскостью, уравнение которой будет задаваться коэффициентами регрессии, то есть весовыми числовыми коэффициентами в критерии (2).

До практического применения методики в хирургии на пациенте, проводят лабораторное моделирование ситуации на макете, чтобы найти характерные длины волн и классифицировать объект. Далее путем сбора и обработки данных световых сигналов от объектов в различных хирургических операциях, с целю расширения возможных ситуаций, проводят дополнительную коррекцию алгоритма распознавания и уточняют числовые параметры критерия (2) диагностики камня или мягкой ткани.

Также существенно, что в результате аналогичной процедуры для критерия (2), установлен набор из трех анализируемых длин волн в диапазонах: 550±5, 575±5 и 600±5 нм и соответствующие им числовые параметры, например: λ_i∈{550, 575, 600}, w₅₅₀ - 0,93, w₅₇₅=+1,

Описанный выше алгоритм, при реализации в вычислительном устройстве, позволяет по измеренным оптическим сигналам I* (1) вычислить критерий (2) и по знаку его числового значения установить тип объекта в апертуре лазерного волокна: камень - отрицательное значение критерия (2), мягкая ткань - положительное. В таблицах 1 и 2 приведены результаты вычисления критерия (2) для данных спектров отражения света представленных на фигуре 4 (исходные 12-14, фиг. 3). Как видно из таблиц в этом примере при отражении света, содержащего 10% света от камня и 90% от плоти, данный алгоритм распознает объект как камень.

Пример осуществления изобретения.

Апробация методики была осуществлена посредством применения тулиевого квазинепрерывного лазера мощностью до 60 Вт с длиной волны 1,93 мкм (FiberLase U2, НТО «ИРЭ-Полюс», РФ)¹. Такой лазер используют при ригидной и гибкой уретеронефроскопии, перкутанных, миниперкутанных, ультраминиперкутанных и микроперкутанных операциях. Аппарат легко интегрируется в эндоскопическую стойку, имея малый вес и габариты. Новый суперимпульсный режим тулиевого волоконного лазера позволяет как фрагментировать, так и распылять камни с высокой эффективностью вне зависимости от их плотности и состава.

Исходно, в лабораторных условиях, оптические спектры были измерены посредством анализатора спектров, выходной сигал с которого

¹ URL: https://www.ipgphotonics.com/ru/182/FileAttachment/FiberLase+U2.pdf

оцифровывался и программно обрабатывался по описанному выше алгоритму.

После установления характерных участков спектра в диапазоне длин волн 540 - 630 нм поглощения света компонентами крови в плоти, а также в области 575 - 630 нм интенсивного отражения света камнем, были определены две и три длины волны для оптимального расчета критерия (2), указанные в таблицах 1 и 2. Далее, для этих наборов длин волн, осуществлялся синхронный прием обратно отраженного от объекта света посредством селективных фотоприемников на установленных длинах волн, и путем их цифровой обработки рассчитывался критерий (2). Далее формировалась команда управления включением лазера при его отрицательном значении. Разработанная процедура позволяет по желанию хирурга блокировать команду на включение лазера при работе на мягкой ткани или активировать ее защиту от случайного срабатывания лазера при наведении за пределы камня -на плоть.

В реальной хирургической установке роль спектрометра выполняют селективные волоконные фильтры на каждую из 2-х или 3-х длин волны. Это повышает быстродействие в ходе реальной операции. Световые отраженные сигналы пройдя эти фильтры принимаются фотоприемниками, превращаются в электрические сигналы и далее обрабатываются в программируемом микроконтроллере по указанному в формуле изобретения алгоритму. Вычисляется критерий (2), который больше или меньше нуля. Вид функции I*, который приведен на фиг. 4 и табличные данные указаны для урологических камней. Несколько иные зависимости будут у желчных или слюнных камней, но главное что критерий прицеливания на чистую 100% мягкую ткань останется неизменным и положительным, тогда как в противном случае, любое отклонение критерия в отрицательную сторону за счет попадания света, отраженного от инородного образования, в апертуру лазерного волокна, будет свидетельствовать о присутствии камня.

