RU2138192C1 - Method of identification of tissue type and apparatus for method embodiment - Google Patents
Method of identification of tissue type and apparatus for method embodiment Download PDFInfo
- Publication number
- RU2138192C1 RU2138192C1 RU95103096/14A RU95103096A RU2138192C1 RU 2138192 C1 RU2138192 C1 RU 2138192C1 RU 95103096/14 A RU95103096/14 A RU 95103096/14A RU 95103096 A RU95103096 A RU 95103096A RU 2138192 C1 RU2138192 C1 RU 2138192C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- tissue
- probe
- response
- processing
- responses
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способу и устройству для диагностики различных типов тканей, включая раковые, предраковые, патологические, а также ткани, находящиеся в промежуточном состоянии. The invention relates to a method and apparatus for diagnosing various types of tissues, including cancerous, precancerous, pathological, as well as tissues in an intermediate state.
Диагностика различных типов тканей осуществляется путем ряда измерений их физических свойств. Diagnosis of various types of tissues is carried out by a series of measurements of their physical properties.
Настоящее изобретение относится, в частности, к диагностике таких типов тканей, как наружная поверхность кожи, а также тех, которые могут быть исследованы при помощи эндоскопических средств, позволяющих проникнуть непосредственно внутрь организма. The present invention relates, in particular, to the diagnosis of tissue types such as the outer surface of the skin, as well as those that can be examined using endoscopic agents that allow penetration directly into the body.
Специальное применение данного изобретения связано с диагностикой рака шейки матки. A special application of this invention is associated with the diagnosis of cervical cancer.
Раннее обнаружение ракового или предракового состояния тканей очень важно для успешного лечения. Используемая в настоящее время диагностическая техника имеет низкую точность, зависит от ошибок оператора и отнимает много времени. Early detection of a cancerous or precancerous state of the tissue is very important for successful treatment. Currently used diagnostic equipment has low accuracy, depends on operator errors and is time consuming.
Наглядным примером этого служит способ диагностики шейки матки путем исследования пробы по Папаниколау (Pap Smear test). A good example of this is the method for diagnosing the cervix by examining a Pap test (Pap Smear test).
Рентгенодиагностика, которая также может быть использована для диагностики прогрессирующих разновидностей рака, связана с вредным для здоровья облучением. Radiodiagnosis, which can also be used to diagnose advanced types of cancer, is associated with unhealthy radiation.
Положительный результат, полученный с помощью теста Папаниколау, обычно сопровождается визуальным осмотром с помощью кольпоскопа, который дает увеличенный вид шейки матки. Оценка подозреваемых областей шейки матки осуществляется опытным врачом, который дает субъективное заключение о состоянии исследуемой ткани. A positive result obtained using the Pap test is usually accompanied by a visual examination using a colposcope, which gives an enlarged view of the cervix. Assessment of suspected areas of the cervix is carried out by an experienced doctor who gives a subjective conclusion on the state of the tissue under study.
Шейка матки состоит из многих типов тканей, некоторые из которых очень похожи и имеют аналогичные визуальные и структурные характеристики. Это существенно затрудняет клиническую диагностику и приводит к ошибкам. The cervix consists of many types of tissue, some of which are very similar and have similar visual and structural characteristics. This significantly complicates the clinical diagnosis and leads to errors.
Вышеупомянутая субъективная ошибка играет большую роль в определении и лечении других локализаций предопухолевых и опухолевых образований, таких, например, как меланома. The aforementioned subjective error plays a large role in the determination and treatment of other localizations of pre-tumor and tumor formations, such as, for example, melanoma.
Для различения раковых тканей от нормальных были проведены работы по созданию способов и устройств, базирующихся на измерении физических характеристик ткани. Работа этих устройств основана на измерении электрических параметров кожи или ткани. Однако такие электрические измерения не позволяют получить информацию, необходимую для эффективной диагностики. To distinguish cancer from normal tissue, work was done to create methods and devices based on measuring the physical characteristics of the tissue. The operation of these devices is based on measuring the electrical parameters of the skin or tissue. However, such electrical measurements do not allow obtaining the information necessary for effective diagnostics.
В патенте США N 4,537,203 описано устройство для определения аномальных клеток, имеющих два электрода, подсоединенныx к участку тела. US Pat. No. 4,537,203 describes a device for detecting abnormal cells having two electrodes connected to a portion of the body.
Два напряжения на различных частотах прикладываются к двум электродам. Величина емкости, измеренная на двух частотах, служит индикатором наличия аномальных клеток. Two voltages at different frequencies are applied to two electrodes. The value of capacitance, measured at two frequencies, serves as an indicator of the presence of abnormal cells.
В патенте США N 4,955,383 описаны способ и устройство для определения наличия или отсутствия патологии ткани. US Pat. No. 4,955,383 describes a method and apparatus for determining the presence or absence of tissue pathology.
Потенциалы поверхности кожи измеряются с помощью электродной матрицы. В патенте США N 5,143,079 описаны устройства для определения опухоли ткани. Устройства содержат в своем составе средства для определения диэлектрической постоянной живой человеческой ткани. Удельное поверхностное сопротивление зависит от диэлектрической постоянной и проводимости ткани. Изменения сопротивления связаны с неоднородностью ткани. Skin surface potentials are measured using an electrode matrix. US Pat. No. 5,143,079 describes devices for detecting a tissue tumor. The devices contain in their composition means for determining the dielectric constant of living human tissue. The specific surface resistance depends on the dielectric constant and tissue conductivity. Resistance changes are associated with tissue heterogeneity.
Также известно об измерении физических характеристик ткани оптическими методами. Примером может служить устройство, описанное в патенте США N 5,036,853. Это устройство предназначено для распознавания ткани шейки матки, в которой предполагаются физиологические изменения, вызванные опухолевым или предопухолевым состоянием. В описываемом устройстве для предотвращения неправильных измерений требуется обеспечить правильное положение зонда относительно поверхности шейки матки. Как следует из патента, в приборе не предусмотрены средства, гарантирующие правильную установку зонда. It is also known to measure the physical characteristics of tissue by optical methods. An example is the device described in US Pat. No. 5,036,853. This device is designed to recognize cervical tissue in which physiological changes due to a tumor or pre-tumor state are expected. In the described device to prevent incorrect measurements, it is required to ensure the correct position of the probe relative to the surface of the cervix. As follows from the patent, the device does not provide means to guarantee the correct installation of the probe.
Известен способ диагностики предракового или ракового состояния ткани, включающий воздействие на ткань энергетическими раздражителями, определение откликов ткани на каждый энергетический раздражитель, представляющих собой модифицированные тканью ответные энергетические сигналы, обработку откликов ткани, и анализ обработанных откликов ткани (патент США N 5042494). A known method for diagnosing a precancerous or cancerous state of tissue, including exposure to tissue with energy stimuli, determining tissue responses to each energy stimulus, which are tissue-modified energy responses, processing tissue responses, and analyzing processed tissue responses (US Pat. No. 5,042,494).
В этом же патенте раскрыто устройство для диагностики предракового или ракового состояния ткани, содержащее единый зонд для воздействия на ткань энергетическими раздражителями, чувствительные элементы, каждый из которых выполнен с возможностью восприятия отклика ткани на соответствующий энергетический раздражитель, представляющего собой ответный энергетический сигнал, контроллер, соединенный с чувствительными элементами для получения указанных откликов ткани, и содержащее процессор для обработки указанных откликов ткани и сопоставления полученных результатов, и блок памяти. The same patent discloses a device for diagnosing a precancerous or cancerous state of tissue, containing a single probe for exposing the tissue to energy stimuli, sensitive elements, each of which is capable of perceiving the tissue response to the corresponding energy stimulus, which is a response energy signal, a controller connected with sensing elements for obtaining said tissue responses, and comprising a processor for processing said tissue responses and copost Avleniya obtained results, and a memory block.
Далее из патента США N 5042494 известен способ диагностики предракового или ракового состояния ткани, включающий воздействие на ткань раздражителя в виде ее электромагнитного облучения несколькими длинами волн, с последующей обработкой откликов ткани на электромагнитное излучение, представляющих собой рассеянное тканью ответное излучение, и анализом обработанных откликов ткани. Further, from US Pat. No. 5,042,494, there is known a method for diagnosing a precancerous or cancerous state of a tissue, comprising exposing the tissue to an irritant in the form of electromagnetic radiation of several wavelengths, followed by processing the tissue responses to electromagnetic radiation, which are the radiation scattered by the tissue, and analyzing the processed tissue responses .
Наконец, из этого патента известно устройство для диагностики предракового или ракового состояния ткани, содержащее источник электромагнитного излучения, выполненный с возможностью облучения ткани электромагнитным излучением по меньшей мере двух различных длин волн, подсоединенный к нему единый зонд для передачи электромагнитного излучения к ткани и приема рассеянного ею излучения по соответствующим по меньшей мере двум различным длинам волн, приемное устройство, соединенное с зондом, и устройство сравнения для сравнения откликов ткани на электромагнитное излучение, представляющих собой рассеянное тканью ответное излучение, с известными значениями. Finally, from this patent there is known a device for diagnosing a precancerous or cancerous state of tissue, comprising an electromagnetic radiation source configured to irradiate tissue with electromagnetic radiation of at least two different wavelengths, connected to it a single probe for transmitting electromagnetic radiation to the tissue and receiving scattered by it radiation at the corresponding at least two different wavelengths, a receiving device connected to the probe, and a comparison device for comparing the responses t cans for electromagnetic radiation, which are the response radiation scattered by the tissue, with known values.
Изложенные выше способы и устройства обладают рядом недостатков. В частности, каждый из этих способов и устройств предназначен для диагностики применительно к конкретному виду рака, который представляется врачу в идеализированных условиях. Поэтому такие способы и устройства не могут быть эффективно использованы для большого числа разновидностей тканей и рака, таких как рак шейки матки, кожи, толстой кишки и т.д., и неудобны для обнаружения рака в отмеченных выше местах. The above methods and devices have several disadvantages. In particular, each of these methods and devices is intended for diagnosis in relation to a specific type of cancer, which is presented to a doctor in idealized conditions. Therefore, such methods and devices cannot be effectively used for a large number of varieties of tissues and cancer, such as cancer of the cervix, skin, colon, etc., and are inconvenient for the detection of cancer in the places noted above.
В основу настоящего изобретения положена задача создания способа диагностики предракового или ракового состояния ткани, который за счет выбора определенных раздражителей ткани позволяет быстро провести объективное распознавание типов ткани, включая как раковые, так и предраковые образования, применительно к различным локализациям как внутри, так и в других местах живой субстанции, а также задача создания устройства для осуществления способа. The basis of the present invention is the creation of a method for the diagnosis of precancerous or cancerous state of tissue, which, due to the choice of certain stimuli of tissue allows you to quickly conduct objective recognition of tissue types, including both cancerous and precancerous lesions, in relation to various locations both inside and in other places of living substance, as well as the task of creating a device for implementing the method.
Данная задача, согласно первому аспекту изобретения, решается посредством способа диагностики предракового или ракового состояния ткани, включающего воздействие на ткань энергетическими раздражителями, определение откликов ткани на каждый энергетический раздражитель, представляющих собой модифицированные тканью ответные энергетические сигналы, обработку откликов ткани, и анализ обработанных откликов ткани, в котором, согласно изобретению, на ткань воздействуют по меньшей мере двумя раздражителями, обработку откликов ткани осуществляют посредством их комбинированной обработки для классификации ткани, а анализ обработанных откликов ткани проводят посредством сравнения полученной классификации ткани с известным классификатором ожидаемых типов ткани для ее распознавания. This problem, according to the first aspect of the invention, is solved by a method for diagnosing a precancerous or cancerous state of tissue, including exposure to tissue with energy stimuli, determining tissue responses to each energy stimulus, which are tissue-modified response energy signals, processing tissue responses, and analyzing processed tissue responses in which, according to the invention, the tissue is exposed to at least two stimuli, the processing of tissue responses is carried out vlyayut by their combined treatment for tissue classification and an analysis of the treated fabrics made by comparing the responses obtained with the known classification of the tissue classifier of expected tissue types to its recognition.
