автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование и разработка оптических методов идентификации эпидурального пространства больных

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

С

ШПАКОВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЭПИДУРАЛЬНОГО ПРОСТРАНСТВА БОЛЬНЫХ

Специальность 05.11.07. - Оптические и оптико-элсктронпые приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 1 АП? 2011

Санкт-Петербург - 2011

4844379

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном университете информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель: Научный консультант: Официальные оппоненты:

Ведущая организация: Защита состоится «_

доктор техпгшеских наук, профессор, Латыев Святослав Михайлович доктор медицинских наук, профессор, Волчков Владимир Анатольевич доктор технических наук, профессор, Натаровский Сергей Николаевич кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Лившиц Ирина Леонидовна ФГУП НИК "ГОИ им. С.И. Вавилова"

_2011 г. в _

часов

минут на

заседании диссертационного совета Д 212.227.01 при Санкт-Петербургском Государственном университете информационных технологий, механики и оптики, расположенном по адресу: г. Санкт-Петербург, переулок Гривцова, д. Ц, ауд. 313-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ ИТМО. Автореферат разослан «_»_2011 г.

Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать на имя ученого секретаря диссертационного совета по адресу: 197101, г. Сапкт-Петпербург, Кронверкский пр., д. 49-Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.01, [ Г

\| : У

кандидат технических наук, доцент ЛДуМ Красавцев В.М.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

В настоящее время, в медицинской практике при анестезии широко используются рсгнонарныс виды обезболивания, при которых производится доставка небольших доз анальгетиков непосредственно к нервным структурам, ответственным за формирование боли. Эпидуральная анестезия (ЭА) занимает одно из ведущих мест в современном анестезиологическом пособии, а в определенных областях хирургии (урология, гинекология, акушерство, ортопедия) используется как основной вид обезболивания.

При проведении эпндуралыюи анестезии необходимо расположить медицинскую иглу в эпидуральном пространстве (ЭП) позвоночного канала, так, чтобы не повредить твердую мозговую оболочку (ТМО).

Существующие известные методы ("утраты сопротивления", "висячая капля" и др.) определения момента достижения концом иглы ЭП при проведении операций субъективны. Поэтому, даже у опытных специалистов непреднамеренная пункция ТМО возникает в 0,6 - 0,8% случаев.

Так как повреждения ТМО вызывают тяжелые осложнения у больных, то веема актуальным является разработка объективных методов верификации ЭП.

Одно из таких современных направлений основано на визуализации ЭП при ультразвуковой локации положения иглы в теле человека. Однако её применение ограничено костными структурами, которые плохо пропускают ультразвук. Визуализация ЭП возможна только при использовании низких частот, применение которых дает низкое разрешение.

Другое направление визуализации ЭП, позволяющее создание малотравматичных и эффективных методов и средств идентификации ЭП может быть основано на использовании оптических телекоммуникационных технологий.

Однако их применение для этих целей требует проведения соответствующих исследований для разработки возможных вариантов их реализации.

Цель диссертационной работы

Цель диссертационной работы заключается в разработке и исследовании оптических методов идентификации эгшдурального пространства больного.

Задачи исследования

1. Обзор существующих методов идентификации ЭП.

2. Анализ оптических свойств биологических тканей (кровь, связки, жир).

3. Определение признаков оптической идентификации эпидурального пространства.

4. Анализ использования световодов и градапов в составе иглы и условий распространения излучения в области косого среза световода.

5. Разработка инженерных методик определения оптимального угла среза световода для каждого метода идентификации.

6. Создание экспериментальных макетов устройств оптической идентификации эпидурального пространства.

7. Проверка результатов компьютерного моделирования оптической системы световода с косым срезом.

8. Оценка эффективности методов оптической идентификации эпидурального пространства.

Методы исследования

1. Аналитические и численные методы теории геометрической оптики.

2. Методы статистической обработки данных.

3. Методы математического моделирования с использованием МаШсас!.

4. Методы компьютерного моделирования с использованием программы гЕМАХ.

5. Экспериментальные исследования оптических методов идентификации ЭП.

Научная новизна

1. Впервые показана возможность идентификации эиидуралыюго пространства оптическими методами.

2. Разработаны "энергетические" и "изображающие" методы оптической идентификации ЭП.

