Добавил:
Sekretar
kiopkiopkiop18@yandex.ru
t.me/Prokururor I Вовсе не секретарь, но почту проверяю
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ординатура / Хирургия / Библиотека им академика М.И. Перельмана / Книга_1449_Библиотеки_им_академика_М_И_Перельмана
.pdf
ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ И.С. ТУРГЕНЕВА
На правах рукописи
Потапова Елена Владимировна
МЕТОДЫ И СИСТЕМЫ ИНТРАОПЕРАЦИОННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ
ДИАГНОСТИКИ ДЛЯ ЗАДАЧ МИНИИНВАЗИВНОЙ ХИРУРГИИ
Специальность 2.2.12 – Приборы, системы и изделия медицинского
назначения
Диссертация на соискание учёной степени
доктора технических наук
Научный консультант
доктор технических наук, доцент
Дунаев Андрей Валерьевич
Орёл – 2024 г.
2
Содержание
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................ 8
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ПРОБЛЕМ МЕТОДОВ И
ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИНТРАОПЕРАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ
СОСТОЯНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ ОРГАНИЗМА ....................... 26
1.1 Миниинвазивные хирургические вмешательства...................................... 26
1.1.1 Отдельные виды миниинвазивных хирургических вмешательств ....... 27
1.1.2 Специальный инструментарий для миниинвазивной хирургии ........... 32
1.1.3 Хирургические патологии, синдромы и состояния, требующие оценки
перфузионно-метаболических параметров биотканей при миниинвазивных
хирургических вмешательствах ......................................................................... 38
1.1.3.1 Показания к проведению миниинвазивных диагностических и
лечебных вмешательств ...................................................................................... 38
1.1.3.2 Перфузионно-метаболические параметры биотканей при различных
патологических состояниях ............................................................................... 39
1.2 Аналитический обзор методов и средств диагностики перфузионно-
метаболических параметров биотканей организма в задачах миниинвазивной
хирургии ............................................................................................................... 57
1.2.1 Обзор инструментальных методов интраоперационной диагностики . 57
1.2.2 Обзор методов интраоперационной оптической диагностики .............. 63
1.3 Предварительные экспериментальные исследования диагностических
возможностей оптических методов при патологических нарушениях
(микроскопия и неинвазивная оптическая диагностика) .............................. 104
1.3.1 Исследование биоэнергетических процессов и окислительно-
восстановительного гомеостаза опухоли на клеточном и тканевом уровнях
методами флуоресцентной микроскопии ....................................................... 104
3
1.3.2 Исследование перфузионно-метаболических нарушений у пациентов
эндокринологического и ревматологического профилей методами диффузно-
отражательной и флуоресцентной спектроскопии ........................................ 112
1.3.3 Исследование локальных нарушений перфузии в тканях
псориатических бляшек у пациентов с псориазом методом лазерной
допплеровской флоуметрии и лазерной спекл-контрастной визуализации 117
1.4 Формулирование целей и задач диссертационного исследования ........ 124
ГЛАВА 2. МЕТОД СИНТЕЗА СИСТЕМЫ ИНТРАОПЕРАЦИОННОЙ
ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ДЛЯ ЗАДАЧ МИНИИНВАЗИВНОЙ
ХИРУРГИИ ........................................................................................................ 126
2.1 Формирование комплекса перфузионно-метаболических параметров
биотканей для реализации оптической диагностики .................................... 128
2.2 Структура процесса интраоперационной оптической диагностики при
решении задач миниинвазивной хирургии ..................................................... 133
2.3 Компоненты методического обеспечения системы интраоперационной
оптической диагностики ................................................................................... 136
2.4 Компоненты инструментального и программно-алгоритмического
обеспечения системы интраоперационной оптической диагностики ......... 141
2.5 Обобщенная структура системы интраоперационной оптической
диагностики для решения задач миниинвазивной хирургии ....................... 143
2.6 Пример реализации системы интраоперационной оптической
диагностики для задач миниинвазивной хирургии ....................................... 151
2.6 Выводы по главе 2 ....................................................................................... 155
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ИНТРАОПЕРАЦИОННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ
ДИАГНОСТИКИ ВО ВРЕМЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПУНКЦИОННЫХ
МИНИИНВАЗИВНЫХ ХИРУРГИЧЕСКИХ ВМЕШАТЕЛЬСТВ .............. 157
3.1 Метод дифференциации новообразований и паренхимы печени .......... 157
3.1.1 Исследование опухолевых новообразований у биологических моделей
для интраоперационной диагностики тканевого метаболизма методами
флуоресцентной спектроскопии и спектроскопии диффузного отражения 157
4
3.1.2 Методика проведения клинических исследований, реализующих
регистрацию спектров флуоресценции и диффузного отражения
интраоперационно через тонкоигольный оптоволоконный зонд во время
проведения чрескожной пункционной биопсии печени ............................... 164
3.1.3 Анализ результатов клинических исследований .................................. 166
3.1.4 Алгоритм классификации данных .......................................................... 169
3.1.5 Синтез метода дифференциации новообразований и паренхимы
печени ................................................................................................................. 172
3.2 Метод классификации новообразований печени ..................................... 175
3.2.1 Экспериментальное исследование опухолевых новообразований у
биологических моделей с помощью флуоресцентной спектроскопии с
временным разрешением для интраоперационной оценки тканевого
метаболизма ....................................................................................................... 175
3.2.2 Методика проведения клинических исследований, реализующих
регистрацию времени жизни флуоресценции интраоперационно через
оптоволоконный зонд во время проведения чрескожной пункционной
биопсии печени .................................................................................................. 182
3.2.3 Анализ результатов клинических исследований .................................. 184
3.2.4 Алгоритм классификации данных .......................................................... 187
3.2.5 Синтез метода классификации новообразований печени .................... 194
3.3 Выводы по главе 3 ....................................................................................... 196
ГЛАВА 4. АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ИНТРАОПЕРАЦИОННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ВО ВРЕМЯ
ПРОВЕДЕНИЯ МИНИИНВАЗИВНЫХ ХИРУРГИЧЕСКИХ
ВМЕШАТЕЛЬСТВ ............................................................................................ 198
4.1 Мультимодальный подход к оценке перфузионно-метаболических
нарушений в эндометрии женщин с диагнозом миома матки ..................... 198
4.1.1 Методика проведения клинических исследований на основе совместной
регистрации сигналов лазерной допплеровской флоуметрии и
флуоресцентной спектроскопии интраоперационно ..................................... 200
5
4.1.2 Анализ результатов клинических исследований перфузионно-
метаболических параметров эндометрия ....................................................... 203
4.1.3 Алгоритм оценки влияния миом на перфузию эндометрия ................ 205
4.2 Интраоперационная оптическая диагностика метаболической и
выделительной функции печени у пациентов с синдромом механической
желтухи с возможностью прогноза послеоперационного течения
заболевания ........................................................................................................ 206
4.2.1 Методика проведения клинических исследований на основе
регистрации спектров флуоресцентной спектроскопии паренхимы печени
интраоперационно во время установки дренажных систем и спектров
комбинационного рассеяния желчи ................................................................ 206
4.2.2 Анализ результатов клинических исследований перфузионно-
метаболических параметров печени у пациентов с механической
желтухой ............................................................................................................. 213
4.2.3 Алгоритм прогнозирования послеоперационного течения заболевания у
пациентов с синдромом механической желтухи на фоне минимально
инвазивных хирургических вмешательств ..................................................... 218
4.3 Интраоперационная оптическая диагностика метаболического статуса
новообразований молочной железы ................................................................ 227
4.3.1 Методика проведения клинических исследований на основе
регистрации спектров флуоресцентной спектроскопии и диффузного
отражения интраоперационно во время проведения чрескожной
пункционной биопсии новообразований молочных желез .......................... 227
4.3.2 Анализ результатов клинических исследований пациенток с
подозрением на рак молочной железы............................................................ 230
4.3.3 Алгоритм определения метаболического статуса новообразований