Предпочтительно раздражители выбирают из группы, содержащей источники электрической энергии, источники световой энергии, источники акустической энергии, источники магнитной энергии и источники тепловой энергии. Preferably, the stimuli are selected from the group consisting of electric energy sources, light energy sources, acoustic energy sources, magnetic energy sources and thermal energy sources.
Целесообразно, чтобы по меньшей мере один из раздражителей выбирали из группы, содержащей источники энергии, генерирующие непрерывный раздражающий сигнал, импульсно-модулированный раздражающий сигнал, частотно-модулированный раздражающий сигнал, фазомодулированный раздражающий сигнал и амплитудно-модулированный раздражающий сигнал. It is advisable that at least one of the stimuli is selected from the group consisting of energy sources generating a continuous annoying signal, a pulse-modulated annoying signal, a frequency-modulated annoying signal, a phase-modulated annoying signal, and an amplitude-modulated annoying signal.
Желательно, чтобы один или каждый выбранный раздражитель представлял собой световой источник энергии, генерирующий последовательность множества импульсных световых сигналов, каждый из которых имеет свою спектральную полосу частот, причем последовательность повторяли с возможностью по существу одновременного получения соответствующих откликов ткани. It is desirable that one or each selected stimulus be a light energy source generating a sequence of a plurality of pulsed light signals, each of which has its own spectral frequency band, the sequence being repeated with the possibility of substantially simultaneously obtaining the corresponding tissue responses.
Возможно, чтобы обработку каждого отклика осуществляли посредством одного или нескольких заданных шагов обработки с получением на одном или каждом шаге результата обработки, причем при наличии нескольких шагов обработки каждый результат обработки комбинировали заданным способом для классификации ткани. It is possible that the processing of each response was carried out by means of one or several predetermined processing steps to obtain a processing result at one or each step, and if there are several processing steps, each processing result was combined in a predetermined manner to classify the fabric.
Полезно, чтобы число шагов обработки было больше числа используемых раздражителей на величину, равную 1. It is useful that the number of processing steps be greater than the number of irritants used by an amount equal to 1.
Предпочтительно, чтобы в качестве раздражителей использовали источники электрической энергии и источники световой энергии, позволяющие получить восемь результатов обработки. It is preferable that sources of electric energy and light energy sources are used as stimuli, allowing eight processing results to be obtained.
Целесообразно, чтобы результаты обработки комбинировали посредством их взвешенного суммирования с заданным весовым коэффициентом для каждого результата обработки, основанном на типах ткани в классификаторе и на соответствии каждого результата обработки классификатору. It is advisable that the processing results are combined by means of their weighted summation with a given weight coefficient for each processing result, based on the types of fabric in the classifier and on the correspondence of each processing result to the classifier.
Желательно, чтобы результаты обработки комбинировали с использованием линейного программирования, взаимной корреляции или нейронных сетей. It is desirable that the processing results be combined using linear programming, cross-correlation, or neural networks.
Возможно, чтобы классификатор ожидаемых типов тканей создавали посредством перекрестного сопоставления исследованных вручную и классифицированных патологическими методами образцов распознаваемых типов тканей с обработанными откликами образцов ткани, полученными при воздействии на ткань раздражителей и комбинированной обработке откликов ткани на каждый раздражитель. It is possible that the classifier of expected tissue types was created by cross-matching manually examined and pathologically classified samples of recognizable tissue types with processed tissue sample responses obtained by exposure of the tissue to stimuli and combined processing of tissue responses to each stimulus.
Полезно, чтобы исследовали одну или более разновидностей ткани шейки матки, груди, кожи, простаты или толстой кишки. It is useful that one or more kinds of tissue of the cervix, breast, skin, prostate or colon be examined.
Предпочтительно, комбинированную обработку и сравнение классифицируемой ткани с классификатором производят в реальном масштабе времени, и используют статистические метопы сравнения классифицируемой ткани с классификатором. Preferably, the combined processing and comparison of the classified tissue with the classifier is performed in real time, and statistical methods are used to compare the classified fabric with the classifier.
Целесообразно, чтобы исследовали ткань, являющуюся частью живого организма. It is advisable to examine tissue that is part of a living organism.
Желательно, чтобы в качестве раздражителей использовали, по меньшей мере, источники электрической энергии и источники магнитной энергии, и комбинированную обработку откликов ткани проводили посредством обработки амплитудного отклика, частотного отклика, абсолютной амплитудной детерминации, фазового отклика, спектрального отклика, отклика по коэффициенту первой производной по времени, или отклика по коэффициенту второй производной по времени. It is desirable that at least sources of electrical energy and sources of magnetic energy be used as stimuli, and the combined processing of tissue responses is carried out by processing the amplitude response, frequency response, absolute amplitude determination, phase response, spectral response, response with respect to the coefficient of the first derivative with respect to time, or response by the coefficient of the second time derivative.
Возможно, чтобы в качестве раздражителей использовали, по меньшей мере, источники световой энергии, и комбинированную обработку откликов ткани проводили посредством обработки амплитудного отклика, спектрального отклика или пространственного отклика. It is possible that at least light energy sources were used as stimuli, and the combined processing of tissue responses was performed by processing the amplitude response, spectral response or spatial response.
Полезно, чтобы в качестве раздражителей использовали, по меньшей мере, источники акустической энергии, и комбинированную обработку откликов ткани проводили посредством обработки амплитудного отклика, фазового отклика, или частотного отклика. It is useful that at least sources of acoustic energy are used as stimuli, and the combined processing of tissue responses is carried out by processing the amplitude response, phase response, or frequency response.
Данная задача, согласно следующему аспекту изобретения, решается посредством устройства для диагностики предракового или ракового состояния ткани, содержащего единый зонд для воздействия на ткань энергетическими раздражителями, чувствительные элементы, каждый из которых выполнен с возможностью восприятия отклика ткани на соответствующий энергетический раздражитель, представляющего собой ответный энергетический сигнал, контроллер, соединенный с чувствительными элементами для получения указанных откликов ткани, и содержащее процессор для обработки указанных откликов ткани и сопоставления полученных результатов, и блок памяти, в котором, согласно изобретению, единый зонд для воздействия на ткань содержит множество источников энергии, а блок памяти выполнен с возможностью хранения известного классификатора ожидаемых типов ткани, процессор выполнен с возможностью комбинированной обработки откликов ткани на каждый раздражитель для классификации ткани и с возможностью сравнения полученной классификации ткани с известным классификатором ожидаемых типов ткани для ее распознавания. This problem, according to the next aspect of the invention, is solved by means of a device for diagnosing a precancerous or cancerous state of the tissue, containing a single probe for exposing the tissue to energetic stimuli, sensitive elements, each of which is capable of perceiving the tissue response to the corresponding energetic stimulus, which is a response energetic a signal, a controller connected to the sensing elements to obtain the indicated tissue responses, and containing the process quarrels for processing these tissue responses and comparing the results obtained, and a memory unit, in which, according to the invention, a single probe for influencing tissue contains many energy sources, and the memory unit is configured to store a known classifier of expected types of tissue, the processor is configured to combine processing tissue responses to each stimulus to classify the tissue and with the possibility of comparing the resulting tissue classification with a known classifier of expected tissue types for I recognize her.
Предпочтительно, контроллер содержит индикатор для индикации пользователю типа распознаваемой ткани. Preferably, the controller comprises an indicator for indicating to the user the type of tissue being recognized.
Целесообразно, чтобы единый зонд являлся управляемым оператором зондом для контактирования с тканью, причем в зонд были встроены источники энергии и чувствительные элементы для исследования ткани внутри или на наружной поверхности живого организма. It is advisable that the single probe is an operator-controlled probe for contacting the tissue, with energy sources and sensing elements embedded in the probe for examining the tissue inside or on the outer surface of a living organism.
Желательно, чтобы контроллер содержал средство идентификации подведения зондом раздражения к ткани для записи в цифровой форме каждого использования зонда и для автоматического ограничения числа повторных его использований. It is desirable that the controller includes means for identifying the probe’s summation of the irritation to the tissue to digitally record each use of the probe and to automatically limit the number of reuse times.
Данная задача, согласно еще одному аспекту изобретения, решается посредством устройства для диагностики предракового или ракового состояния ткани, содержащего источник электромагнитного излучения, выполненный с возможностью облучения ткани электромагнитным излучением, по меньшей мере, двух различных длин волн, подсоединенный к нему единый зонд для передачи электромагнитного излучения к ткани и приема рассеянного ею излучения по соответствующим по меньшей мере двум различным длинам волн, приемное устройство, соединенное с зондом и устройство сравнения для сравнения откликов ткани на электромагнитное излучение, представляющих собой рассеянное тканью ответное излучение, с известными значениями, в котором, согласно изобретению, зонд содержит по меньшей мере один электрод для приложения электрических сигналов к ткани и соответствующее ему электрическое измерительное средство для измерения результирующего отклика ткани на электрические сигналы, а устройство сравнения выполнено с возможностью сравнения откликов ткани на электромагнитное излучение ткани и результирующего отклика ткани на электрические сигналы с соответствующими известными значениями для идентификации типа ткани. This problem, according to another aspect of the invention, is solved by means of a device for diagnosing a precancerous or cancerous state of tissue, comprising an electromagnetic radiation source configured to irradiate tissue with electromagnetic radiation of at least two different wavelengths, connected to it a single probe for transmitting electromagnetic radiation to the tissue and receiving scattered radiation at the corresponding at least two different wavelengths, a receiving device connected to the probe and a comparison device for comparing tissue responses to electromagnetic radiation, which is a tissue scattered response radiation with known values, in which, according to the invention, the probe comprises at least one electrode for applying electrical signals to the tissue and its corresponding electrical measuring means for measuring the resulting response tissue to electrical signals, and the comparison device is configured to compare tissue responses to electromagnetic radiation of the tissue and the result the response of tissue to electrical signals with corresponding known values to identify the type of tissue.
Данная задача, согласно последнему аспекту изобретения, решается посредством способа диагностики предракового или ракового состояния ткани, включающего воздействие на ткань раздражителя в виде ее электромагнитного облучения несколькими длинами волн, с последующей обработкой откликов ткани на электромагнитное излучение, представляющих собой рассеянное тканью ответное излучение, и анализом обработанных откликов ткани, в котором, согласно изобретению, электромагнитное облучение ткани проводят по меньшей мере двумя различными длинами волн, подводят к ткани электрические сигналы с измерением результирующего отклика ткани на электрические сигналы, комбинированно обрабатывают отклики ткани на электромагнитное излучение и результирующий отклик ткани на электрические сигналы, а диагностический анализ ткани осуществляют путем сравнения обработанных откликов ткани с заранее ожидаемыми откликами ткани. This problem, according to the last aspect of the invention, is solved by a method for diagnosing a precancerous or cancerous state of the tissue, including exposure of the stimulus to the tissue in the form of electromagnetic radiation of several wavelengths, followed by processing of tissue responses to electromagnetic radiation, which is a response radiation scattered by the tissue, and analysis processed tissue responses, in which, according to the invention, electromagnetic irradiation of the tissue is carried out at least two different lengths waves supplied to the electrical signals from the tissue by measuring the resulting response of the tissue to electrical signals, in combination treated tissue responses to electromagnetic radiation and the resulting tissue response to electrical signals, and diagnostic analysis is performed by comparing tissue treated tissue responses with a predetermined expected tissue response.
Предпочтительно, чтобы на основе комбинированной обработки откликов ткани осуществляли ее классификацию и сравнивали классификацию ткани с имеющимся классификатором ожидаемых типов тканей для ее идентификации. It is preferable that, based on the combined processing of the tissue responses, it is classified and the classification of the tissue is compared with the existing classifier of expected types of tissue for its identification.
Следует заметить, что в тех случаях, когда термин "длина волны" используется в связи с источником электромагнитного излучения, ширина полосы пропускания такого источника должна быть ограничена. It should be noted that in cases where the term "wavelength" is used in connection with a source of electromagnetic radiation, the bandwidth of such a source should be limited.
Следует также обратить внимание на то, что излучение обратного рассеяния включает в себя излучение за счет отражения. It should also be noted that backscattering radiation includes radiation due to reflection.
Варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны со ссылкой на следующие чертежи:
фиг. 1 иллюстрирует разрез одного из вариантов конструкции зонда;
фиг. 2 - схематическое изображение первого варианта осуществления зонда;
фиг. 3 - схематическое изображение второго варианта осуществления зонда;
фиг. 4 - график последовательности электрических импульсов, используемых в варианте осуществления, представленном на фиг. 2;
фиг. 5 - график последовательности электрических импульсов, используемых в варианте осуществления, представленном на фиг. 3;
фиг. 6 - блок-схема системы обнаружения одного из вариантов осуществления изобретения;
фиг. 7 - пример графического представления, показывающий группу типов тканей в виде функции трех дискриминант, полученных в результате электрических и оптических измерений;
фиг. 8 иллюстрирует применение варианта осуществления зонда, предназначенного для обнаружения предракового состояния шейки матки;
фиг. 9 иллюстрирует другой вариант осуществления зонда, предназначенного для обнаружения рака кожи или подобного ему;
фиг. 10 - вид в изометрии с частичным разрезом другого варианта осуществления изобретения для обнаружения рака кожи или подобного ему;
фиг. 11 - вид сбоку оптического датчика, включая шарообразную преломляющую головку;
фиг. 12 - вид другого варианта осуществления, который включает ультразвуковые преобразователи;
фиг. 13А и 13В - вид сзади и сбоку варианта осуществления зонда, который содержит тепловой и оптический стимуляторы;
фиг. 14А и 14В - вид сзади и сбоку варианта осуществления зонда, который содержит электрический, оптический и магнитный стимуляторы;
фиг. 15 и 16 иллюстрируют два устройства для калибровки зонда;
фиг. 17 иллюстрирует следующий вариант осуществления устройства для калибровки зонда;
фиг. 18 представляет блок-схему предпочтительного варианта осуществления аппарата для обнаружения.Embodiments of the present invention will be described with reference to the following drawings:
FIG. 1 illustrates a section through one embodiment of a probe;
FIG. 2 is a schematic illustration of a first embodiment of a probe;
FIG. 3 is a schematic illustration of a second embodiment of a probe;
FIG. 4 is a graph of a sequence of electrical pulses used in the embodiment of FIG. 2;
FIG. 5 is a sequence chart of electrical pulses used in the embodiment of FIG. 3;
FIG. 6 is a block diagram of a detection system of one embodiment of the invention;
FIG. 7 is an example of a graphical representation showing a group of tissue types as a function of three discriminants obtained from electrical and optical measurements;
FIG. 8 illustrates the use of an embodiment of a probe for detecting a precancerous condition of the cervix;
FIG. 9 illustrates another embodiment of a probe for detecting skin cancer or the like;
FIG. 10 is a partially cutaway isometric view of another embodiment of the invention for detecting skin cancer or the like;
FIG. 11 is a side view of an optical sensor, including a spherical refractive head;
FIG. 12 is a view of another embodiment that includes ultrasonic transducers;
FIG. 13A and 13B are rear and side views of an embodiment of a probe that includes thermal and optical stimulants;
FIG. 14A and 14B are rear and side views of an embodiment of a probe that includes electrical, optical, and magnetic stimulants;
FIG. 15 and 16 illustrate two devices for calibrating the probe;
FIG. 17 illustrates a further embodiment of a device for calibrating a probe;
FIG. 18 is a block diagram of a preferred embodiment of an apparatus for detection.
Обнаружение рака с помощью оптического зондирования заключается в отображении исследуемого участка ткани на матрице датчиков. Такому способу присущ ряд ограничений. Detection of cancer using optical sensing is to display the studied tissue site on the sensor array. This method has a number of limitations.
Во-первых, при обнаружении рака передача через ткань и рассеивание тканью и прилегающими к ней участками более важно, чем отражение от поверхности ткани. Датчики же оптического изображения первоначально реагируют на отражение от поверхности ткани. First, when cancer is detected, transmission through the tissue and scattering by the tissue and its adjacent areas is more important than reflection from the surface of the tissue. Optical image sensors initially respond to reflection from the surface of the fabric.
Во-вторых, опознаваемое изображение зависит от взаимного влияния ряда характеристик состояния ткани, таких как отражающая способность, излучательная способность, зеркальное отражение, жидкость на поверхности и окружающее освещение. Secondly, the identifiable image depends on the mutual influence of a number of characteristics of the state of the tissue, such as reflectivity, emissivity, specular reflection, liquid on the surface and ambient lighting.
В-третьих, оптический сигнал, принятый каждым элементом изображения матрицы датчика, разлагается в камере только на несколько спектральных областей, соответствующих красному, зеленому и голубому (R G В) излучению. Thirdly, the optical signal received by each image element of the sensor matrix is decomposed in the camera into only a few spectral regions corresponding to red, green, and blue (R G B) radiation.
В-четвертых, физически неосуществимо сделать одновременно электрические, магнитные или акустические измерения для каждого проектируемого элемента ткани. Считается, что такие измерения в сочетании с оптической информацией могут быть очень важны для различения ткани в указанной области. Fourth, it is not physically feasible to simultaneously make electrical, magnetic, or acoustic measurements for each projected tissue element. It is believed that such measurements in combination with optical information can be very important for distinguishing between tissues in the indicated area.
В дополнение к изложенному заметим, что исследуемая область не всегда достаточно доступна для освещения и распознавания с помощью таких приборов, как камера. In addition to the foregoing, we note that the study area is not always sufficiently accessible for lighting and recognition using devices such as a camera.
Когда ткань осматривается невооруженным глазом или системой с формированием изображения, картина, которую мы наблюдаем, представляет собой свет, отраженный каждым мельчайшим участком ткани. Этот свет является результатом отражения от поверхности, и на него смогут повлиять и даже подавить его имеющиеся на поверхности жидкости, окисляющие вещества и другие химикаты или явления, зависящие от pH поверхности, температуры, а также от вида и угла освещения. Свет, отраженный от клеток и тканей, находящихся на поверхности или близлежащих к ней участках, несет в себе меньше информации, связанной с предраковым или раковым состоянием, по сравнению с клетками или тканями, лежащими глубже, видимость которых в значительной степени ослаблена за счет поверхностного отражения. When a tissue is examined with the naked eye or with an imaging system, the pattern we observe is the light reflected by every tiny patch of tissue. This light is the result of reflection from the surface, and it can be affected and even suppressed by liquids, oxidizing substances and other chemicals or phenomena that exist on the surface, depending on the pH of the surface, temperature, and also on the type and angle of illumination. Light reflected from cells and tissues located on or near areas of the surface carries less information related to a precancerous or cancerous condition compared to cells or tissues lying deeper, the visibility of which is significantly weakened due to surface reflection .
Поэтому крайне желательны устройства, позволяющие проникнуть, например, с помощью сигнала к оптическим свойствам глубоко расположенных клеток, исключив при этом отражения от клеток, расположенных на поверхности. Therefore, devices that allow penetration, for example, by means of a signal to the optical properties of deeply located cells, are excluded, while excluding reflections from cells located on the surface.
Средства, используемые в описываемой конструкции для достижения такого распознавания, основаны на управляемом пространственном разделении и оптической изоляции между участками ткани, где она облучается, и участком ткани, излучение которого анализируется. The means used in the described construction to achieve such recognition are based on controlled spatial separation and optical isolation between the tissue regions where it is irradiated and the tissue region whose radiation is analyzed.
Осмотр невооруженным глазом или с помощью обычной оптической системы обнаружения не эквивалентны описанным выше средствам при изучении передаточных свойств каждого элемента участка ткани. Inspection with the naked eye or using a conventional optical detection system is not equivalent to the means described above when studying the transfer properties of each element of a tissue site.
Эти свойства являются следствием сложной динамики процессов передачи, поглощения, рассеивания и обратного отражения, конечный результат действия которых может сделать идентификацию ткани более достоверной по сравнению с использованием только поверхностного oтражения. These properties are the result of the complex dynamics of the processes of transmission, absorption, scattering and back reflection, the final result of which can make the identification of tissue more reliable compared to using only surface reflection.
Этот сложный процесс, представляемый термином "обратное рассеивание", лежит в основе базового варианта осуществления описываемого ниже устройства. This complex process, represented by the term "backscatter," underlies the basic embodiment of the device described below.
Когда информация от множества близлежащих участков, характеристика обратного рассеяния которых измерена, восстанавливается в виде оптического изображения (т. е. восстанавливается в том же пространственном порядке, в каком были произведены измерения), то формируется "изображение" обратно-рассеянных значений восстанавливаемой поверхности. When information from a plurality of nearby areas, the backscattering characteristic of which is measured, is restored in the form of an optical image (that is, it is restored in the same spatial order in which the measurements were made), an “image” of back-scattered values of the reconstructed surface is formed.
Такое изображение, названное "изображением обратного рассеяния", может дать ценное отображение, позволяющее различать виды клеток и тканей всего участка. Such an image, called a "backscatter image", can provide a valuable image that allows you to distinguish between the types of cells and tissues of the entire area.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения представлены средства для создания таких обратно-рассеянных изображений. In one embodiment of the present invention, means are provided for creating such backscattered images.
Дополнение изложенного выше электрическими измерениями, отображающими диэлектрические свойства и полное сопротивление ткани каждого элемента изображения, позволяет создать многомерную картину изображения. Complementing the above with electrical measurements reflecting the dielectric properties and impedance of the tissue of each image element, allows you to create a multidimensional picture of the image.
Описываемый механизм получения изображения методом обратного рассеяния основан на концепции измерения любого одного или нескольких электрических, магнитных акустических, ультразвуковых, тепловых, оптических и других подобных им физических параметров каждого элемента изображения, относящегося к описываемым образам. The described backscattering image acquisition mechanism is based on the concept of measuring any one or more electrical, magnetic acoustic, ultrasonic, thermal, optical, and other similar physical parameters of each image element related to the described images.
Таким образом, каждый элемент рассеянного изображения может содержать характеристики разнообразных видов энергии и физических механизмов. Thus, each element of the scattered image may contain characteristics of various types of energy and physical mechanisms.
Хотя изменения сигнала обратного рассеяния в основном отражают передаточные характеристики возбуждение/прием, не следует при определении изображения обратного рассеяния также исключать проведение измерений собственных характеристик каждого элемента изображения (таких как преобладающая температура, электростатический потенциал). Although changes in the backscatter signal mainly reflect the excitation / reception transfer characteristics, one should not exclude measurements of the intrinsic characteristics of each image element (such as the prevailing temperature, electrostatic potential) when determining the backscatter image.
Так как при определении рака чрезвычайно важно асимптотически стремиться к получению нулевого ложного результата, то для распознавания опухолевых клеток весьма желательно использовать максимально возможное число независимых дискриминаторов. Since in determining cancer it is extremely important to asymptotically strive to obtain a false false result, it is highly advisable to use the maximum possible number of independent discriminators to recognize tumor cells.
Например, если при распознавании типов опухолевых клеток статистический вклад данного устройства для возбуждения/приема, включающего в себя независимый вид энергии, составляет 1%, а суммарный эффект, вносимый в статистическое распознавание другими видами энергии, например оптической или электрической), составляет 98%, то 1%-ный вклад, внесенный за счет магнитной энергии, сократит наполовину погрешность системы с (100%- 98%)= 2% до (100%-99%)= 1% (для оптической, электрической и магнитной энергии). Таким образом, вклад независимой, незначительной на взгляд величины статистической способности распознавания позволяет значительно повысить показатели всей системы, что свидетельствует в пользу введения независимых видов энергии. For example, if, when recognizing types of tumor cells, the statistical contribution of this device for excitation / reception, which includes an independent type of energy, is 1%, and the total effect introduced into the statistical recognition of other types of energy, for example optical or electrical), is 98%, then a 1% contribution made due to magnetic energy will halve the system error from (100% - 98%) = 2% to (100% -99%) = 1% (for optical, electrical and magnetic energy). Thus, the contribution of an independent, insignificant in terms of magnitude statistical recognition ability allows a significant increase in the performance of the entire system, which indicates the introduction of independent types of energy.
По этой причине многократные измерения, которые производятся применительно ко многим формам энергии и механизмам (хотя и более громоздким для исполнения или трудным для встраивания в маленький зонд из-за сложностей, связанных с микроминиатюризацией), весьма желательны для предпочтительной конструкции. For this reason, multiple measurements that are applied to many forms of energy and mechanisms (albeit more cumbersome to perform or difficult to integrate into a small probe due to the difficulties associated with microminiaturization) are highly desirable for the preferred design.