3. Созданы математические и компьютерные модели для расчёта оптических систем световодов для предлагаемых методов.

4. Доказана целесообразность применения и разработаны схемы впеапер-турной подсветки волоконно - оптических жгутов, устанавливаемых в просвет медицинской иглы.

5. Проведены экспериментальные исследования оптических методов и устройств для идентификации ЭП.

Практическая значимость

Разработано пять макетов устройств, два из которых могут служить прототипами для создания средств идентификации эпидурального пространства.

Разработано 5 функциональных схем прибора для идентификации эпидурального пространства. Определены эффективные способы обработки получаемой информации и представления её оператору.

Предложена компоновка устройства оптической идентификации ЭП. Разработана конструкция эпидурального зонда и узла совмещения срезов иглы и световода.

Результаты диссертационной работы могут являться основой для создания широкого спектра устройств для определения положения иглы в биологических тканях. Такие устройства могут быть использованы для создания автоматизированных систем ввода иглы.

Новизна предложенных методов и технических средств подтверждена двумя патентами на изобретение РФ и одним свидетельством на полезную модель.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Методы оптической идентификации эпидурального пространства.

2. Компьютерная модель оптической системы световода с косым срезом.

3. Методика выбора материала и вычисления угла среза световода, обеспечивающего минимальное либо максимальное отражение излучения от среза, при контакте с заданной биотканью.

4. Функциональные схемы устройств оптической идентификации ЭП.

5. Результаты экспериментальных исследований макетов устройств ОИ ЭП.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на десяти конференциях, в том числе на трех международных, таких как 2-я международная конференция молодых ученых и специалистов "0птика-2001", V международная конференция "Прикладная оптика"(Санкт-Петербург, 2002), 47-й международный научный коллоквиум, ТУ Ильменау(Гсрмания, 2002).

В рамках реализации инновационного проекта "Умная игла" по программе "СТАРТ-2007" Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, создан прототип устройства.

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 14-ти печатных работах, из них 2 патента, одно свидетельство на полезную модель и 3 статьи в рецензируемых журналах.

Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения, библиографического списка из 65-ти наименований и 3-х приложений, содержит 110 станиц основного текста, 87 рисунков и 6 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе рассмотрена анатомия эпидурального пространства, выявлены мануальные признаки идентификации ЭП и выполнен аналитический обзор существующих методов идентификации ЭП. Сделан обзор эпиду-ральных игл и определены основные требования к ним.

Было установлено, что ЭП содержит:

а) жировую клетчатку;

б) спинно-мозговые нервы;

в) кровеносные сосуды.

Сосуды ЭП в основном представлены эпидуральными венами, формирующими мощные венозные сплетения с преимущественно продольным расположением сосудов в боковых частях ЭП.

Проведенный обзор существующих технических средств идентификации ЭП показал их недостаточную надежность.

Во второй главе исследуются возможности идентификации биологических ткапей оптическими методами. Проведён анализ оптических свойств биологических тканей, рассмотрены оптические методы их идентификации.

Было установлено, что средний показатель преломления большинства биологических тканей, для длины волны 633 им, лежит в пределах 1,38 - 1,41. Исключением является жировая ткань и мембранные структуры клетки, имеющие средний показатель преломления 1,40 и 1,48 соответственно.

Жиры имеют малый показатель поглощения в диапазоне длин волн 550 - 850 нм, и характерный максимум в области 910 - 930 нм.

Была рассмотрена возможность применения оптического волокна в составе иглы, для идентификации ЭП.

Установлены условия (1) отсутствия виньетирования для скошенных тор-цев световода - возможность прохода всех лучей, лежащих в пределах угла иСА, через каждый торец световода.

Этому ограничению соответствует угол наклона апертурного луча, скользящего по торцу световода со стороны острого угла торца.

ис 1к = и ~ агевт{пп/п,.) (1)

На рис. 1 изображен скос торца, при котором используется полная номинальная числовая апертура световода Ао.

Рис. 1. Обозначение углов световода с косыми торцами

Для анализа условий распространения излучения в области среза световода, в программе 2ЕМАХ была создана модель оптической системы (см. рис. 2), состоящей из источника излучения 1, световода в оболочке со срезом, выполнеш1ым под углом /? и среды с показателем преломления щ, находящейся в контакте со срезом световода.

