Способ идентификации опухолевых тканей

(56) ПРОКОПЬЕВ В.Е. Биофизические механизмы воздействия низкоинтенсивного лазерного излучения на биологические ткани и оптические методы диагностики их состояния// Автореф. диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Томск, 2004, с. 4, 7, 4-й абзац (п/п.6), с. 10, абзацы 1-3, с. 15, последний абзац, с. 26-28 Изобретение относится к биомедицинской оптике и касается проблемы ранней идентификации опухолей, а также их экспрессной диагностики во время хирургического вмешательства. Целью изобретения является повышение точности идентификации опухолевых тканей щитовидной железы человека путем обеспечения возможности измерения мгновенных спектров испускания,входящих в ткани эндогенных хромофоров. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу идентификации опухолевых тканей щитовидной железы регистрируют мгновенные спектры аутофлуоресценции ткани щитовидной железы в относительных единицах, причем аутофлуоресценцию возбуждают в ультрафиолетовой области спектра импульсами излучения,длительность которых короче времени жизни возбужденного состояния эндогенных хромофоров опухолевых и здоровых тканей, регистрируют мгновенные спектры аутофлуорсценции в максимуме импульса возбуждения через 2 и 6 нс после максимума импульса возбуждения и идентифицируют раковую ткань щитовидной железы по отсутствию различий в интенсивности аутофлуоресценции в коротковолновой, а также в длинноволновой областях всех спектров или здоровую ткань щитовидной железы по отсутствию различий в интенсивности аутофлуоресценции в длинноволновой области всех спектров и уменьшению интенсивности аутофлуоресценции в коротковолновой области спектров, зарегистрированных в максимуме импульса возбуждения,через 2 и 6 нс после максимума импульса возбуждения. Внедрение данного способа в медицинскую практику позволит значительно сократить временные и экономические затраты на патологоанатомическую диагностику опухолей. Использование способа для диагностики и локализации раковых опухолей непосредственно во время хирургических операций позволит в ряде случаев отказаться от повторного оперативного вмешательства и увеличит вероятность положительной динамики процесса лечения.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ИМЕНИ Б.И. СТЕПАНОВА НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ" (BY) Изобретение относится к биомедицинской оптике и касается проблемы ранней идентификации опухолей, а также их экспрессной диагностики во время хирургического вмешательства. В последнее время большое количество работ посвящено поиску экспрессных методов диагностики опухолевых тканей. Наиболее перспективным направлением в решении этой задачи в настоящий момент считается использование оптических методов. Известно, что в тканях человека присутствуют биомолекулы, которые хорошо флуоресцируют (аутофлуоресценция) в ультрафиолетовой, видимой и ближней ИК-областях спектра. Характеристики аутофлуоресценции эндогенных хромофоров тканей зависят от концентрации ионов, их распределения в тканях, свойств микроокружения и других факторов. Возникновение патологического процесса затрагивает гистологические и гистохимические особенности тканей,поэтому приводит к изменениям в параметрах аутофлуоресценции. Известен способ идентификации опухолевых тканей, основанный на возбуждении их свечения и измерении длительности затухания аутофлуоресценции [1]. Однако точность идентификации опухолевых тканей при использовании данного способа не высокая. Это обусловлено тем, что все типы тканей имеют не экспоненциальное затухание аутофлуоресценции, что затрудняет анализ количества их компонент. Кроме того, технически сложно измерить отличие длительности затухания аутофлуоресценции здоровых и опухолевых тканей, если оно составляет менее 10%, или если длительность затухания аутофлуоресценции много короче 1 нс. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ идентификации опухолевых тканей, основанный на возбуждении свечения и регистрации стационарного спектра аутофлуоресценции, по форме и положению максимума которого можно идентифицировать тип опухоли [2]. Известный способ имеет низкую точность идентификации, обусловленную невозможностью ранней идентификации опухолей, а также искажением спектра аутофлуоресценции из-за поглощения гемоглобина, который содержится в крови. Целью изобретения является повышение точности идентификации опухолевых тканей путем обеспечения возможности измерения мгновенных спектров испускания входящих в ткани эндогенных хромофоров. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу идентификации опухолевых тканей длительность импульса возбуждения выбирают меньше времени жизни возбужденного состояния эндогенных хромофоров тканей, регистрируют мгновенные спектры аутофлуоресценции пробы через ряд временных интервалов и по характеру их изменения во времени идентифицируют опухоль. Сущность способа заключается в следующем. Пусть имеется два типа опухолей А и В с примерно одинаковыми стационарными спектрами испускания, по которым невозможно определить, здоровая это ткань или больная. Оба типа опухолей имеют индивидуальные времена жизни возбужденного состояния. Предположим, что мы регистрируем аутофлуоресценцию опухолей на синем (или красном) склоне спектра. Тогда закон затухания аутофлуоресценции описывается следующим образом: где A,B - времена затухания аутофлуоресценции опухолей А и В;IA0 и IB0 - начальные амплитуды аутофлуоресценции. Если разница между A и B лежит в пределах точности измерения (обычно это менее 10%), то измерив A и B, нельзя выявить отличие в испускании обеих опухолей, т.е. идентифицировать их тип. При регистрации мгновенных спектров испускания разность интенсивностей аутофлуоресценции опухолей А и В в фиксированный момент времени из-за отличия A и B со временем увеличивается и достигает значительной величины, легко измеряемой. Например, в случае A=3 нс и B=3,2 нс при одинаковой начальной амплитуде IA0=IB0=1 интенсивность испускания в максимуме мгновенных спектров аутофлуоресценции IAm и IBm составляет при t=2 нс и отличается на 52%. Такое существенное изменение в соотношении интенсивностей мгновенных спектров аутофлуоресценции легко регистрируется и позволяет идентифицировать тип опухоли. Анализ ведется по интенсивности свечения в одном из максимумов мгновенного спектра испускания. Кроме того, информацию о типе опухоли несет и деформация во времени контура спектра аутофлуоресценции. Пример. Проведены исследования разрешенных во времени (мгновенных) спектров аутофлуоресценции здоровых и раковых тканей щитовидной железы человека. Измерения проводились на образцах тканей, взятых сразу же после операции, проведенной в "Минском городском онкологическом диспансере" 1-й Городской больницы г. Минска. Регистрировались мгновенные спектры аутофлуоресценции здоровых и опухолевых тканей при возбуждении азотным лазером. На фиг. 1 изображена блок-схема установки для измерения мгновенных спектров аутофлуоресценции. В установке образец ткани в термостатируемом кюветном отделении 3 возбуждается излучением азотного лазера 1 (=337,1 нм, t1/2= 1,5 нс, частота повторения импульсов до 50 Гц, пиковая мощность Р=200 кВт). Излучение азотного лазера 1 направляется в кюветное отделение 3 зеркалом 10. Часть излучения азотного лазера 1 с помощью пластинки 9 ответвляется на фотоэлемент 2 (ФЭК 16), сигнал с которого осуществляет синхронизацию стробируемого вольтметра 7 (В 4-24, полоса пропускания 1 ГГц). Перестройка длины волны регистрации осуществляется двойным дифракционным монохроматором 4 (дисперсия 6 /мм), снабженным шаговым двигателем, управляемым компьютером 8 (IBM PC AT) через интерфейс 6. Сигнал аутофлуоресценции на выходе монохроматора 4 регистрируется фотоэлектронным умножителем 5 (ФЭУ-164, временное разрешение 2 нс) и поступает на вход стробируемого вольтметра 7,а затем в компьютер 8. На фиг. 2 и 3 приведены зарегистрированные с помощью описанной установки мгновенные спектры