Поэтому следует использовать такую конфигурацию зонда, которая позволяет иметь свободный доступ к требуемой поверхности ткани, а также обойти некоторые или все упомянутые выше ограничения. Therefore, you should use a probe configuration that allows easy access to the desired tissue surface, as well as circumventing some or all of the limitations mentioned above.
При обнаружении рака в окрестности области, проникновение в которую осуществляется посредством физического зонда, важно иметь такой доступ к поверхности осматриваемой ткани, который позволяет иметь визуальную обратную связь, повышающую оперативность врача. If cancer is detected in the vicinity of the area penetrated by a physical probe, it is important to have access to the surface of the tissue being examined that allows visual feedback to increase the efficiency of the doctor.
Поэтому конструкциям, где используется датчик, должна быть придана такая форма, которая обеспечит максимальную видимость при минимальном затемнении, позволяя стимулирующим датчикам следовать за очертаниями исследуемой ткани. Точность, с которой тип ткани может быть определен вблизи поверхности, в значительной мере зависит от вышеупомянутых операций. Therefore, constructions where a sensor is used must be shaped so as to provide maximum visibility with minimal dimming, allowing stimulating sensors to follow the outlines of the tissue being examined. The accuracy with which the type of fabric can be determined near the surface is largely dependent on the above operations.
Управление ориентацией по отношению к поверхности ткани, давление на поверхность ткани, исключение нежелательных источников аппаратурного шума, таких как световой фон, жидкости, паразитные электромагнитные или механические колебания - являются важными факторами, влияющими на достижение точных измерений. Control of orientation with respect to the surface of the fabric, pressure on the surface of the fabric, elimination of undesirable sources of instrumental noise, such as light background, liquids, spurious electromagnetic or mechanical vibrations, are important factors that influence the achievement of accurate measurements.
Кроме того, эти факторы, ограничивающие точность измерений, находятся во взаимосвязи и зависят от способов передачи стимулирующей энергии к и от поверхности ткани, безотносительно к тому, является ли энергия стимулов электрической, оптической, акустической, магнитной, тепловой или ультразвуковой. In addition, these factors limiting the accuracy of measurements are interrelated and depend on the methods of transfer of stimulating energy to and from the surface of the tissue, regardless of whether the stimulus energy is electric, optical, acoustic, magnetic, thermal or ultrasonic.
С помощью датчика изображения следует накопить совокупность данных каждой области опрашиваемого пространства, так чтобы решение об области было основано не на одном, а на множестве N отсчетов. Using the image sensor, one should accumulate the data set of each area of the interrogated space, so that the decision about the area was based not on one, but on the set of N samples.
Результат такой обработки выборок равноценен повышению точности пропорционально
Также целесообразно иметь возможность установить сходство между результирующей "картиной" каждой клетки или каждого вида ткани изучаемой области и картинами на экране компьютера, извлекаемыми из системы формирования изображения. Для этого при построении устройств обнаружения предракового и ракового состояния, которые измеряют физические изменения, следует предусмотреть систему сбора данных, способную адаптироваться ко множеству типов зондов, каждый из которых имеет специфическую конструкцию, определяемую характером его применения. Поэтому зонды должны быть взаимозаменяемыми и автоматически калиброваться при замене.The result of such processing of samples is equivalent to an increase in accuracy proportionally
It is also advisable to be able to establish similarities between the resulting "picture" of each cell or each type of tissue in the study area and the pictures on a computer screen that are extracted from the image forming system. For this, when constructing devices for detecting precancerous and cancerous conditions that measure physical changes, a data collection system should be provided that can adapt to many types of probes, each of which has a specific design, determined by the nature of its application. Therefore, the probes must be interchangeable and automatically calibrated when replaced.
Также важно обеспечить врача, проводящего тест, обратной связью для случаев неправильного применения зонда, дезориентации, несоответствий или наличия других условий, которые могут привести к ошибочным результатам в процессе проведения теста. It is also important to provide the doctor conducting the test with feedback for cases of improper use of the probe, disorientation, inconsistencies, or other conditions that may lead to erroneous results during the test.
Такая информация должна поступать тотчас же или быть легко доступна вместе с другими предупредительными сигналами тревоги, связанными с мгновенным приближением зонда к предраковой или раковой ткани. Such information should come immediately or be readily available along with other warning alarms associated with the instant approach of the probe to precancerous or cancerous tissue.
Во время испытаний действия врача вероятнее всего сконцентрированы на манипулировании зондом в области исследуемой ткани, и поэтому он не может фокусировать внимание на экране компьютера или других устройствах отображения. During the tests, the doctor’s actions are most likely focused on manipulating the probe in the area of the tissue being studied, and therefore he cannot focus on the computer screen or other display devices.
Системы, которые обеспечивают врачу адекватную обратную связь в реальном времени и в то же время позволяют хранить необходимые данные измерений, являются важными составными частями измерительного прибора для диагностики рака. Systems that provide the doctor with adequate real-time feedback and at the same time allow storing the necessary measurement data are important components of a cancer diagnostic instrument.
Так как датчики обычно работают в среде, содержащей жидкости, оптические и электрические характеристики которых варьируют, при калибровке передающего и приемного зондов, а также электрического канала возникают трудности, связанные с необходимостью отслеживать эти изменения. Since the sensors usually work in an environment containing liquids, the optical and electrical characteristics of which vary, there are difficulties in calibrating the transmitting and receiving probes, as well as the electric channel, due to the need to monitor these changes.
Желательно, чтобы оптические измерения основывались на характеристиках передачи, поглощения и обратного рассеивания тела, а не на отражающей способности его поверхности. It is desirable that the optical measurements are based on the characteristics of the transmission, absorption and backscattering of the body, and not on the reflectivity of its surface.
Установка наконечника зонда нормально к эталону отражения для калибровки дает отклик главным образом за счет поверхностного отражения эталона. При такой калибровке отношение излучение/прием не будет монотонной функцией расстояния между эталоном отражения и активной частью зонда и станет сильно зависеть от расстояния. Setting the probe tip normally to the reflection standard for calibration gives a response mainly due to surface reflection of the standard. With such a calibration, the radiation / reception ratio will not be a monotonic function of the distance between the reflection standard and the active part of the probe and will depend strongly on the distance.
Таким образом, сложная задача воспроизводит действительные условия реальных измерений, проводимых в процессе калибровки. Thus, the difficult task reproduces the actual conditions of real measurements carried out during the calibration process.
В зонде, который управляется оператором и периодически контактирует с поверхностью ткани, температура полупроводников и других элементов будет меняться из-за разности между температурой ткани и окружающей среды. В частности, для элементов, которые содержат полупроводниковые переходы на активной поверхности зонда, изменения температуры могут привести к значительным изменениям в работе. Поэтому желательно, чтобы во время проведения измерений система обработки данных компенсировала эти температурные изменения. In a probe that is controlled by an operator and periodically contacts the surface of the fabric, the temperature of the semiconductors and other elements will vary due to the difference between the temperature of the fabric and the environment. In particular, for elements that contain semiconductor junctions on the active surface of the probe, temperature changes can lead to significant changes in operation. Therefore, it is desirable that during the measurement, the data processing system compensates for these temperature changes.
В настоящее время основные механизмы, которые вызывают физически измеряемые различия между нормальной, предраковой и раковой типами тканей представляются только с точки зрения феноменологической модели. Currently, the main mechanisms that cause physically measurable differences between normal, precancerous and cancerous tissue types are presented only from the point of view of the phenomenological model.
Для произвольного типа рака никто не может предсказать точное значение каждого различаемого параметра. В результате, процесс калибровки прибора для обнаружения рака непосредственно связан с используемым алгоритмом различения и базовыми измерениями, на которые опирается этот алгоритм. Это означает, что алгоритм работы может быть правильно оптимизирован только тогда, когда сбор достоверных данных о раковом и предраковом состоянии осуществляется с помощью стабильного воспроизводимого зонда с требуемой геометрией и электрооптическими характеристиками (к примеру). Поэтому методы оптимизации алгоритма с помощью удачных итераций становятся частью процесса калибровки, и необходимые для этого средства реализуются с помощью различных устройств. For an arbitrary type of cancer, no one can predict the exact value of each distinguished parameter. As a result, the calibration process for a cancer detection device is directly related to the discrimination algorithm used and the basic measurements that this algorithm relies on. This means that the operation algorithm can only be correctly optimized when reliable data on the cancer and precancerous condition are collected using a stable reproducible probe with the required geometry and electro-optical characteristics (for example). Therefore, methods for optimizing the algorithm using successful iterations become part of the calibration process, and the necessary tools for this are implemented using various devices.
Для получения дискриминант различаемых типов тканей могут быть использованы один или несколько электродов. Когда используется один электрод, пациент заземляется посредством контакта с другой частью тела. Например, в кардиологии при использовании одного электрода для считывания данных одна рука находится в солевом растворе, или на ее запястье укрепляется манжетка. To obtain discriminants of different types of tissue, one or more electrodes can be used. When one electrode is used, the patient is grounded by contact with another part of the body. For example, in cardiology, when using one electrode for reading data, one arm is in saline solution, or a cuff is attached to her wrist.
Применение набора электродов дает возможность использовать их относительные показания для подтверждения того, что другие измерения, например, оптические, проведены корректно с помощью оптических преобразователей, которые правильно установлены по отношению к поверхности ткани. Асимметричные показания от асимметрично расположенных электродов указывают на асимметрию наконечника зонда по отношению к поверхности ткани. The use of a set of electrodes makes it possible to use their relative readings to confirm that other measurements, for example, optical, were carried out correctly using optical transducers that are correctly installed in relation to the surface of the fabric. Asymmetric readings from asymmetrically located electrodes indicate an asymmetry of the probe tip with respect to the tissue surface.
Электроды могут быть выполнены в виде металлических дисков на лицевой части изолятора, что достигается путем использования проволоки с усеченной поверхностью. The electrodes can be made in the form of metal disks on the front of the insulator, which is achieved by using a wire with a truncated surface.
Электроды могут иметь любую форму, в частности, круглую, эллиптическую, квадратную, прямоугольную, треугольную, сегментов круга или сегментов кольца, и их ориентация может быть симметричной или асимметричной относительно центра массы участка исследуемой ткани. The electrodes can be of any shape, in particular round, elliptical, square, rectangular, triangular, circle segments or ring segments, and their orientation can be symmetric or asymmetric with respect to the center of mass of the tissue region under study.
Поверхность электрода, в свою очередь, может быть металлической или неметаллической. В частности, электрод может включать в себя полупроводниковый материал, например, силикон, графит или двуокись титана, нанесенную на титан. The surface of the electrode, in turn, may be metallic or non-metallic. In particular, the electrode may include a semiconductor material, for example, silicone, graphite or titanium dioxide supported on titanium.
В другом исполнении электрод может включать в себя электролитический элемент (например, серебро/хлористое серебро, или ртуть/хлористая ртуть), связанный с тканью посредством соляного моста. In another embodiment, the electrode may include an electrolytic cell (e.g., silver / silver chloride, or mercury / mercury chloride) bonded to the fabric via a salt bridge.
Соляной мост представляет собой электролит, содержащий гель, губчатый или пористый соединительный разъем, и может быть также использован совместно с металлическим электродом. The salt bridge is an electrolyte containing a gel, spongy or porous connector, and can also be used in conjunction with a metal electrode.
Электроды могут применяться для измерения ряда электрических характеристик таких как:
- Проводимость, путем определения тока, протекающего при подаче на электроды напряжения синусоидальной формы (в диапазоне частот);
- Комплексное сопротивление системы в диапазоне частот;
- Ток, втекающий в приложенные к ткани электроды, когда на них подается напряжение. Этот ток может анализироваться временным или частотным методами (например, преобразование Фурье).Electrodes can be used to measure a number of electrical characteristics such as:
- Conductivity, by determining the current flowing when a sinusoidal voltage is applied to the electrodes (in the frequency range);
- The complex resistance of the system in the frequency range;
- The current flowing into the electrodes attached to the tissue when voltage is applied to them. This current can be analyzed by time or frequency methods (for example, the Fourier transform).