Для имитации иглы, в модели было задано зеркальное покрытие световода, в области среза. В качестве моделей среды были выбраны жир и вода, с показателями преломления 1,45 и 1,33 соответственно.

CCD

Рис. 2. Схема модели световода со срезом

Для автоматического изменения параметров модели и определения уровня сигнала было написано 3 программы на языке ZPL (ZEMAX Programming Languige).

Результаты

10

8

^ 6

4

2 0

Рис. 3. Зависимость уровня сигнала от угла среза световода в воде

На рис. 3 и рис. 4 видно, что для материалов с большим показателем преломления значительно увеличивается отражение от среза световода.

Рис. 5 показывает, что при увеличении апертуры подсветки несколько уменьшается основной максимум в области углов среза 53 - 55° и появляется дополнительный максимум в области углов 38 - 42°.

На рис. 6 видно, что наиболее линейным отражение от среза световода будет при угле 55°.

экспериментов представлены на рис. 3-6.

В, град.

(3, град.

Рис. 4. Зависимость уровня сигнала от угла среза световода в жире

(3, град.

Рис. 5. Зависимость уровня сигнала от апертуры подсветки

Оценка точности

Для оценки точности оптической идентификации ЭП в программе ZEMAX была создана компьютерная модель в которой срез световода находится в контакте с объектом, состоящим из двух областей, имеющих различные показатели преломления и имитирующих границу раздела сред. Диаметр световода - 2 мм. В контакте со срезом находятся ткани, с показателями преломления п\ = 1,33 и п2 = 1,45 (см. рис. 7).

и

о

25°

1.3 1.321.341.361.38 1.4 1.421.441.461.48 1.5 1.521.54

п

Рис. 6. Зависимость уровня сигнала от показателя преломления среды

Рис. 7. Схема модели перехода среза иглы из одной среды в другую

Смещая границу раздела сред вдоль поверхности среза с шагом 0,1 мм, была определена точность идентификации (см. рис. 8).

Глубина t, проникновения среза иглы в ткань ЭП, требуемая для надежной идентификации, в диапазоне углов среза 50-55°, практически одинакова и составляет величину порядка 1,5 мм в плоскости косого среза, при общей длине среза более 3-х мм. При этом глубина проникновения иглы h в ткань ЭП зависит от угла среза иглы ß и вычисляется по формуле:

Требуемая точность идентификации ЭП сильно зависит зависит от уровня пункции и составляет 2 мм поясничной области и 0,5 мм в шейном отделе

h — t ■ sinß

(2)

Ь, мм

Рис. 8. Зависимость уровня сигнала от глубины прокола

позвоночника.

В третьей главе были предложены признаки и разработаны методы оптической идентификации ЭП. Для каждого метода была разработана инженерная методика определения оптимального угла среза световода.

Метод обратного рассеивания

Метод основан на изменении трех признаков оптической идентификации

ЭП:

• интенсивности обратного рассеивания;

• спектрального состава обратного рассеивания;

• показателя поглощения тканей.

Для идентификации ЭП производится измерение интенсивности пучка лучей, определенной длины волны, рассеиваемого тканями в обратном направлении.

На рис. 9 представлена функциональная схема устройства с использованием оптико-волоконного разветвителя.

Так как биологические ткани имеют различные коэффициенты поглощения и обратного рассеивания света, то по изменению величин сигналов с фотоприемника можно судить о том, какая ткань находится в контакте со срезом иглы.

Излучение от источника 7 вводится в световод 6 и проходя разветвитель 4 распространяется по световоду 2 до среза. После преломления па поверхности среза излучение попадает в исследуемую биоткань, где поглощается и рассеивается.

В зависимости от оптических свойств конкретной биоткани, часть излучения будет рассеиваться в обратном направлении, попадет на поверхность среза п распространяясь по световоду 2, через разветвитель 4 и световод 5 регистрируется фотоприёмником 8, сигнал с которого обрабатывается контроллером 9.

Рис. 9. Функциональная схема устройства с разветвителем световода: 1 - игла; 2 - световод; 3 - корпус; 4 - разветвитель; 5,6 - световод; 7 - источник света (светодиод); 8 - фотоприемник; 9 - контроллер.