молочной железы .............................................................................................. 233
4.4 Интраоперационная оценка микроциркуляции крови в тканях
поджелудочной железы .................................................................................... 235
6
4.4.1 Исследование взаимосвязи нарушений перфузии крови с
метаболическими изменениями в поджелудочной железе ........................... 235
4.4.2 Методика экспериментальных исследований на основе лазерной спекл-
контрастной визуализации микрогемодинамики поджелудочной железы,
предназначенная для проведения лапароскопических вмешательств ......... 241
4.4.3 Анализ результатов экспериментальных исследований перфузионных
параметров поджелудочной железы при моделировании ишемии.............. 243
4.4.4 Синтез алгоритма регистрации перфузионных нарушений
поджелудочной железы при лапароскопических МИХВ ............................. 246
4.5 Выводы по главе 4 ....................................................................................... 247
ГЛАВА 5. ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ
ИНТРАОПЕРАЦИОННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ВО ВРЕМЯ
ПРОВЕДЕНИЯ МИНИИНВАЗИВНЫХ ХИРУРГИЧЕСКИХ
ВМЕШАТЕЛЬСТВ ............................................................................................ 250
5.1 Принципы построения программно-аппаратных комплексов для
интраоперационной оптической диагностики во время проведения
миниинвазивных хирургических вмешательств ............................................ 250
5.2 Разработка оптоволоконных зондов различного назначения ................. 255
5.3 Обработка и стерилизация оптоволоконных зондов различного
назначения .......................................................................................................... 267
5.4 Программно-аппаратный комплекс флуоресцентно-отражательной
спектроскопии для интраоперационной оптической диагностики во время
проведения миниинвазивных хирургических вмешательств ....................... 269
5.5 Программно-аппаратный комплекс флуоресцентной спектроскопии с
временным разрешением для интраоперационной оптической диагностики
во время проведения миниинвазивных хирургических вмешательств ....... 277
5.6 Программно-аппаратный комплекс для интраоперационной лазерной
спекл-контрастной визуализации микроциркуляторных нарушений органов
во время проведения лапароскопических операций ..................................... 281
7
5.7 Перспективы развития интраоперационной оптической диагностики в
миниинвазивной хирургии ............................................................................... 286
5.9 Выводы по главе 5 ....................................................................................... 289
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................. 293
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ .................... 297
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................. 299
8
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
В течение последних десятилетий в клинической хирургии успешно
применяются и развиваются новые методики эндоскопических,
лапароскопических, чрескожных, пункционных и эндоваскулярных
вмешательств. В 1987 г. Э.А. Уикхем ввел термин «минимально инвазивная
процедура», который во многом определил динамичное развитие этой
области исследований. Методы миниинвазивных хирургических
вмешательств (МИХВ) позволяют значительно снизить травматизацию, а
также свести к минимуму время восстановления и общие затраты на лечение.
Распространенным подходом обратной связи для хирурга при МИХВ
является использование видеоизображения операционного поля, если речь
идет об эндоскопических и лапароскопических операциях, или контроль
положения хирургических инструментов с помощью ультразвуковой или
рентгенологической навигации при пункционных и дренирующих МИХВ. В
большинстве случаев особенности изображения и передачи данных
затрудняют зрительное восприятие и адекватную оценку состояния органов.
Одним из вариантов оценки состояния органов является определение
перфузионно-метаболических характеристик его биологических тканей. Под
перфузионно-метаболическими характеристиками понимают совокупность
параметров, характеризующих микроциркуляцию крови (перфузию),
уровень энергетического метаболизма, а также насыщения тканей
кислородом. Перфузионно-метаболические нарушения играют важную роль
в развитии многих хирургических патологий (воспаление, некроз, ишемия,
онкологические заболевания и др.). Определение перфузионно-
метаболических показателей может лечь в основу дифференциации
опухолевых и условно здоровых тканей, классификации различного типа
новообразований, уточнения состояния пациента в ходе оперативного
9
вмешательства, оценки выполнения функций органа для прогнозирования
послеоперационного периода и т.д.