Временной анализ может быть представлен в виде кривой зависимости формы тока от времени, параметров в уравнении кривой, или значений компонент эквивалентной электрической цепи. Temporal analysis can be presented in the form of a curve of the current shape versus time, parameters in the equation of the curve, or the values of the components of the equivalent electrical circuit.
- Ток, вытекающий из электродов ткани после прекращения действия импульса напряжения, приложенного к электродам. Здесь, как и в описанных выше примерах, анализ может быть выполнен как во временной, так и в частотной областях. - The current flowing from the electrodes of the tissue after the termination of the voltage pulse applied to the electrodes. Here, as in the examples described above, the analysis can be performed in both the time and frequency domains.
- Спад напряжения без протекания тока после снятия приложенного напряжения, которое до снятия поддерживалось постоянным достаточное для достижения установившегося состояния время (т.е. спад напряжения при очень высоком сопротивлении). - The voltage drop without current flow after removing the applied voltage, which was kept constant until it was removed, enough time to reach the steady state (i.e. voltage drop at a very high resistance).
Электронное устройство, применяемое для проведения вышеназванных измерений, может представлять собой аппаратные средства или компьютер, работающий под управлением программного обеспечения. В последнем случае вид проводимых измерений может меняться в зависимости от результатов предыдущих измерений. Эти средства важны для выяснения того, что зонд установлен на поверхности ткани точно, и поэтому показания, а также электрический, оптический и другие тракты могут считаться надежными. The electronic device used to perform the above measurements may be hardware or a computer running software. In the latter case, the type of measurements performed may vary depending on the results of previous measurements. These tools are important for ascertaining that the probe is mounted accurately on the surface of the fabric, and therefore the readings, as well as the electrical, optical and other paths, can be considered reliable.
Данные могут удаляться автоматически, если ориентация зонда выходит за допустимые пределы. Data can be deleted automatically if the orientation of the probe is out of range.
Для совместимости с программным обеспечением могут быть выбраны различные конфигурации электродов и цепей для анализа сигналов. For compatibility with software, various electrode and circuit configurations can be selected for signal analysis.
Для некоторых типов тканей компьютер может оказаться не в состоянии дать однозначный диагноз, используя стандартный режим измерений. В этом случае схема может быть изменена программным путем или другими средствами, с помощью которых могут быть сделаны дополнительные определения. For some types of tissue, the computer may not be able to give an unambiguous diagnosis using the standard measurement mode. In this case, the circuit can be changed programmatically or by other means by which additional definitions can be made.
Зонд должен иметь возможность оперативно перемещаться по поверхности или внутри человеческого тела с использованием расширителя или других вспомогательных приспособлений, обеспечивающих врачу беспрепятственный обзор зондируемой ткани. Кроме того, должен быть обеспечен зазор, достаточный для проникновения яркого света, например, при проведении видеозаписи выборочных данных. The probe should be able to quickly move around the surface or inside the human body using an expander or other auxiliary devices that provide the doctor with an unobstructed view of the probe tissue. In addition, sufficient clearance must be provided for the penetration of bright light, for example, when conducting video recording of sample data.
Для большинства случаев внутриполостных применений размеры поверхности, к которой прикладывается зонд для получения отклика, могут быть менее 2 мм в диаметре. Соответственно разрешающая способность зонда должна быть достаточной для разрешения предраковой ткани таких размеров. For most intracavitary applications, the size of the surface to which the probe is applied to provide a response may be less than 2 mm in diameter. Accordingly, the resolution of the probe should be sufficient to resolve precancerous tissue of this size.
Установив ряд предпочтительных критериев, которые могут быть полезны для определения предраковой и раковой тканей, приступим к описанию конкретных конструкций. Having established a number of preferred criteria that may be useful for determining precancerous and cancerous tissues, we proceed to describe specific structures.
На фиг. 1 представлено устройство для диагностики предраковой и раковой ткани, включающее в себя зонд 1, связанный с контроллером 20 посредством кабеля 9, соединенного с зондом 1 через разъем 8. В этом устройстве зонд 1 используется для определения рака шейки матки. На фиг. 1 также изображен расширитель 30, который используется для того, чтобы раскрыть стенки влагалища 31 пациентки для воздействия наконечником зонда 1; шейка матки 32 завершает родовые пути 33, ведущие в матку 34. In FIG. 1 shows a device for diagnosing precancerous and cancerous tissue, including a
Зонд 1 движется по всей поверхности шейки матки 32 для того, чтобы стимулировать ткань матки 32 и получить отклики на стимулы, которые могут быть обработаны контроллером 20. The
Как показано на фиг. 2, зонд 1 включает в себя наружную трубку 2, которая обеспечивает электрическую изоляцию и создает механическую прочность. Расположенный внутри трубки 2 первый электрод 3 выполнен в виде электрической проволоки с усеченной поверхностью и расположен в центре пучка волоконной оптики 4. As shown in FIG. 2, the
Три других электрода 5, 6, 7 представляют собой сегменты цилиндрической металлической трубки, которые расположены смежно и упираются во внутреннюю поверхность внешней трубки 2. На фиг. 3 представлен второй вариант зонда 10, который используется в устройстве по фиг. 1. Этот вариант зонда 10 имеет более компактную конструкцию, которая реализуется с использованием только трех электродов 15, 16, 17, имеющих форму, отличную от электродов 5, 6, 7. The other three
Форма электродов 15, 16, 17 обеспечивает проведение электрических и оптических измерений на одном и том же участке ткани. The shape of the
Электроды 15, 16, 17 являются смежными и упираются во внешнюю трубку 12 вместе с кабелем из трех волоконно-оптических пучков 14, расположенных между ними. The
Используя первый вариант зонда 1, проводят три первоначальных электрических измерения между центральным первым электродом 3 и каждым из остальных электродов 5, 6, 7. Результаты этих измерений сравниваются, и если они значительно отличаются, то измерения отбрасываются, т.к. они указывают на неравномерный контакт наконечника зонда 1 с тканью. Using the first version of the
В предпочтительном варианте конструкции для измерения электрических и оптических свойств используются импульсные методы, т.к. они уменьшают шум и взаимное влияние между измеряемыми сигналами. Поэтому в примерах изобретения, представленных на фиг. 4 и 5, используется последовательность электрических импульсов. In a preferred embodiment, pulse methods are used to measure electrical and optical properties, as they reduce noise and the mutual influence between the measured signals. Therefore, in the examples of the invention shown in FIG. 4 and 5, a sequence of electrical pulses is used.
На фиг. 4 представлена последовательность
электрических импульсов, которая может быть использована для зондов по фиг. 1 и фиг. 2.In FIG. 4 shows the sequence
electrical pulses, which can be used for the probes of FIG. 1 and FIG. 2.
Импульс напряжения U3,5 прикладывается между электродами 3 и 5, при этом электроды 6 и 7 отключены. A voltage pulse of U3.5 is applied between the
За этим импульсом следует импульс U3,6 между электродами 3 и 6 при отключенных электродах 5 и 7. Далее следует импульс U3,7 между электродами 3 и 7 при отключенных электродах 5 и 6. Во время и немедленно после окончания каждого импульса U3,5, U3,6 и U3,7 проводятся измерения электрических откликов, которые потом запоминаются и сравниваются. Это описывается ниже. Если результаты измерений значительно различаются, они отбрасываются, т.к. это указывает на то, что наконечник зонда 1 имеет неравномерный контакт с тканью. This pulse is followed by a pulse U3,6 between
Чтобы иметь возможность получить большое число отсчетов, длительность импульса и длительность последовательности должны быть относительно короткие: типовые значения длительности импульса от десятков до сотен микросекунд при длительности последовательности единицы миллисекунд обеспечат получение полезной информации в реальном времени. To be able to obtain a large number of samples, the pulse duration and the duration of the sequence should be relatively short: typical values of the pulse duration from tens to hundreds of microseconds with a sequence duration of a few milliseconds will provide useful information in real time.
Если изложенные выше измерения показывают, что зонд 1 установлен правильно, проводится четвертое измерение с симметричным соединением электродов, т. е. импульс напряжения U3 (5, 6, 7) прикладывается между электродом 3 и электродами 5, 6, 7. If the above measurements show that the
На фиг. 5 представлена аналогичная последовательность электрических импульсов, используемая для варианта осуществления изобретения, представленного на фиг. 3. В этом варианте осуществления изобретения симметрирование электрического поля в данный момент проводиться не будет. In FIG. 5 shows a similar sequence of electrical pulses used for the embodiment of FIG. 3. In this embodiment, the electric field will not be balanced at the moment.
Три электрических импульса прикладываются между электродами: U15 (16,17) прикладывается между электродом 15 и подключаемыми электродами 16 и 17, U16 (17,15) прикладывается между электродом 16 и подключаемыми электродами 17 и 15 и U17 (15,16) прикладывается между электродом 17 и подключаемыми электродами 15 и 16. Относительные величины измеряемых откликов указывают на корректность или некорректность установки зонда, что обеспечивает индикацию ошибки оператора. Three electrical pulses are applied between the electrodes: U15 (16.17) is applied between the
В другом варианте осуществления изобретения допускается возможность использования в зонде только одного электрода, второе подсоединение к коже или ткани может быть осуществлено одним из многих приемлемых способов, например, с помощью токопроводящей манжетки, связанной с любой частью тела. In another embodiment of the invention, only one electrode is allowed to be used in the probe, the second connection to the skin or tissue can be accomplished in one of many acceptable ways, for example, using a conductive cuff connected to any part of the body.
Используя зонд 1 или 10 описанного варианта осуществления изобретения, можно определить электрические свойства ткани многими способами. Например, прямоугольный электрический импульс может быть приложен к электродам так, как описано выше, и изменяющийся во времени ток, который втекает и вытекает из ткани, может быть измерен либо в форме тока в цепи, либо в форме изменяющейся во времени разности потенциалов между электродами, следующей за импульсом. Using
Форма этих изменяющихся по времени сигналов является мерой электрических характеристик ткани. Альтернативно электрические сигналы разных частот могут быть использованы для измерения электрических характеристик ткани. Уровень напряжения, приложенный к ткани во время измерений, должен быть достаточно большим, чтобы измеряемые сигналы превышали окружающие шумовые сигналы (которые могут присутствовать), но в общем случае они не должны превышать 2 B, чтобы не вызывать дискомфорт для пациента. The shape of these time-varying signals is a measure of the electrical characteristics of the tissue. Alternatively, electrical signals of different frequencies can be used to measure the electrical characteristics of the tissue. The voltage level applied to the tissue during the measurements should be large enough so that the measured signals exceed the surrounding noise signals (which may be present), but in general they should not exceed 2 V so as not to cause discomfort for the patient.
Оптические характеристики ткани могут быть измерены в диапазоне длин волн от ультрафиолетовых до инфракрасных. The optical characteristics of the tissue can be measured in the wavelength range from ultraviolet to infrared.
Одно из оптических волокон в зондах 1 и 10 используется для того, чтобы направлять электромагнитное излучение от одного или нескольких источников к поверхности ткани, где энергия поглощается и рассеивается. Второе волокно, которое может быть смежным или находится рядом с первым волокном, направляет излучение от ткани к одному или ряду детекторов (не показаны). Амплитуда сигналов от детекторов служит мерой оптических характеристик ткани. One of the optical fibers in
Источниками электромагнитного излучения могут служить светодиоды (не показаны) или твердотельные лазеры (не показаны). Light emitting diodes (not shown) or solid-state lasers (not shown) can serve as sources of electromagnetic radiation.
Несколько длин волн могут быть направлены по одному волокну 4,14 или для каждой длины волны могут быть использованы отдельные волокна 4,14. Среди длин волн, которые считаются наиболее приемлемыми для диагностики, являются 540, 650, 660, 940 и 1300 нм. Several wavelengths can be directed along a single 4.14 fiber, or individual 4.14 fibers can be used for each wavelength. Among the wavelengths that are considered the most acceptable for diagnosis are 540, 650, 660, 940 and 1300 nm.
Контроллер 20 включает в себя специализированную компьютерную систему 21 (фиг. 6) и может осуществлять управление устройствами предпочтительного варианта конструкции. The controller 20 includes a specialized computer system 21 (Fig. 6) and can control devices of the preferred design.