Метод нарушенного полного внутреннего отражения

Метод основан на нарушении эффекта полного внутреннего отражения на поверхности среза оптического волокна при переходе среза световода из

одной биоткани в другую. Это будет происходить при изменении показателя преломления. На рис. 10 представлена схема распространения излучения в области среза оптического волокна.

Рис. 10. Распространение излучения в области среза оптического волокна

Когда игла находится в биологических тканях, предшествующих эпиду-ральпому пространству, на поверхности среза световода наблюдается явление полного внутреннего отражения и значительная часть излучения, отразившись от поверхности среза, возвращается по световоду обратно.

После прокола желтой связки игла попадает в жировые ткани эпиду-рального пространства с более высоким показателем преломления. При этом полное внутреннее отражение больше не наблюдается и практически все излучение уходит в среду.

Функциональная схема устройства аналогична устройству для измерения интенсивности отраженного излучения (рис. 9). Отличительной особенностью этого метода является наконечник световода. Он имеет форму среза иглы и выполнен под заранее рассчитанным углом (3), для идентификации требуемых биологических тканей.

Нарушение полного внутреннего отражения будет происходить скачкообразно. При этом разница уровней сигналов очень высока, что позволит

4

(3)

надежно идентифицировать различные биологические ткани.

В отличие от метода измерения интенсивности обратного рассеивания в этом методе полезным сигналом будет обратное отражение от среза световода, а обратное рассеивание среды - паразитной засветкой.

Получение изображения структуры тканей

О достижении концом иглы эпидурального пространства оператор сможет судить, наблюдая на экране монитора не только цвет, по и структуру субстрата, прилегающего к срезу волоконного жгута.

Функциональная схема устройства изображена на рис. 11.

Рис. 11. Функциональная схема устройства на основе ПЗС матрицы: 1 - игла; 2 - световод; 3 - корпус; 4 - источник излучения; 5 - конденсор; 6 - светоделительное зеркало; 7 - проекционный объектив; 8 - приемник излучения; 9 - телевизионный монитор

Осветительная система, состоящая из источника излучения 4 и конденсора 5, при помощи светоделительного зеркала 6 вводит излучение в многожильный оптоволоконный жгут с регулярной укладкой 2. Излучение распространяется по жгуту до среза., где преломляясь выходит в среду, находящуюся в контакте со срезом.

Для устранения паразитных бликов от светоделительного зеркала и торца светвода, при вводе в него излучения подсветки, были разработаны несколь-

1

2 3

4 5 6 7 8 9

Коллектор

Д

[1ц

Диафрагма тешогопып

Парабсшвчсское черкало

Рис. 12. Структурная схема внеапертурного осветителя.

ко схем внеапертурной подсветки, основанных на эффекте "трех колец". Структурная схема одной из них показана на рис. 12. Излучение подсветки, падая на входной торец ВОЖ, формирует внеа-пертурный поток, заключенный в кольцевой конической зоне от апертуры волокна, до апертуры, определяющейся границей волокна с воздухом.

Светодиод располагается в фокусе коллектора, за которым располагается диафрагма темного поля, вырезающая кольцевую зону с минимальным диаметром Д/, и максимальным

Далее излучение фокусируется параболическим зеркалом на входном торце ВОЖ диаметром Df, образуя кольцевую зону с апертурой от о\ до ст2, где:

= у/п2с-п1 ;

(То

2 = у/п\- 1

При этом:

' <72 '

Здесь р - радиус при вершине параболы.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований макетов устройств оптической идентификации ЭП на биологических объектах и моделях.

Измерение интенсивности обратного рассеивания

В начале эксперимента на поясничном уровне (от L2 до L5) общепринятым способом "потери сопротивления" определяли правильность расположения иглы с замером расстояния от внешней поверхности спины до эпиду-рального пространства, которое в конце опыта подтверждали, при послойном отсепаровывании тканей до вскрытия позвоночного спинномозгового канала.

При проведении эксперимента в иглу вставляли световод и поэтапно (кожа, надостнстая, межостистая, желтая связки, эпидуральное пространство) замеряли уровень сигнала в трёх спектральных областях - красной, зеленой и синей (см. рис. 15).

Спектр излучения светодиода представлен па рис. 13. График спектральной чувствительности сегментов фотодиода представлен на рис. 14.

