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
141
техникой проведения МИХВ. Для осуществления экспертной оценки был
составлен опросный лист, в том числе с просьбой оценить текущий уровень
вероятности ошибки и максимально допустимый уровень вероятности
ошибки. После обработки результатов опроса были получены данные,
показывающие, что вероятность ложноотрицательного результата
интраоперационной диагностики расстройств перфузионно-метаболических
параметров с доверительной вероятностью 0,95 находится в интервале
0,35…0,41 с максимально допустимым уровнем, не превышающим 0,21.
Таким образом, методическая составляющая системы должна
обеспечивать разработку методов, методик и алгоритмов для определения и
классификации перфузионно-метаболического состояния биологических
тканей путем анализа данных об их оптических характеристиках на основе
описательной, выводной (индуктивной) статистики, а также с использованием
интеллектуальных методов обработки с применением МО, которые в
конечном счете позволят проводить не только обработку больших массивов
полученных медицинских данных, но и выполнять измерения в
автоматизированном режиме с минимальным участием медицинского
персонала.
2.4 Компоненты инструментального и программно-алгоритмического
обеспечения системы интраоперационной оптической диагностики
Для инструментальной реализации интраоперационной ОД
перфузионно-метаболических параметров в МИХ необходимо выбирать
технические составляющие с характеристиками, обеспечивающими
требуемую точность при обоснованной стоимости. Общими в схемах методов
ОД являются блоки воздействия, доставки и приема, а также регистрации
оптического излучения.
При выборе источников излучения важными параметрами являются
спектральные диапазоны излучения, которые должны быть обоснованы
142
методом диагностики. Например, для выбора длины волны с целью
возбуждения необходимых флуорофоров в методе ФС следует
руководствоваться эмпирическими данными, в том числе приведенными в
таблице 1.6, а при выборе волны для использования в диагностике методом
ЛДФ – данными о диагностическом объеме, полученными, например, путем
Монте-Карло моделирования [393].
Также необходимо принимать во внимание допустимую мощность
оптического воздействия на биологические объекты. При этом важно
руководствоваться стандартами, протоколами и рекомендациями в области
дозиметрии лазерного излучения при воздействии на кожу или слизистые для
предотвращения теплового и фотохимического повреждения биологических
тканей. Мощность допустимого лазерного излучения (Р
доп
) для
интраоперационной диагностики может быть рассчитана как:
Р
допλ
≤ (D
λ
×S)/t, (2.5)
где D
λ
– допустимая доза облучения биологического объекта на выбранной
для диагностики длине волны оптического излучения λ [394–399];
S – суммарная площадь волокон, доставляющих излучение от источника
к биологическому объекту;
t – время экспозиции.
При выборе детекторов оптического излучения в блоке регистрации
необходимо проводить спектральное согласование с источниками излучения,
а также отдавать предпочтение более высоким параметрам быстродействия
для обеспечения высокой скорости диагностики, проводимой
интраоперационно в режиме ограниченного количества времени.
Важное место в инструментальном обеспечении биотехнических систем
занимает блок доставки и приема оптического излучения. При
проектировании оптоволоконных зондов необходимо максимально учитывать
тип МИХВ: дренирующие, пункционные или лапароскопические. С учетом
143
этого необходимо понимать конструктивные особенности медицинского
инструментария, через который будет осуществляться доступ к
биологическим тканям органов и систем (пункт 1.1.2): возможность доставки
оптического излучения через существующие оптические или
инструментальные каналы (лапароскопы), через специально
спроектированные оптоволоконные зонды с диаметрами, позволяющими
проводить их через дренирующие системы, троакары, пункционные иглы. С
точки зрения надежной и качественной регистрации сигналов ОД необходимо
учитывать опыт конструирования зондов для биомедицинской спектроскопии
и уже исходя из этого проектировать конструкции, выбирать материалы и
технологии изготовления [400–402].