Система 21 содержит блок микропроцессора 22, который управляет через аналоговый блок 23 синхронизацией электрических сигналов, приложенных к электродам 3, 5, 6, 7, 15, 16, 17 зондов 1 и 10, соответственно и к оптическим излучателям (не показаны). Сигналы, поступающие с электрических и оптических детекторов, обрабатываются в микропроцессорном блоке 22, и результат обработки может быть представлен на дисплее 24 или может активизировать работу других индикаторов: визуального, звукового, печатающего устройства. Для ввода команд в компьютерную систему 21 оператор может использовать клавиатуру 25. The
Данные, собранные компьютерной системой 21, обрабатываются и сравниваются с данными, которые были заложены в ее памяти в виде данных изображений, специфичных для каждого типа ткани. The data collected by the
На фиг. 7 изображен полученный в результате электрических и оптических измерений типичный график вида ткани как функции трех дискриминант. In FIG. Figure 7 shows a typical graph of tissue appearance obtained as a result of electrical and optical measurements as a function of three discriminants.
При построении фиг. 7 использованы три дискриминанты: две - результат измерения обратного рассеяния света (dsc1, dsc2 - каждый на соответствующей длине волны), и одна - результат измерений формы кривой электрической релаксации, полученной с помощью анализа Фурье (dsc3). When constructing FIG. Three discriminants are used in Fig. 7: two — the result of measuring the backscattering of light (dsc1, dsc2 — each at the corresponding wavelength), and one — the result of measuring the shape of the electric relaxation curve obtained using Fourier analysis (dsc3).
Фиг. 7 показывает отличие нормальных видов тканей - врожденный чешуйчатый эпителий (OSE1, OSE2, OSE3), цилиндрическая (COL1, COL2) и недозрелая метаплазия (Р) от патологических - предраковая ткань типа Вирус бородавки человека (HPV), Атипия (ATVP) и предраковая (D1, D2, D3). FIG. 7 shows the difference between normal types of tissue - congenital squamous epithelium (OSE1, OSE2, OSE3), cylindrical (COL1, COL2) and immature metaplasia (P) from pathological - precancerous tissue such as Human Wart Virus (HPV), Atypia (ATVP) and precancerous ( D1, D2, D3).
Результаты этих сравнений доводятся до оператора с помощью дисплея 24 или других подходящих средств. Для каждого пациента эти результаты могут быть запомнены в микропроцессорном блоке 22 и затем выбраны из памяти или распечатаны. The results of these comparisons are communicated to the operator using the
В представленных на фиг. 1-7 вариантах осуществления зонды 1 и 10, имеющие в определенных случаях удлиненную наружную трубку, могут быть выполнены с гибкой ручкой или зонд может быть встроен в капсулу путем введения в нее по принципу катетера. As shown in FIG. 1-7 embodiments, probes 1 and 10, having, in certain cases, an elongated outer tube, can be made with a flexible handle or the probe can be integrated into the capsule by insertion into it by the principle of a catheter.
На фиг. 8 представлен сконструированный для решения специфичной задачи зонд 40, имеющий форму, необходимую для исследования образцов тканей шейки матки 32 пациентки. В частности, зонд 40 для шейки матки имеет удлиненную ручку 41, за которую врач может держать зонд и которая соединяется кабелем (не показан) с системой управления. Ручка 41 ограничена основным корпусом 42, от которого ответвляется центральная часть 43 зонда, идущая в родовые пути 33 и окруженная кольцеобразным углублением 44, имеющим форму чашки шейки матки. In FIG. 8 shows a
Вдоль поверхности зонда 43 и углубления 44 размещены повторяющиеся ряды элементов 45, осуществляющих стимуляцию/прием, которым придана необходимая форма для испытания физических характеристик ткани вдоль внутренних очертаний шейки матки 32. Along the surface of the
Датчики 45 связаны с контроллером через ручку 41.
Так как многообразие видов энергии стимуляция/прием прикладывается ко множеству прилегающих друг к другу областей вдоль всех очертаний лицевой части зонда, то совокупная картина обратного рассеяния может быть получена путем простого вращения оператором ручки 41. Since the variety of types of stimulation / reception energy is applied to the set of adjacent regions along all the outlines of the front of the probe, the combined backscatter pattern can be obtained by simply turning the
На фиг. 9 показан гибкий зонд, который сконструирован специально для кожи, в данном случае для кожи руки 36 пациента. Зонд 50 состоит из гибкой плоской печатной платы 51, на которой расположен ряд датчиков. Датчики 52 соединены с кабелем 54 посредством печатных соединений 53. Кабель 54 соединяет зонд 50, как и в предыдущем варианте, осуществления с контроллером. Благодаря такому построению зонд 50 может быть приложен как к криволинейной, так и к плоской поверхности, что позволяет оценить относительно большие области в значительно более короткое время, чем то, которое требуется для зондов вариантов осуществления по фиг. 2, 3 или 8. In FIG. 9 shows a flexible probe that is designed specifically for the skin, in this case, for the skin of the arm of a
На фиг. 10 представлено дальнейшее развитие конструкции фиг. 9, но для полностью интегрированного детекторного узла. Детекторная сборка 60 включает в себя гибкую подложку 61, на которой, так же как и на зонде 50, устанавливается множество датчиков 62. Подложка 61 удерживается с помощью опоры 63, выполненной из пенопласта с открытыми порами и присоединенной к кожуху 64, внутри которого расположено устройство управления 65 детекторной сборки 60. Опора 63 позволяет подложке 61 изгибаться, чтобы соответствовать очертаниям ткани, и при этом поддерживается устройством управления 65. Устройство управления 65 подсоединяется к датчикам 62 и вводит в малогабаритный блок функции обработки данных, требуемые для определения вида наружной ткани. In FIG. 10 shows a further development of the structure of FIG. 9, but for a fully integrated detector assembly. The detector assembly 60 includes a
Устройство управления 65 включает в себя источник питания 66, состоящий из набора батарей, и модуль процессора 67, секция ввод-вывод 68 которого подсоединена к датчикам 62 и модулю управление/дисплей 69. Индикаторы 70, соединенные с модулем управление/дисплей 69, обеспечивают визуальную или звуковую обратную связь с оператором и указывают тип ткани, когда совокупность датчиков 60 устанавливается на поверхность живой ткани. The
Фиг. 11 иллюстрирует сферический преломляющий зонд 71, который включает в себя корпус ручки 72 и чистый (прозрачный) сферический преломляющий шар 73, установленный на периферии корпуса ручки 72. Внутри корпуса ручки 72 встроены источники света 74 (на фиг. 11 изображен только один из них), такие как светодиоды, излучающие в разных спектральных областях, и дополняющие их датчики 75 (на фиг. 11 для ясности изображен только один из них), такие как зависимые от освещенности сопротивления, PIN-диоды, или другие оптические сенсоры. Зонд 71 сконструирован таким образом, что шар 73 преломляет световые лучи, излучаемые каждым источником 74, формируя в основном сферическую форму волны, чтобы воздействовать на большие участки поверхности ткани 76, которые контактируют с шаром 73. Аналогичным образом обратно рассеянный от ткани 76 свет преломляется через шар 73 по направлению к датчику 75. Оптически непрозрачный барьер 80а предотвращает прямое освещение на пути от источника 78 к датчикам 79. Для того чтобы обеспечить контакт с тканью 76 с целью ее электрической стимуляции, на шаре 73 расположены два электрода 78. Сигналы между зондом 75 и контроллером (не показан) передаются через ряд проволочных проводников 80. Как видно из фиг. 11, область 80 ткани 76 освещается источниками 74, а область 81 ткани осматривается датчиками 75, которые обеспечивают индикацию светопередачи через ткань 76 между областями 80 и 81. FIG. 11 illustrates a spherical
На фиг. 12 изображен ультразвуковой датчик 85, который установлен в верхней части ручки 86, в которую встроены четыре электрических датчика 87, спроектированные иначе, нежели в предыдущей конструкции. В частности, в зонде 85 установлены четыре ультразвуковых излучателя 88, каждый из которых может возбуждаться независимо, для того чтобы стимулировать ткань при контакте с ней. Когда любой из излучателей 88 стимулирует ткань, остальные три могут быть использованы для приема переданного ультразвукового излучения. Принятые ультразвуковые сигналы могут быть обработаны для определения различия характеристик, связанных с плотностью ткани и любыми изменениями плотности в любой части ткани, где индицируется кровоток. Это может быть осуществлено путем измерения времени пробега, так же, как это производится в известных акустических системах визуализации изображений, таких как эхолокатор или ультразвуковые медицинские приборы. Для того чтобы компенсировать изменения акустической связи, на поверхности зонда 85 установлен ряд температурных датчиков 89, которые могут быть использованы для определения температуры исследуемой ткани с целью компенсации изменения скорости ультразвука. In FIG. 12 shows an
На фиг. 13А и 13В изображен зонд 90, использующий энергию тепла и света, который состоит из корпуса 91, выполненного в форме трубы, вдоль которой проходят оптические волокна 92. In FIG. 13A and 13B depict a
Оптические волокна 92 используются для того, чтобы освещать исследуемую ткань и принимать отраженный от ткани свет. В зонд 90 также введен нагревательный элемент 93, сконструированный для избирательного нагрева зондируемой ткани, и датчик температуры 94, предназначенный для измерения температуры ткани как отклика на воздействие нагревательного элемента 93. Время отклика типа ткани на тепловое воздействие может быть определено с помощью контроллера, который обеспечивает показания о кровотоке в ткани, что может служить индикацией предраковых и раковых образований.
На фиг. 14А и 14В изображен магнитный зонд 100, который аналогично предыдущему варианту осуществления выполнен внутри трубообразного корпуса 101. Зонд 100 включает в себя ряд электродов 102, спроектированных по аналогии с предыдущим вариантом. Туда также введены четыре оптических передатчика 103, такие как светодиоды, предназначенные для передачи света на разных длинах волн таких как 1300, 440, 565 и 660 нм. Для приема света различных длин волн, таких как 1300 и 500-1000 нм установлены два оптических приемника 104. Кроме того введен передатчик 105 магнитного излучения, установленный по центру зонда 100, и три окружающих его приемника 106 магнитного излучения. In FIG. 14A and 14B depict a
Передатчик 105 и приемник 106 магнитного излучения содержат магнитный сердечник с обмоткой, при этом передатчик магнитного излучения 105 создает небольшое магнитное поле, простирающееся от конца зонда 100. Изменения магнитного поля обнаруживаются приемниками 106, которые могут осуществлять сравнение путем дисбаланса между сигналами, принятыми каждым из приемников 106, что позволяет определять магнитную аномалию в ткани. The
Хотя в то время, когда пишутся эти материалы, точный смысл магнитных стимулов не выяснен, полагают, что локализованные аномалии магнитного отклика ткани вызваны нарушениями равновесия электрического заряда, возникающими в результате изменений в разделяющих слоях внутри клеток ткани. Заметим, что окружение ядра ткани представляет собой ряд отделенных друг от друга оболочек, и полагают, что связь между ними ограничивает рост нормальных клеток. Однако в случае раковых клеток ограничение связи между оболочками представляется именно тем ограничением, которое прямо связано с беспрепятственным ростом раковых клеток. Поэтому дисбаланс в распределении электрического заряда, который может быть определен или изменен с помощью магнитного поля, может служить показателем ограниченной связи и, следовательно, ракового состояния. Для разных типов зондов желательно использовать общее устройство управления, и поэтому уместно, чтобы там, где зонды взаимозаменяются, они и/или контроллер могли бы быть прокалиброваны таким образом, чтобы обеспечить надежное и согласованное исследование образцов. Although at the time these materials were being written, the exact meaning of magnetic stimuli was not clarified, it is believed that localized anomalies in the magnetic response of the tissue are caused by imbalances in the electric charge resulting from changes in the separating layers inside the tissue cells. Note that the environment of the tissue nucleus is a series of shells separated from each other, and it is believed that the connection between them limits the growth of normal cells. However, in the case of cancer cells, the limitation of the connection between the membranes seems to be precisely the limitation that is directly related to the unhindered growth of cancer cells. Therefore, an imbalance in the distribution of the electric charge, which can be determined or changed using a magnetic field, can serve as an indicator of a limited connection and, therefore, a cancerous state. For different types of probes, it is desirable to use a common control device, and therefore it is appropriate that, where the probes are interchanged, they and / or the controller can be calibrated in such a way as to ensure reliable and consistent examination of the samples.