4

Ч щ

g 2 О

о

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850

Л, нм

Рис. 13. Спектр излучения подсветки (светоднод + волокно)

При расположении иглы в ЭП регистрировали наименьший уровень сигнала - 1 - 2 мВ, в то время как в других тканях он был 12 - 20 мВ.

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 Л, нм

Рис. 14. График спектральной чувствительности сегментов фотодиода

Эксперимент in vitro на биомодели

Эксперимент проводился на трупах людей в патологоанатомическом отделении СПбГМУ им. акад. И.П. Павлова. Исследования проведены у семи мужчин, умерших от сердечно-сосудистых заболеваний в возрасте 61,3 ±2,2 лет, масса тела 86,4 ± 3,7 кг, рост 175,8 ± 12,3 см.

Результаты эксперимента представлены на рис. 15.

50 I-'-:-

m

40 30 20 10 0

красный

- зеленый

- синий

10 20 30 40

Глубина прокола L, мм

50 С 60

CT)

70

Рис. 15. Изменение уровня сигнала при прохождении иглы через ткани. (Эпидуральное пространство находится па глубине 55 мм)

На полученных графиках видно характерное повышение сигнала в рай-

oite глубины 45 мм, когда игла предположительно находится в желтой связке.

После перфорации желтой связки уровень сигнала значительно падает, особенно в спектральной области 400 - 600 им. Это может быть вызвано нарушением полного внутреннего отражения на поверхности среза световода, а также оптическими свойствами биологических тканей эиидуральпого пространства. Дальнейшее продвижение иглы через ТМО и структуры спинного мозга сопровождается умеренным увеличением сигнала.

Эксперимент in vivo на собаке

Эксперимент проводился на собаках в научно-исследовательском центре СПбГМУ им. акад. И.П. Павлова. Исследования проведены у 3-х беспородных собак мужского пола, примерный возраст6-7лет, масса тела 23, 4 ± 1,5кг. Результаты эксперимента представлены па рис. 16.

О)

Глубина прокола Ь, мм

Рис. 16. Изменение уровня сигнала при прохождении иглы через ткани. (Эпидуральное пространство находится на глубине 50 мм)

На рис. 16 видно характерное повышение сигнала в районе глубины 43 мм, когда игла предположительно находится в желтой связке. После пер-

форации желтой связки уровень сигнала значительно надает, достигая минимума при нахождении в тканях эпидурального пространства на глубине прокола 50 мм. Продвижение иглы дальше, через твердую мозговую оболочку и структуры спинного мозга, сопровождается значительным увеличением сигнала.

Получение изображения структуры тканей

По результатам испытаний макета 1, была предложена схема (рис. 17) в которой для уменьшения количества бликов использовалась боковая подсветка.

Рис. 17. Функциональная схема макета устройства на основе ПЗС-мат-рицы: 1 - источник оптического излучения; 2 - конденсор осветителя; 3 - волоконно-оптический жгут для передачи изображения с равномерной укладкой волокон; 4 - пункционная игла; 5 - биологическая ткань; 6 - корпус; 7 - микрообъектив; 8 - ПЗС-матрица; 9 - плата видео захвата; 10 - телевизионный монитор; А и В - торцы волоконно-оптического жгута.

Внешний вид макета представлен на рис. 18

Следует отметить низкую эффективность ввода излучения в световод. Результаты испытаний макета, представленные на рис. 19 подтверждают работоспособность данной схемы. В качестве тест - объектов использовались фрагмент текста размером 10р1 и кусок жировой ткани (свинина).

Рис. 18. Внешний вид макета

Рис. 19. Изображение тест-объектов

Для повышения эффективности ввода излучения в оптоволоконный жгут была разработана функциональная схема устройства с внеапертурной схемой освещения торца световода (рис. 20) с помощью эпиобъектива и осветителя отраженного света.

При макетировании устройства использовалась видеонасадка от микро-визора mVizo-ЮЗ. Все основные функциональные устройства и элементы макета серийно производятся фирмой ОАО "ЛОМО".

Ha, рис. 21а представлен внешний вид макета. На экране микровизора отчетливо видна структура офсетной печати.

Исследуемый тест-объект (журнальный лист офсетной печати). сканированный с разрешением 2400 dpi представлен на рис. 216.

Рис. 20. Структурная схема макета с внеапертурным осветителем.

Рис. 21. Макет системы внеапертурного освещения

Пятая глава посвящена разработке технических средств оптической идентификации ЭП.