Изобретение может быть применено в лазерной литотрипсии в малоинвазивных операциях, для более точного прицеливания лазерного волокна на камень и для повышения безопасности применения лазерного излучения с минимизацией нежелательного воздействия лазерного излучения на мягкие ткани.

В настоящее время методика проходит мультиклинические исследования в трех лечебных учреждениях, где датчик типа ткани показал свою работоспособность:

1) Медицинский научно-образовательный центр МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский проспект, дом 27, корпус 10).

2) Городская клиническая больница имени Д.Д. Плетнева (ГБУЗ «ГКБ им Д.Д. Плетнева ДЗМ» 105077, Москва, ул. 11-я Парковая, д. 32, корпус 1, корпус 2, корпус 3, корпус 4).

3) Институт урологии и репродуктивного здоровья человека. Клиника урологии им. P.M. Фронштейна (Москва, ул. Б. Пироговская, д. 2, стр. 1).

Камни, на которых были проведены клинические исследования различных видов урологических камней из ряда:

- оксалатные,

- карбонатные (карбонапатит),

- уратные

- цистиновые,

- фосфатные,

- струвитные,

а также желчные камни:

- холестериновые,

- пигментные.

Для специалистов в данной области техники должно быть очевидным, что изобретение не ограничено вариантами осуществления, представленными выше, и что в него могут быть включены изменения в пределах объема притязаний формулы изобретения. Отличительные особенности, представленные в описании совместно с другими отличительными особенностями, в случае необходимости, могут также быть использованы отдельно друг от друга.

Литература.

1. Максимова Т.Г., Попова И.Н. Эконометрика: учебно-методическое пособие / Т.Г. Максимова, И.Н. Попова. - СПб.: Университет ИТМО, 2018. -70 с.

Изобретение относится к медицине. Способ распознавания объекта в организме, а именно камень и/или мягкая ткань (плоть), после числовой обработки светового сигнала на основании анализа алгебраической суммы его характерных участков. Осуществляют обработку оптических сигналов в диапазоне длин волн 540-630 нм и по меньшей мере на двух длинах волн вычисляют критерий присутствия в апертуре лазерного волокна камня как алгебраическую сумму принятых оптических сигналов. По знаку суммы идентифицируют объект: камень и/или плоть. Технический результат: повышение безопасности применения лазера при литотрипсии в реальном времени при минимизации возможности повреждения мягких тканей, и достижение более высокой эффективности методики дефрагментации камней за счет более достоверного наведения лазерного луча на камень после числовой обработки отраженного от него светового сигала на основании предложенного критерия. 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

1. Способ распознавания объекта - камня и/или мягкой биологической ткани - во время хирургической операции лазерной литотрипсии, состоящий в анализе отраженного от них света используемого источника, отличающийся тем, что осуществляют прием отраженного света посредством лазерного волокна, наведенного на объект в отсутствие лазерного излучения, регистрируют уровни отраженного от объекта света по меньшей мере на двух длинах волн I(λ1) и I(λ2) и вычисляют их нормированные значения по отношению к предварительно измеренным уровням света, на соответствующих длинах волн I_o(λ1) и I_o(λ2) упомянутого источника при отражении от эталонного тела до проведения операции, как логарифм их отношения

где i=1-2 - порядковый номер длины волны λi;

далее для разделения на два класса объектов - камень или мягкая ткань - используют алгоритм обработки данных вида (1) по определенному критерию распознавания камня в апертуре лазерного волокна, основанному на сравнении весовых слагаемых алгебраической суммы нормированных сигналов (1)

где - весовые числовые коэффициенты

если данное условие выполняется, то волокно направлено на мягкую ткань, если нет - на камень.

2. Способ по п. 1, в котором критерий (2) вычисляют в диапазоне длин волн: 540-630 нм.

3. Способ по п. 2, в котором критерий (2) вычисляют при двух длинах волн: 575±5 и

600±5 нм.

4. Способ по п. 3, в котором критерий (2) вычисляют при трех длинах волн: 550±5,

575±5 и 600±5 нм.

5. Способ по п. 1, в котором в качестве источника света используют источник с непрерывным спектром в диапазонах длин волн критерия (2).