аутофлуоресценции опухолевой и здоровой тканей. Спектры 1 зарегистрированы в максимуме импульса возбуждения (t=0 нс), а спектры 2 и 3 через t=2 нс и t=6 нс после максимума импульса возбуждения. Мгновенные спектры аутофлуоресценции (фиг. 2 и 3) имеют два максимума, разделенных провалом,который вызван поглощением гемоглобина. На чертежах видно, что в случае раковой опухоли (фиг. 2) интенсивность аутофлуоресценции в максимуме мгновенных спектров коротковолновой компоненты больше, чем у длинноволновой компоненты. В то же время для здоровой ткани указанное соотношение интенсивностей аутофлуоресценции носит противоположный характер для всех моментов времени регистрации (фиг. 3). Интенсивность коротковолновой компоненты аутофлуоресценции раковой ткани (фиг. 2) не изменяется со временем, а в случае здоровой ткани (фиг. 3) она (интенсивность) значительно уменьшается со временем по сравнению с интенсивностью длинноволновой компоненты. Так в момент времени t=0 нс интенсивность аутофлуоресценции в максимуме коротковолновой компоненты составляет 0,92 относительных единиц, а в моменты регистрации t=2 нс и t=6 нс 0,87 и 0,78 относительных единиц соответственно. Таким образом, проведенные исследования показали, что для здоровых и опухолевых тканей мгновенные спектры аутофлуоресценции, зарегистрированные в различные моменты времени, сильно отличаются. Для опухолевых тканей интенсивность коротковолновой полосы флуоресценции выше, чем у длинноволновой полосы во все моменты регистрации и, кроме того, отсутствует деформация контура спектра свечения в различные моменты времени. Для здоровых тканей, наоборот, интенсивность коротковолновой полосы флуоресценции ниже, чем у длинноволновой полосы во все моменты регистрации, и со временем интенсивность коротковолновой полосы значительно уменьшается. Указанные особенности могут быть использованы для идентификации опухолевых тканей. При использовании ЭВМ анализ зарегистрированных мгновенных спектров аутофлуоресценции и идентификация опухолей осуществляется очень оперативно. Внедрение данного способа в медицинскую практику позволит значительно сократить временные и экономические затраты на патологоанатомическую диагностику опухолей. Использование способа для диагностики и локализации раковых опухолей непосредственно во время хирургических операций позволит в ряде случаев отказаться от повторного оперативного вмешательства и увеличит вероятность положительной динамики процесса лечения. Предлагаемый способ может с успехом применяться для идентификации типа опухоли. По сравнению с известным способом точность идентификации опухоли, когда стационарные спектры образцов и изменение времени жизни по спектру совпадают, увеличивается на 100%. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе. 1. Quantitative optical spectroscopy for tissue diagnosis, Annu. Rev. Phys. Chem., 1996, 47, 555-606. 2. US 2004/0044287 A1 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ идентификации раковой или здоровой ткани щитовидной железы человека, заключающийся в том, что регистрируют мгновенные спектры аутофлуоресценции ткани щитовидной железы в относительных единицах, причем аутофлуоресценцию возбуждают в ультрафиолетовой области спектра импульсами излучения, длительность которых короче времени жизни возбужденного состояния эндогенных хромофоров опухолевых и здоровых тканей, регистрируют мгновенные спектры аутофлуоресценции в максимуме импульса возбуждения через 2 и 6 нс после максимума импульса возбуждения и идентифицируют раковую ткань щитовидной железы по отсутствию различий в интенсивности аутофлуоресценции в коротковолновой, а также в длинноволновой областях всех спектров или здоровую ткань щитовидной железы по отсутствию различий в интенсивности аутофлуоресценции в длинноволновой области всех спектров и уменьшению интенсивности аутофлуоресценции в коротковолновой области спектров,зарегистрированных в максимуме импульса возбуждения, через 2 и 6 нс после максимума импульса возбуждения.