Среди медицинских задач в МИХ особое место занимает низкая
эффективность пункционных диагностических процедур, достигающая по
некоторым данным 25-30%; также важной диагностической проблемой
является определение метаболического статуса пунктируемой опухоли, что
может лечь в основу быстрой (предварительной) диагностики класса
новообразований и дополнительно сформировать представление о
возможном ответе опухолей на лечение. Нерешенной задачей остается
определение перфузионно-метаболических параметров органа на момент
операции; данная диагностическая информация важна для выбора
персонализированного лечебно-диагностического алгоритма, в том числе у
пациентов с двухэтапным хирургическим лечением.
Методы оптической диагностики (ОД) могут давать дополнительную
информацию о состоянии биологических тканей с точностью, сравнимой или
превышающей показатели стандартных методов диагностики, а также
конструктивно совместимы со стандартными инструментами для МИХВ.
Методы оптической спектроскопии и визуализации с высоким разрешением
могут обеспечить альтернативные средства оценки тканевого метаболизма и
микрососудистых нарушений в режиме реального времени, что может играть
решающую роль при определении тактики лечения ряда хирургических
заболеваний.
Таким образом, разработка методов и технических средств (систем) для
интраоперационной ОД перфузионно-метаболических параметров
биологических тканей при решении различных клинических задач в
миниинвазивной хирургии (МИХ) может стать важным шагом на пути
оптимизации и улучшения лечебно-диагностических алгоритмов.
Степень проработанности темы
Общепризнанными технологиями в определении перфузионно-
метаболических характеристик биотканей являются методы ОД, многими
10
авторами объединяемые термином «оптическая биопсия» (Тучин В.В.,
Приезжев А.В., Chance B., Jacques S.L., Lakowicz J.R. и др.). В частности,
флуоресцентная спектроскопия (ФС) может улучшить понимание тканевого
метаболизма; методы динамического рассеяния света (лазерная
допплеровская флоуметрия – ЛДФ, лазерная спекл-контрастная
визуализация – ЛСКВ) дают информацию о состоянии микроциркуляции
крови в исследуемых органах; спектроскопия диффузного отражения (СДО)
позволяет анализировать структурные изменения в биологических тканях, а
также насыщение кислородом; спектроскопия комбинационного рассеяния
(СКР) дает представление о биохимическом составе биотканей и жидкостей
и т.д. В настоящее время внедрением оптических технологий в клиническую
диагностику активно занимается ряд российских (под руководством В.В.
Тучина, А.В. Приезжева, В.П. Захарова, Е.В. Загайновой, А.В. Дунаева, А.А.
Камшилина, А.С. Мачихина, И.В. Турчина, Д.А. Горина, В.Б. Лощенова и
др.) и зарубежных (Stefanovska A., Fredriksson I., Larsson M., Stromberg T.,
Marcu L., Zhu D. и др.) исследовательских групп. В последние годы растет
интерес к внедрению оптических технологий в МИХ. Различные ученые
(McLaughlin R.A., Alchab L., Chang E.W., Li J., Braun F., Ruers Т., Mun N.E.,
Zheng C., Heeman W., Ширшин Е.А., Щеславский В.И., Мачихин А.С. и др.)
сообщали о попытках создания пункционных игл и лапароскопов со
встроенными каналами дополнительной ОД. Однако, по-прежнему
существуют проблемы внедрения данных технологий в клиническую
практику, где важными аспектами являются эргономика, простота
использования, а также общепринятые диагностические параметры,
классификаторы и алгоритмы для систем поддержки принятия врачебных
решений.
Таким образом, на сегодняшний день актуальными задачами являются
разработка методической основы интраоперационной диагностики
перфузионно-метаболических параметров биотканей при МИХ в виде
синтеза системы, базирующейся на применении технологий биофотоники,
Соседние файлы в папке Библиотека им академика М.И. Перельмана