Проведен анализ современной технической базы компонентов волоконно-оптических систем. Разработано пять вариантов функциональной схемы устройства.

Предложена компоновка устройства ОИ ЭП.

Рис. 22. Компоновка устройства ОИ ЭП.

Разработана конструкция эпидурального зонда рис. 23.

.2 л з

Рис. 23. Конструкция эпидурального зонда." 1 - корпус; 2 - световод с коннектором; 3 - эпидуральная игла.

Также была разработана конструкция узла совмещения среза световода

со срезом иглы, внешний вид и конструкция которого представлены на рис. 24 и рис. 25 соответственно.

Рис. 24. Внешний вид узла в разрезе

6

Рис. 25. Узел совмещения

Узел совмещения состоит из корпуса 2, внутри которого размещается ползун 4, в котором закрепляется конус 6.

Эпидуральная игла надевается па конус 6. Положение иглы фиксируется при помощи гайки 5. Стандартный коннектор с закреплённым на нем световодом вклеивается во втулку 3.

Продольное совмещение среза иглы и световода осуществляется при помощи резьбы путем поворота гайки 1 относительно корпуса 2. При этом иглу от разворота удерживает винт 7, находящийся в пазу корпуса 2. Юстировка положеня среза световода вокруг своей оси производится при помощи разворота втулки 3.

В Заключении диссертации обобщены основные результаты работы:

1. Разработаны и проанализированы оптические методы идентификации эпидурального пространства.

2. Созданы математические и компьютерные модели для расчёта оптических систем световодов, используемых в составе медицинских игл.

3. Разработаны инженерные методики определения оптимального угла среза световода для каждого метода идентификации.

4. Разработаны функциональные схемы устройств, реализующие метод обратного рассеивания, метод НПВО и метод изображения структуры биотканей для идентификации ЭП.

5. Изготовлены и исследованы пять макетов устройств для идентификации ЭП.

6. Проведены экспериментачьные исследования оптических методов идентификации ЭП на биологических объектах, доказавшие их достоверность и эффективность.

По теме диссертации опубликованы следующие работы

1. Латыев С. М., Шпаков Д. В., Волчков В. А. и др. Методы идентификации эпидурального пространства в анестезиологической практике // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2001. Т. 4, № 198. С. 143 146.

2. Латыев С. М., Шпаков Д. В., Волчков В. А. и др. О возможности идентификации эпидурального пространства в анестезиологической практике оптическими методами // Оптический Журнал. 2002. Т. 69, № 4. С. 85-87.

3. Латыев С. М., Шпаков Д. В., Волчков В. А. и др. Отождествление биологических тканей с помощью телекоммуникационных микросистем // Оптический Журнал. 2011. Т. 78, № 1. С. 83-87.

4. Свид. на полезную модель 25390 РФ, U1 РФ, МКИ 7 А 61 В 1/00. Устройство для идентификации положения иглы в эпидуральном пространстве / С.М. Латыев, Д.В. Шпаков, В.А. Волчков, В.В. Томсон. -N2002114759/20; Заявлено 06.06.2002; Опубл. 10.10.2002, Бюл. N28.

5. Пат. 2243002 РФ, С2 РФ, МПК 7 А 61 М 25/00, 5/32, А 61 В 17/34. Способ определения положения конца иглы в биологических тканях и устройство для сто осуществления /' С.М. Латыев, Д.В. Шпаков, В. А. Зверев, В.А. Волчков (RU), Олаф Молленхауэр (DE). Заявлено 21.11.2002; Опубл. 27.12.2004, Бюл. N36.

6. Пат. 2245674 РФ, С2 РФ, МПК 7 А 61 В 5/05. Устройство для идентификации биологической ткани эпидурального пространства позвоночного канала / С.М. Латыев, Д.В. Шпаков, В.А. Зверев, В.А. Волчков (RU), Олаф Молленхауэр (DE). Заявлено 15.12.2002; Опубл. 10.02.2005, Бюл. N4.

7. Шпаков Д. В., Смирнов В. В. Оптические методы идентификации эпидурального пространства // Сборник Современные технологии. СПбГУ ИТМО, 2001. С. 237-39.

8. Шпаков Д. В., Смирнов В. В., Волчков В. А. Оптические методы идентификации эпидурального пространства //' Сборник трудов конференции молодых ученых и специалистов "0птика-2001". 2001. С. 262.