Для эффективного проведения диагностики управление источниками и
приемниками излучения, а также анализ данных, должны проводиться
автоматически через программно-алгоритмический компонент. Система
должна обеспечивать интерактивный режим работы, включая отображение
диагностической информации в виде графиков, таблиц, числовых значений,
адекватных восприятию оператора и удобных для однозначной трактовки
получаемых данных. Математическая основа интерактивного режима анализа
данных в сочетании с обеспечением визуального представления
анализируемой информации на мониторах должна обеспечивать возможность
решения всех основных типов диагностических задач при обработке
полученных данных. Программно-алгоритмическая среда должна работать
под управлением различных операционных систем, используемых в
организациях медицинского здравоохранения.
2.5 Обобщенная структура системы интраоперационной оптической
диагностики для решения задач миниинвазивной хирургии
В общем виде задача синтеза биотехнических систем диагностического
назначения заключается в определении структуры и параметров системы,
144
исходя из заданных требований к значениям показателей эффективности ее
функционирования, а также способов обеспечения целей функционирования
системы.
При разработке структурно-функциональной схемы системы
интраоперационной оптической диагностики для решения задач МИХ с
позиции системного подхода можно выделить следующие составные
элементы данного процесса:
1) Обеспечение информационной составляющей:
– конкретизация целевой функции системы (разработка нового
диагностического метода или алгоритма диагностики перфузионно-
метаболических нарушений биотканей с целью решения конкретной
медицинской задачи в миниинвазивной хирургии);
– определение перфузионно-метаболических параметров
биологического объекта, отражающих связь с диагностируемыми
патологиями и позволяющих решать сформулированные диагностические
задачи;
– выбор методов ОД.
2) Обеспечение методической составляющей:
– разработка алгоритмов анализа данных, регистрируемых выбранными
методами ОД.
3) Обеспечение инструментальной и программно-алгоритмической
составляющих:
– разработка технической реализации узлов устройства и программно-
алгоритмического обеспечения получения и обработки данных;
– разработка требований к специальным техническим устройствам.
На последнем этапе производится согласование взаимодействия
технических элементов, биологического звена и оператора на основе
комплексного исследования функционирования системы с целью
оптимизации характеристик каждого из звеньев. Проводится подготовка к
145
исследованию систем в полунатурных (модельных) и натурных условиях с
целью дальнейшего перехода к инженерной реализации.
Выделив основные составляющие в основе этапа синтеза системы
интраоперационной ОД для решения задач МИХ, можно определить их
взаимосвязь и взаимодействие. Элементы, входящие в метод синтеза
разрабатываемой системы, и взаимосвязи между ними представлены на
рисунке 2.4.
Рисунок 2.4 – Элементы, входящие в метод синтеза системы
интраоперационной ОД для решения задач МИХ
Таким образом, на основе проведенного комплексного подхода к
проектированию биотехнических систем диагностического назначения
разработан алгоритм синтеза системы интраоперационной ОД для решения
задач МИХ, схема которого приведена на рисунке 2.5.
146
Рисунок 2.5 – Схема алгоритма синтеза системы интраоперационной ОД для
решения задач МИХ
147
После формулировки диагностической задачи и конкретизации целевой
функции системы врач-хирург, специализирующийся на проведении МИХВ,
определяет требуемые критерии качества диагностики. На основе анализа
априорной информации проводится выбор перфузионно-метаболических
параметров из подмножества возможных, характеризующих патологические
изменения при заболевании для решаемой диагностической задачи в МИХ.
Далее учитывается особенность МИХВ для выбора способа сбора
информации оптических сигналов. Если речь идет о пункционных МИХВ, то
регистрация сигналов проводится через специально разработанные
оптоволоконные зонды. Если речь идет о лапароскопических или
эндоскопических вмешательствах, то сбор оптического излучения возможен
через оптические каналы стандартных лапароскопических и эндоскопических
зондов. На основе знаний о взаимосвязи перфузионно-метаболических
параметров с методами ОД осуществляется выбор одного или комплекса
методов диагностики (
), обеспечивающих получение необходимой
диагностической информации. После регистрации вектора информативных
признаков МБП
проводится синтез и верификация решающего правила с
расчётом параметров их диагностической эффективности: чувствительности
(Se); специфичности (Sp), площади под ROC-кривой (AUC).