Быстрый рост микроминиатюризации увеличивает возможности реализации в едином зонде значительного числа ранее упомянутых форм энергии стимуляция/прием, что повышает число различаемых параметров, требуемых для определения рака и предрака. The rapid growth of microminiaturization increases the possibility of realizing in a single probe a significant number of the previously mentioned forms of stimulation / reception energy, which increases the number of distinguishable parameters required for determining cancer and precancer.
На фиг. 15 изображена первая конструкция для калибровки 120, где зонд 122, связанный с контроллером 121, контактирует с искусственным заменителем ткани 123. Материал 123 имитирует вполне определенные известные характеристики ткани, например, обратное рассеяние и другие энергетические характеристики, связанные с излучением/приемом, такие как электрические, при этом контроллер 121 может быть установлен в режим автоматического обнуления, при котором выход стимулирующих импульсов с зонда 122 и принятый сигнал могут быть в пределах нормы или подстроены так, чтобы они вернулись в пределы установленных границ. Будучи однажды прокалиброван, зонд 122 может быть использован для работы, а искусственный заменитель ткани 123 с целью предотвращения биологической опасности должен быть простерилизован. In FIG. 15 depicts a
На фиг. 16 представлена вторая конструкция 125, которая является полностью активной в противоположность полуактивной конструкции фиг. 15. На фиг. 16 изображен наконечник зонда 126, контактирующий с дополняющей его матрицей 127, которая формирует часть контроллера 128, имеющего связь с зондом 126. Таким образом, передатчики и приемники каждого из наконечников зонда 126 и матрицы 127 могут быть возбуждены, и так как выходной сигнал матрицы 127 зонда известен и согласован с точно калиброванной конфигурацией драйвера 129, выходные сигналы драйвера 129 могут быть определены контроллером 130 калибратора, который может изменять конфигурацию драйвера наконечника зонда 126. Третье устройство калибровки 135 представлено на фиг. 17, где зонд 136 имеет токопроводящие провода 137, идущие от датчика (не показан) и присоединенные к контроллеру 141. В зонд 136 встроено программируемое постоянное запоминающее устройство - ППЗУ (PROM)138, в которое введены данные о специальных калибровочных величинах, связанных с датчиками зонда 136. ППЗУ 138 непосредственно связано с модулем калибровки 140 через провода 139. Модуль калибровки 140 имеет выходы 142 для регулировки усиления, связанные с матрицей усилителей 143, к которой подсоединены провода 137, идущие к датчикам и от них. Таким образом, усиление каждого усилителя 143 регулируется в соответствии с данными, заложенными в ППЗУ 138, чтобы компенсировать различия между датчиками разных зондов 136. Цепи ППЗУ 138 допускают также цифровую электронную стандартизацию зонда и позволяют осуществлять слежение, когда зонд используется совместно с компьютером. Введение ППЗУ 138 в зонд 136 позволяет осуществлять электронное распознавание зондов, при этом каждое использование зонда 136 фиксируется; при необходимости, число повторных использовании зонда 136 ограничивается априори автоматически. In FIG. 16 shows a
Перейдем теперь к фиг. 18, где схематически показана предпочтительная конструкция системы обнаружения 150, которая включает зонд 151, связанный через аналоговую плату 152 с платой процессора 153. Плата процессора 153 со стороны выхода соединена с дисплеем 154 и имеет входы для пользователя, связь с которыми осуществляется посредством управляющих клавиш 155 и цифровой специализированной клавиатуры 156. Компьютерный вид связи осуществляется через соединение RS-232 (интерфейс для медленных устройств) 157 или порт IEEE 488 (интерфейс для устройств со средней скоростью передачи данных), или СОМ# порт, или прямой доступ к памяти (DMA); напряжение питающей сети поступает через разъем 158. We now turn to FIG. 18, which schematically shows a preferred design of the
Зонд 151 содержит устройства, создающие множество разных физических стимулов. В частности, светодиоды 159 обеспечивают оптическую стимуляцию. Электроды 160 обеспечивают электрическую стимуляцию ткани, которая может быть использована как для определения значения дискриминант, так и для оценки положения зонда 151 относительно ткани. Дополнительные устройства (не показаны) для расширения количества дискриминант стимуляция/прием могут быть введены по аналогии с описанными. Для повышения возможностей ориентирования зонда 151 используются тензодатчики 161, которые обеспечивают индикацию положения зонда 151 относительно ткани. Датчик 161 также содержит индикаторы 162, которые могут быть звуковыми и/или оптическими и обеспечивают обратную связь в реальном времени между врачом и исследуемым видом ткани. Фотодиоды 163 обеспечивают электрооптическое восприятие света, излученного светодиодами 159 и отраженного от ткани. В связи с низким уровнем выходного сигнала фотодиодов 163 в зонд 151 введены предусилители 164. Зонд 151 связан с аналоговой платой 152, которая содержит усилитель мощности и управляющий усилитель, связанные с каждым из элементов зонда 151. Плата процессора 153 включает в себя контроллер, использующий центральное процессорное устройство (CPU) 178, которое снабжено цифровым блоком ввод/вывод (1/0) 176 и последовательным блоком ввод/вывод (1/0) 178. Центральное процессорное устройство инициирует стимулы, которые поступают на выход через последовательный блок ввод/вывод 178 к цифроаналоговому преобразователю 174. Сигнал с выхода цифроаналогового преобразователя поступает к усилителю мощности и управляющему усилителю 165 светодиодов. Усилитель мощности и управляющий усилитель 165 светодиодов используется для возбуждения светодиодов 159, при этом на другой его вход подаются цифровые сигналы с цифрового блока ввод/вывод 176. Выход цифрового блока ввод/вывод 176 подсоединен к блоку возбуждения 166, который связан с электродами 160 и подает на них стимулирующие импульсы, которые подводятся к ткани. Усилитель 167 усиливает выходные сигналы электродов 160, которые следуют через блок защиты 172 к аналого-цифровому преобразователю 177 для оценки центральным процессорным устройством (CPU) 178. Выход каждого из фотодиодных усилителей 164 подсоединяется к усилителю 171 оптического детектора, выход которого преобразуется в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя 177 для обращения к центральному процессорному устройству (CPU) 178. В качестве альтернативы могут быть также введены излучатели стимуляция/прием. Драйвер тензодатчика 168 использует сигнал постоянного тока от мощного преобразователя постоянного тока 180 и подает его на тензодатчик 161, выход которого связан с усилителем 169 тензодатчика. Выходы усилителя 169 через блок защиты 172 идут к аналого-цифровому преобразователю 177 для измерения величин сил, с которыми зонд действует на ткани. Выходы цифрового блока ввод/вывод 176 подсоединены к усилителю 170 индикатора, который возбуждает индикатор. Центральное процессорное устройство 178 содержит устройство сброса 181, часы 182, а также выходы, соединенные с контрольным гнездом 183. Упомянутый ранее зонд 151 может быть снабжен программируемым постоянным запоминающим устройством (PROM, не показан), чтобы осуществить калибровку, упростить стандартизацию и сделать запись о данных зонда. При использовании программируемого постоянного запоминающего устройства последнее может быть непосредственно подсоединено к цифровому блоку ввод/вывод 176. Во время работы аппарата базовая модель стимуляции программируется или выбирается из памяти 179 с помощью центрального процессорного устройства 178 и используется для возбуждения светодиодов 159 и электродов 160. Ряд данных записывается с помощью центрального процессорного устройства 178 и хранится в памяти 179, где они преобразуются в различные дискриминанты. Для каждой родственной серии взятых образов многочисленные дискриминанты затем объединяются в соответствии с определенным алгоритмом, чтобы обеспечить классификацию видов тканей. Эта классификация сравнивается затем с классификацией, хранящейся в энергонезависимой части памяти (запоминающее устройство, сохраняющее информацию при выключении электропитания) 179, где происходит сопоставление; классификация позволяет определить, является ли ткань нормальной, предраковой или раковой и обеспечить врача необходимой индикацией. В тех случаях, когда тип ткани не определен, к врачу поступает соответствующая индикация, которая побуждает врача проводить дальнейшие исследования этой части ткани. Когда обрабатывается ряд опознаваемых данных, следует выбирать те признаки, которые не связаны с изменениями, которые имеют место от пациента к пациенту. Это может включать обработку физических параметров, таких как электрические и оптические характеристики во временной и частотной областях, чтобы обеспечить частотные и временные портреты электрических характеристик. Частотные составляющие могут быть получены путем преобразования Фурье или измерения на разных частотах. Временные характеристики определяют амплитуду отклика, вызванного энергией, подводимой к ткани. Качание частоты возбуждения создает спектральный отклик, что позволяeт на основании комплексного сопротивления рассмотреть тип ткани, включающий девять или более отдельных параметров, каждый из которых имеет соответствующую спектральную характеристику. Электрическая временная характеристика может быть получена путем последовательного наблюдения исследуемого отклика на известное электрическое воздействие типа ступенчатая функция или импульс. Probe 151 contains devices that create many different physical stimuli. In particular,
Как отмечалось выше, в оптических устройствах абсолютная величина обратного рассеяния образца может быть определена наряду с крутизной и скоростью изменения отклика, это позволяет использовать в качестве переменных первую и вторую производные как функцию длины волны или времени для спектральной или временной характеристик соответственно. As noted above, in optical devices the absolute value of the backscattering of the sample can be determined along with the steepness and rate of change of the response, this allows the first and second derivatives to be used as variables as a function of wavelength or time for spectral or temporal characteristics, respectively.
Так как при передаче ультразвука изменение влияет на амплитуду и эффект Допплера, то возможны различные комбинации, которые могут быть проанализированы с помощью техники анализа изображений. Для магнитных стимулов могут быть определены аномалии на определенных частотах. Для каждого типа ткани могут быть использованы различные комбинации стимулов. Since during ultrasound transmission, the change affects the amplitude and the Doppler effect, various combinations are possible, which can be analyzed using the image analysis technique. For magnetic stimuli, anomalies at certain frequencies can be determined. For each type of tissue, different combinations of stimuli can be used.
Например, для рака шейки матки предпочтительные виды стимулов - оптические и электрические. Для ткани кожи - оптические, электрические, магнитные, акустические и тепловые. Для определения конкретного типа исследуемой ткани полученные физические данные и различные дискриминанты следует скомбинировать по определенному алгоритму. Это может быть выполнено с использованием техники дискриминантного анализа, линейного программирования, взаимной корреляции или нейронной сети. For example, for cervical cancer, the preferred types of stimuli are optical and electrical. For skin tissue - optical, electrical, magnetic, acoustic and thermal. To determine the specific type of tissue under study, the obtained physical data and various discriminants should be combined according to a certain algorithm. This can be done using the discriminant analysis technique, linear programming, cross-correlation, or neural network.
Предпочтительным является тот вариант дискриминантного анализа, когда мнение эксперта или эмпирически полученная корреляция используется применительно к данным, между которыми существует связь, чтобы оптимизировать значения величин дискриминант. Для каждой переменной оценивают различные коэффициенты и определяют, как следует изменить переменные для того, чтобы они были отображены в соответствующем виде классификации. The variant of discriminant analysis is preferable when the expert opinion or empirically obtained correlation is used in relation to data between which there is a relationship in order to optimize the values of the discriminant values. For each variable, various coefficients are evaluated and how the variables should be changed so that they are displayed in the appropriate type of classification.