9. Latyev S. М., Shpakov D. V., Volchkov V. A. et al. The possibility of identifying the epidural space in anesthesiological practice by optical methods // Journal of Optical Technology. 2002. Vol. 69, no. 4. Pp. 292-294.

10. Latyev S., Spakov D., Voltschkov V. at al. Optische Methodcn zur Bcstim-

mung des Epiduralraumes fuer das Anaesthesiepraktikum // 47. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium. TU Ilmenau: 2002. Pp. 376-377.

11. Латыев С. M., Шпаков Д. В., Волчков В. А. и др. Оптические методы и утройства идентификации эпидурального пространства // Сборник трудов конференции "Прикладная оптика". Т. 1. 2002. С. 96-99.

12. Латыев С. М., Шпаков Д. В., Волчков В. А. и др. Идентификация эпидурального пространства с помощью оптических методов // Вестник хирургии. 2005. Т. 165, № 1. С. 126-127.

13. Чугунов С. А., Шпаков Д. В. Применение внеапертурного освещения для идентификации биологических тканей // Труды I Санкт-Петербургского конгресса "Профессиональное образование, наука, инновации в XXI веке". 2007. С. 214-215.

14. Виноградов И. А., Шпаков Д. В., Мамцев А. В. Схемотехника спектро-рефрактомстрической диагностики биологических тканей // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2008. Т. 49. С. 199 206.

Подписано в печать 31.03.2011г. Формат 60x84/16 П.л. 1,75 Уч.-изд.л 1,75 Тир. 100 экз. Отпечатано в типографии ООО «Турусел» 197376, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова д.ЗВ. 1огош5с1@таП. Зак. № 13270 от 31.03.2011г.

Введение

Глава 1. Аналитический обзор существующих методов и средств идентификации эпидурального пространства.

1.1. Анатомия эпидурального пространства.

1.2. Методы идентификации эпидурального пространства.

1.3. Эпидуральные иглы.

1.4. Средства идентификации эпидурального пространства.

1.5. Выводы по главе.

Глава 2. Исследование оптической идентификации биологических тканей."

2.1. Оптические свойства биологических тканей.

2.2. Оптические методы идентификации биологических тканей

2.3. Световод с косым срезом.

2.4. Распространение косых лучей в световоде.

2.5. Модель световода с косым срезом.

2.6. Выводы по главе.

Глава 3. Разработка методов оптической идентификации эпидурального пространства.

3.1. Признаки оптической идентификации ЭП.

3.2. Измерение интенсивности обратного рассеивания.

3.3. Метод нарушенного полного внутреннего отражения.

3.4. Получение изображения тканей.

3.5. Сравнительный анализ методов ОИ ЭП.

3.6. Выводы по главе.

Глава 4. Экспериментальные исследования макетов устройств оптической идентификации эпидурального пространства

4.1. Измерение интенсивности обратного рассеивания

4.2. Получение изображения структуры тканей.

4.3. Метод нарушенного полного внутреннего отражения

4.4. Выводы по главе.

Глава 5. Разработка средств оптической идентификации эпидурального пространства.

5.1. Компоненты волоконно-оптических систем.

5.2. Разработка конструкции эпидурального зонда.

5.3. Разработка функциональной схемы устройства ОИ ЭП.

5.4. Разработка компоновки прибора.

5.5. Выводы по главе.

Актуальность работы

В настоящее время, в медицинской практике при анестезии широко используются регионарные виды обезболивания, при которых производится доставка небольших доз анальгетиков непосредственно к нервным структурам, ответственным за формирование боли. Эпидуральная анестезия (ЭА) занимает одно из ведущих мест в современном анестезиологическом пособии, а в определенных областях хирургии (урология, гинекология, акушерство, ортопедия) используется как основной вид обезболивания [1-3].

При проведении энидуральной анестезии необходимо расположить медицинскую иглу в эпидуральном пространстве (ЭП) позвоночного канала, так, чтобы не повредить твердую мозговую оболочку (ТМО).

Существующие известные методы ("утраты сопротивления", "висячая капля" и др.) определения момента достижения концом иглы ЭП при проведении операций субъективны [4]. Поэтому, даже у опытных специалистов непреднамеренная пункция ТМО возникает в 0,6 - 0,8% случаев [5, 6].