Если установленные врачом-хирургом уровни диагностической
эффективности не достигнуты, то необходим дополнительный набор данных
и синтез других решающих правил (1), выбор других методов ОД (2) или
пересмотр набора перфузионно-метаболических параметров (3), которые
выбраны для диагностики состояний ткани. В ином случае решающее правило,
определяющее состояние биологической ткани для конкретного заболевания,
требующего МИХВ, признаётся удовлетворительным.
На основе комплексного биотехнического подхода с учетом всего
изложенного выше предложена обобщённая структурно-функциональная
схема системы интраоперационной ОД для решения задач МИХ (рисунок 2.6).
148
Разработанная схема включает в себя биологический объект (БО), врача-
хирурга, а также ряд технических блоков: управления, воздействия, доставки
и приема оптического излучения и обработки данных, которые позволяют
сформировать результат диагностики.
БО описывается набором характеристик, связанных с перфузионно-
метаболическими параметрами биологических тканей, включающими в себя
характеристики гемодинамики и клеточного метаболизма (концентрация
эндогенных флуорофоров, хромофоров, скорость форменных элементов
крови, рассеивающих оптическое излучение, и др.), которые обусловлены
функциональным состоянием органов или их патологическими состояниями.
Врач-хирург должен обладать компетенциями, связанными со знаниями
особенностей и с навыками проведения МИХВ.
Блок управления необходим для ввода данных о пациенте и контроля
проводимого исследования на всех этапах диагностики через систему
отображения информации.
Блок воздействия представляет собой источники оптического
излучения, используемые как по отдельности, так и совместно (в рамках
мультимодального подхода [187,344]) в зависимости от конкретных
клинических задач и выбранного метода ОД. В качестве источников могут
выступать галогеновые лампы, лазеры, светодиоды, каждый из которых
характеризуется спектральными характеристиками (длина волны, λ) и
мощностью излучения (Р
изл
).
Блок доставки и приема излучения включает в себя специально
разработанные оптоволоконные зонды, конструктивно совместимые со
стандартным хирургическим инструментарием, используемым в МИХ
(троакары, биопсийные иглы, эндоскопы, дренажные системы и т.д.).
149
Рисунок 2.6 – Обобщённая структурно-функциональная схема системы интраоперационной ОД для решения задач МИХ
150
В зависимости от конкретных решаемых задач к оптоволоконным зондам
предъявляются медико-технические требования (МТТ), включающие в себя
следующие параметры:
– «база измерений» (расстояние источник-приемник);
– числовая апертура волокна (NA);
– количество приемных и передаточных волокон;
– длина зонда;
– диаметр зонда;
– угол скоса и т.д.
В отдельных случаях для доставки и приема излучения могут
использоваться жесткие эндоскопы (лапароскопы или уретроскопы),
имеющие возможность передачи света через встроенную оптику или рабочий
инструментальный канал.
Блок регистрации представляет собой приёмники оптического излучения,
подбираемые в зависимости от применяемого метода ОД: спектрометры,
фотодетекторы для счета фотонов, фотодиоды, цифровые камеры и др.,
характеризующиеся различной спектральной чувствительностью.
Блок обработки данных базируется на вычислительных алгоритмах и
включает в себя последовательные этапы расчета МБП, описывающих
перфузионно-метаболические параметры БО (показатель микроциркуляции,
амплитуды интенсивности флуоресценции эндогенных флуорофоров, редокс-
соотношение, тканевая сатурация, показатель спекл-перфузии и др.). Далее
эти данные поступают в автоматический анализатор состояний, где
выбирается соответствующий классификатор, построенный на основе
предварительных клинических исследований под конкретные клинические
задачи, или алгоритм для определения перфузионно-метаболического статуса
органов, дифференциации здоровых и патологических тканей БО (рак и
условно здоровая биоткань), а также классификации патологии БО (например,
метастазы, первичная опухоль, доброкачественное новообразование).
Соседние файлы в папке Библиотека им академика М.И. Перельмана