В предпочтительном устройстве для определения рака шейки матки используются восемь дискриминант, основанных на электрическом и оптическом опознавании. Этими дискриминантами являются обратное рассеяние света на волнах длиной 540, 660, 940, 1300 нм и четыре формы кривой затухания напряжения. Для проведения классификации ткани применяется алгоритмический метод, и при определении ракового и предракового состояния шейки матки, используя вышеупомянутые идентификационные дискриминанты, имеем
где VARj - переменная в реальном времени, связанная с положением j в линейном уравнении, Aij - постоянный коэффициент при переменной i и Pi - относительная вероятность i-й классификации ткани.In a preferred device for detecting cervical cancer, eight discriminants are used based on electrical and optical recognition. These discriminants are backscattering of light by wavelengths of 540, 660, 940, 1300 nm and four forms of the voltage damping curve. To perform tissue classification, an algorithmic method is used, and in determining the cancerous and precancerous state of the cervix, using the above identification discriminants, we have
where VAR j is the real-time variable associated with the position of j in the linear equation, A ij is a constant coefficient for the variable i, and P i is the relative probability of the ith tissue classification.
Для того чтобы обеспечить точность результатов испытаний, требуется большая база данных, посредством которой известные отклики конкретных типов раковой и предраковой ткани могли бы быть связаны. Например, при создании устройства для определения рака шейки матки были проведены исследования 2000 человек, каждый из которых был проанализирован кольпоскопистом и в особых случаях гистологом, который обеспечивал эталонными данными для важнейших классов тканей. Каждый из этих людей был также исследован с помощью зонда с устройством, выполненным в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления конструкции, так что отклики предпочтительного варианта осуществления изобретения на конкретные типы тканей, которые были классифицированы вручную, могут быть сопоставлены с классификацией, которая была также выполнена вручную. Так формируется база данных для конкретного типа рака, поэтому когда датчик применяется для другого пациента, отклики этого пациента после обработки методом дискриминантного анализа могут быть сопоставлены с базой данных, что позволит идентифицировать конкретный тип ткани. In order to ensure the accuracy of the test results, a large database is required by which the known responses of specific types of cancer and precancerous tissue could be linked. For example, when creating a device for determining cervical cancer, studies were conducted on 2,000 people, each of which was analyzed by a colposcopist and, in special cases, a histologist, who provided reference data for the most important classes of tissues. Each of these people was also examined using a probe with a device made in accordance with a preferred embodiment, so that the responses of the preferred embodiment to specific types of fabrics that were manually classified can be compared with a classification that was also performed manually . This creates a database for a specific type of cancer, so when the sensor is used for another patient, the responses of this patient after processing by the discriminant analysis method can be compared with the database, which will allow to identify a specific type of tissue.
Аналогичные эксперименты были проведены для рака груди, кожи, прямой кишки и простаты, и для этих случаев была разработана база данных. Similar experiments were conducted for cancer of the breast, skin, rectum and prostate, and a database was developed for these cases.
Каждый новый вид рака приводит к новым проблемам при разработке базы данных. В частности, для рака шейки матки могут быть проведены исследования in vivo, для рака груди, прямой кишки и простаты необходимы результаты биопсии, и поэтому база данных разрабатывается на основании данных in vitro. В случае рака кожи могут быть использованы результаты как дерматологических исследований, так и биопсии. Заключение о состоянии образцов дается путем сопоставления результатов, полученных с помощью зонда, с результатами распознавания in vivo, которые дают эталонные характеристики для каждого, опознаваемого зондом типа ткани. Исследования эксплуатационных данных предпочтительного варианта осуществления изобретения показали, что система обнаружения 150 (фиг. 18) для рака шейки матки обеспечивает от 85 до 99% соответствия между кольпоскопией/гистологией и диагностикой с помощью зонда, зависящей от степени отклонений от нормы (хорошо развитые изменения вируса папиломы человека, незначительная атипия или внутриэпителиальная неоплазия шейки матки первой степени), 90% при высокой степени отклонений от нормы (внутриэпителиальная чешуйчатая неоплазия шейки матки 2-й или 3-й степени), до 99% при инвазивном раке. Статистический анализ и экстраполяция этих результатов дают основание предположить, что при использовании предпочтительного варианта осуществления устройства с зондом соотношение ложных положительных и ложных отрицательных оценок порядка 10%, и поэтому для рака шейки матки предлагаемая конструкция зонда является значительным продвижением вперед по сравнению с 50-60%-ной точностью, свойственной традиционным методам, основанным на тесте Папаниколау. Выше описаны только некоторые варианты осуществления изобретения и их модификации, которые очевидны для специалистов в данной области техники и могут быть выполнены в рамках настоящего изобретения. Each new type of cancer leads to new problems in the development of the database. In particular, in vivo studies can be performed for cervical cancer, biopsy results are needed for breast, rectal and prostate cancer, and therefore the database is being developed based on in vitro data. In the case of skin cancer, the results of both dermatological studies and biopsies can be used. The conclusion about the condition of the samples is given by comparing the results obtained using the probe with the results of in vivo recognition, which give reference characteristics for each type of tissue recognized by the probe. A study of the operational data of a preferred embodiment of the invention showed that a detection system 150 (FIG. 18) for cervical cancer provides 85 to 99% correspondence between colposcopy / histology and diagnosis using a probe depending on the degree of abnormality (well-developed changes in the virus human papillomas, slight atypia or intraepithelial neoplasia of the cervix of the first degree), 90% with a high degree of abnormality (intraepithelial scaly neoplasia of the cervix, 2nd il 3rd degree) to 99% of invasive cancer. Statistical analysis and extrapolation of these results suggest that when using the preferred embodiment of the device with a probe, the ratio of false positive and false negative ratings is about 10%, and therefore, for the cervical cancer, the proposed probe design is a significant advance compared to 50-60% -the exact accuracy inherent in traditional methods based on the Papanicolaou test. Above, only certain embodiments of the invention and their modifications are described, which are obvious to specialists in this field of technology and can be performed in the framework of the present invention.
Claims (23)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU95103096/14A RU2138192C1 (en) | 1995-03-06 | 1995-03-06 | Method of identification of tissue type and apparatus for method embodiment |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU95103096/14A RU2138192C1 (en) | 1995-03-06 | 1995-03-06 | Method of identification of tissue type and apparatus for method embodiment |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU95103096A RU95103096A (en) | 1996-11-27 |
RU2138192C1 true RU2138192C1 (en) | 1999-09-27 |
Family
ID=20165331
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU95103096/14A RU2138192C1 (en) | 1995-03-06 | 1995-03-06 | Method of identification of tissue type and apparatus for method embodiment |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2138192C1 (en) |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2005025400A3 (en) * | 2003-09-18 | 2005-06-09 | Emil Naumovich Sobol | Method for performing an opto-thermo-mechanical action on a biological tissue and device for carrying out said action |
WO2006057569A1 (en) * | 2004-11-19 | 2006-06-01 | Gleb Igorevich Andreev | Contactless device for determining biological agents and chemical substances in biological media |
RU2454965C2 (en) * | 2006-11-17 | 2012-07-10 | Байосенс Уэбстер, Инк. | Improved catheter with omnidirectional optic tip with isolated optic ways |
RU2474386C2 (en) * | 2007-06-01 | 2013-02-10 | Конинклейке Филипс Электроникс, Н.В. | Wireless ultrasound probe cable |
RU2502470C2 (en) * | 2007-06-01 | 2013-12-27 | Конинклейке Филипс Электроникс, Н.В. | Light-weight wireless ultrasonic sensor |
RU2506890C2 (en) * | 2008-05-23 | 2014-02-20 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Substrate for support of sensors, executive elements or electric components |
RU2556975C2 (en) * | 2009-09-15 | 2015-07-20 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Medical ultrasonic device with determination of effort |
US9125677B2 (en) | 2011-01-22 | 2015-09-08 | Arcuo Medical, Inc. | Diagnostic and feedback control system for efficacy and safety of laser application for tissue reshaping and regeneration |
RU2578810C2 (en) * | 2010-01-14 | 2016-03-27 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Sensor that determines physical or physiological parameter |
RU2607949C1 (en) * | 2015-09-22 | 2017-01-11 | Леонид Зиновьевич Вельшер | Diagnostic technique for prostate cancer |
RU2662709C1 (en) * | 2016-06-27 | 2018-07-26 | Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ивановская государственная медицинская академия" Министерства здравоохранения Российской Федерации | Method for diagnosing dysplasia and cervical cancer in women of reproductive age |
WO2022070167A1 (en) * | 2020-10-03 | 2022-04-07 | Abdolahad Mohammad | Electrical impedance spectroscopy for evaluation of excision-required suspicious masses |
-
1995
- 1995-03-06 RU RU95103096/14A patent/RU2138192C1/en active IP Right Revival
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2005025400A3 (en) * | 2003-09-18 | 2005-06-09 | Emil Naumovich Sobol | Method for performing an opto-thermo-mechanical action on a biological tissue and device for carrying out said action |
WO2006057569A1 (en) * | 2004-11-19 | 2006-06-01 | Gleb Igorevich Andreev | Contactless device for determining biological agents and chemical substances in biological media |
RU2454965C2 (en) * | 2006-11-17 | 2012-07-10 | Байосенс Уэбстер, Инк. | Improved catheter with omnidirectional optic tip with isolated optic ways |
RU2474386C2 (en) * | 2007-06-01 | 2013-02-10 | Конинклейке Филипс Электроникс, Н.В. | Wireless ultrasound probe cable |
RU2502470C2 (en) * | 2007-06-01 | 2013-12-27 | Конинклейке Филипс Электроникс, Н.В. | Light-weight wireless ultrasonic sensor |
RU2506890C2 (en) * | 2008-05-23 | 2014-02-20 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Substrate for support of sensors, executive elements or electric components |
RU2556975C2 (en) * | 2009-09-15 | 2015-07-20 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Medical ultrasonic device with determination of effort |
RU2578810C2 (en) * | 2010-01-14 | 2016-03-27 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Sensor that determines physical or physiological parameter |
US9125677B2 (en) | 2011-01-22 | 2015-09-08 | Arcuo Medical, Inc. | Diagnostic and feedback control system for efficacy and safety of laser application for tissue reshaping and regeneration |
RU2607949C1 (en) * | 2015-09-22 | 2017-01-11 | Леонид Зиновьевич Вельшер | Diagnostic technique for prostate cancer |
RU2662709C1 (en) * | 2016-06-27 | 2018-07-26 | Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ивановская государственная медицинская академия" Министерства здравоохранения Российской Федерации | Method for diagnosing dysplasia and cervical cancer in women of reproductive age |
WO2022070167A1 (en) * | 2020-10-03 | 2022-04-07 | Abdolahad Mohammad | Electrical impedance spectroscopy for evaluation of excision-required suspicious masses |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU95103096A (en) | 1996-11-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2134423C (en) | Method and apparatus for tissue type recognition | |
US6826422B1 (en) | Spectral volume microprobe arrays | |
US9566030B2 (en) | Optical system for detection and characterization of abnormal tissue and cells | |
AU763413B2 (en) | Spectral volume microprobe arrays | |
US20120253202A1 (en) | Optoelectronic Device for The Detection of Uterine Cervical Cancer, Comprising A Self-Positioning Attachment | |
JP3165670B2 (en) | Probe with pods for tissue type recognition | |
US20040010197A1 (en) | Multi-modal optical tissue diagnostic system | |
US20030026762A1 (en) | Bio-spectral imaging system and methods for diagnosing cell disease state | |
JP2009512500A (en) | Ultra-high specificity device and method for screening of internal tumors | |
JPH10511875A (en) | Optical coupler for in vivo examination of biological tissue | |
RU2138192C1 (en) | Method of identification of tissue type and apparatus for method embodiment | |
EP1610684A2 (en) | Optical biopsy system with single use needle probe | |
US11759184B2 (en) | Apparatus, system and method for diagnostic imaging forceps | |
MX2011001836A (en) | Method and apparatus for disease diagnosis and screening using extremely low frequency electromagnetic fields. | |
JP3182601B2 (en) | Tissue type recognition method and apparatus therefor | |
CN102585814A (en) | Method and device for identifying type of tissue | |
US6647285B2 (en) | Optical probe with light fluctuation protection | |
US7013173B2 (en) | Optical probe with reference fiber | |
AU693112B2 (en) | Method and apparatus for tissue type recognition | |
AU2003254731B2 (en) | Spectral volume microprobe arrays | |
JP2002526136A (en) | Tissue diagnosis system | |
Pickard et al. | Optical biopsy for the diagnosis of dysplasia in Barrett's oesophagus | |
Da Silva et al. | Optical probe with reference fiber |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050307 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100307 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20120320 |
|
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20131022 |
|
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20140127 |