Так как повреждения ТМО вызывают тяжелые осложнения у больных, то веема актуальным является разработка объективных методов верификации ЭП.

Одно из таких современных направлений основано на визуализации ЭП при ультразвуковой локации положения иглы в теле человека. Однако её применение ограничено костными структурами, которые плохо пропускают ультразвук. Визуализация ЭП возможна только при использовании низких частот, применение которых дает низкое разрешение. [7-9]

Другое направление визуализации ЭП, позволяющее создание малотравматичных и эффективных методов и средств идентификации ЭП может быть основано на использовании оптических телекоммуникационных технологий.

Однако их применение для этих целей требует проведения соответствующих исследований для разработки возможных вариантов их реализации. Цель диссертационной работы

Цель диссертационной работы заключается в разработке и исследовании оптических методов идентификации эпидурального пространства больного.

Задачи исследования

1. Обзор существующих методов идентификации ЭП.

2. Анализ оптических свойств биологических тканей (кровь, связки, жир).

3. Определение признаков оптической идентификации эпидурального пространства.

4. Анализ использования световодов и граданов в составе иглы и условий распространения излучения в области косого среза световода.

5. Разработка инженерных методик определения оптимального угла среза световода для каждого метода идентификации.

6. Создание экспериментальных макетов устройств оптической идентификации эпидурального пространства.

7. Проверка результатов компьютерного моделирования оптической системы световода с косым срезом.

8. Оценка эффективности методов оптической идентификации эпидурального пространства.

Методы исследования

1. Аналитические и численные методы теории геометрической оптики.

2. Методы статистической обработки данных.

3. Методы математического моделирования с использованием Ма^сас!.

4. Методы компьютерного моделирования с использованием программы гЕМАХ.

5. Экспериментальные исследования оптических методов идентификации ЭП.

Научная новизна

1. Впервые показана возможность идентификации эпидуралыюго пространства оптическими методами.

2. Разработаны "энергетические" и "изображающие" методы оптической идентификации ЭП.

3. Созданы математические и компьютерные модели для расчёта оптических систем световодов для предлагаемых методов.

4. Доказана целесообразность применения и разработаны схемы внеапер-турной подсветки волоконно - оптических жгу тов, устанавливаемых в просвет медицинской иглы.

5. Проведены экспериментальные исследования оптических методов и устройств для идентификации ЭП.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Методы оптической идентификации эпидурального пространства.

2. Компьютерная модель оптической системы световода с косым срезом.

3. Методика выбора материала и вычисления угла среза световода, обеспечивающего минимальное, либо максимальное отражение излучения от среза, при контакте с заданной биотканью.

4. Функциональные схемы устройств оптической идентификации ЭП.

5. Результаты экспериментальных исследований макетов устройств ОИ ЭП.

Практическая значимость

Разработано пять макетов устройств, два из которых могут служить прототипами для создания средств идентификации эпидурального пространства.

Разработано 5 функциональных схем прибора для идентификации эпидуралыюго пространства. Определены эффективные способы обработки получаемой информации и представления её оператору.

Предложена компоновка устройства оптической идентификации ЭП. Разработана конструкция эпидурального зонда и узла совмещения срезов иглы и световода.

Результаты диссертационной работы могут являться основой для создания широкого спектра устройств для определения положения иглы в биологических тканях. Такие устройства могут быть использованы для создания автоматизированных систем ввода иглы.

Новизна предложенных методов и технических средств подтверждена двумя патентами на изобретение РФ и одним свидетельством на полезную модель.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на десяти конференциях, в том числе на трех международных, таких как 2-я международная конференция молодых ученых и специалистов "0птика-2001", V международная конференция "Прикладная оптика"(Санкт-Петербург, 2002), 47-й международный научный коллоквиум, ТУ Ильменау(Германия, 2002).

В рамках реализации инновационного проекта "Умная игла" по программе "СТАРТ-2007" Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, создан прототип устройства.

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 14-ти печатных работах [1023], из них 2 патента [10, 11], одно свидетельство на полезную модель [12] и 3 статьи в рецензируемых журналах [13-15].

Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения, библиографического списка из 65-ти наименований и 3-х приложений, содержит 110 станиц основного текста, 87 рисунков и 6 таблиц.