способ контроля жизнеспособности паренхиматозного органа, подлежащего трансплантации

Формула изобретения

Способ контроля жизнеспособности паренхиматозного органа, подлежащего трансплантации, посредством измерения электродинамических параметров паренхиматозного органа, включающий формирование СВЧ-сигнала с помощью генератора качающейся частоты, облучение органа и прием сигнала от органа с помощью по крайней мере одного зонда, выполненного в виде контактного ближнепольного резонансного датчика, по резонансной кривой которого определяют частотный сдвиг и изменение амплитуды резонанса принятого сигнала, по величине которых определяют диэлектрическую проницаемость и проводимость упомянутого паренхиматозного органа, отличающийся тем, что для паренхиматозного органа, подлежащего трансплантации и находящегося в консервирующей жидкости, проводят периодический контроль от забора органа до пересадки с оценкой динамики изменения проводимости и диэлектрической проницаемости, при этом параллельно с помощью второго зонда аналогичный контроль упомянутых параметров проводят для консервирующей жидкости и по изменению упомянутых параметров как органа, так и консервирующей жидкости от первоначальных значений определяют процент погибших клеток органа и степень его пригодности к пересадке, причем периодический контроль паренхиматозного органа сразу после забора органа осуществляют с частотой сканирования 1 раз в 5 минут, при изменении диэлектрический проницаемости или проводимости органа или консервирующей жидкости на величину порядка 1% от первоначального значения частоту сканирования увеличивают до 1 раза в 3 минуты, а при изменении диэлектрической проницаемости или проводимости на величину порядка 2% от первоначального значения частоту сканирования доводят до 1 раза в минуту.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области медицины и медицинской техники и может быть использовано для экспресс-диагностики паренхиматозных органов, предназначенных для трансплантации.

Ежегодно в мире проводится около ста тысяч операций по пересадке органов. С каждым годом их число растет, в основном за счет пересадки трупных органов. В этом случае забор и пересадка обычно происходят в разных клиниках, что требует оценки жизнеспособности трансплантата непосредственно перед проведением операции. Пересадка нежизнеспособного органа приводит к тяжелейшим последствиям, но недопустимо также отбраковывать жизнеспособный орган и отказываться от потенциальной донорской базы. Поэтому представляется очень важным и своевременным создание способа экспресс-анализа качества органа-трансплантата.

В мировой практике отсутствуют экспресс-методы диагностики жизнеспособности органов, подготовленных к трансплантации. Оценка жизнеспособности органа проводится на основании субъективных заключений врача, который учитывает такие показатели, как время, прошедшее от момента забора органа; органолептические свойства органа (цвет, консистенция, запах); официальная информация (документы). Например, в России орган, после забора которого прошло 4 часа и более, из соображений подстраховки в подавляющем большинстве случаев отбраковывается врачом, не имеющим возможности точно оценить его реальную пригодность или непригодность для трансплантации. С другой стороны, 30-40% нуждающихся не доживают до операции по пересадке, а несколько процентов операций заканчиваются трагично из-за того, что был пересажен нежизнеспособный орган.

Научно-обоснованную оценку пригодности органа можно получить с помощью биопсии. Однако, помимо того что это инвазивный способ получения данных, процедура проведения биопсии требует не менее 2 часов. В трансплантологии, где критична каждая минута, - это неприемлемо. Поэтому разработка и внедрение неинвазивных средств экспресс-анализа качества органов-трансплантатов является одним из актуальнейших вопросов современной медицины.

Ближайшим аналогом изобретения является патент РФ № 2381008 (МПК А61В 5/04, А61В 5/05; 05.06.2008), в котором описаны основанный на резонансном ближнепольном СВЧ-зондировании способ измерения электродинамических параметров биологических тканей, и в том числе паренхиматозных органов, опирающийся на тот факт, что патологические и физиологические процессы в живых тканях, как правило, сопровождаются изменением их электродинамических свойств, и устройство для его осуществления. Способ включает формирование СВЧ-сигнала с помощью генератора качающейся частоты, облучение органа и прием сигнала от органа с помощью зонда, выполненного в виде контактного ближнепольного резонансного датчика, по резонансной кривой которого определяют частотный сдвиг и изменение амплитуды резонанса принятого сигнала, по величине которых определяют диэлектрическую проницаемость и проводимость упомянутого органа и сравнивают с аналогичными показателями в норме.

Однако предложенный в патенте способ предполагалось использовать для ранней неинвазивной диагностики заболеваний в области онкологии, дерматологии и т.д. и ориентирован он был в основном на определение неоднородностей биологических тканей для выявления патологических образований, расположенных как на поверхности органов, так и скрытых под покровными структурами (эпителием), а также упоминалось то, что ввиду чувствительности устройства, с помощью которого осуществлялся способ, к любым, даже незначительным изменениям кровотока в тканях, можно использовать способ для оценки состояния паренхиматозного органа до его забора, во время консервации и после пересадки на основе данных о степени восстановления кровотока в паренхиматозном органе. Таким образом, предполагалось, что исследования будут проводиться разово и с тканями и средами, обладающими относительно небольшой степенью влажности.

При исследовании органа, предназначенного для трансплантации и помещенного в консервирующую жидкость, контроль необходимо проводить периодически с момента забора органа до момента трансплантации. Кроме того, имеет смысл проводить измерения электродинамических параметров не только самого органа, но и консервирующей жидкости. После забора органа, даже в условиях правильной консервации, орган начинается портиться (разрушаются клетки органа), соответственно меняются как электродинамические параметры самого органа, так и консервирующей жидкости, в которую попадают продукты распада клеток. Сравнение показателей жизнеспособности органа, полученных одновременно при исследовании органа и при исследовании консервирующей жидкости, позволит исключить из рассмотрения результаты измерений, осуществленных с ошибками, вызванными неполадками оборудования или неправильным размещением или закреплением датчиков. Кроме того, поскольку мы имеем дело с исключительно влажными объектами исследования, необходимо при проведении измерений исключить влияние токов проводимости на результаты измерений.

Задачей, на которую направлено изобретение, является создание неинвазивного, точного и не требующего дополнительных специальных знаний от медперсонала способа для экспресс-диагностики паренхиматозного органа, подготовленного к трансплантации, от момента забора органа до момента его пересадки пациенту, дающего возможность врачу получить количественную научно-обоснованную оценку пригодности паренхиматозного органа к пересадке.

Технический эффект достигается тем, что формируют СВЧ-сигнал с помощью генератора качающейся частоты, облучают паренхиматозный орган и принимают сигнал от органа с помощью по крайней мере одного зонда, выполненного в виде контактного ближнепольного резонансного датчика, по резонансной кривой которого определяют частотный сдвиг и изменение амплитуды резонанса принятого сигнала, по величине которых определяют диэлектрическую проницаемость и проводимость упомянутого паренхиматозного органа.

Новым является то, что для паренхиматозного органа, подлежащего трансплантации и находящегося в консервирующей жидкости, проводят периодический контроль от забора органа до пересадки с оценкой динамики изменения проводимости и диэлектрической проницаемости, при этом параллельно с помощью второго зонда аналогичный контроль упомянутых параметров проводят для консервирующей жидкости и по изменению упомянутых параметров как органа, так и консервирующей жидкости от первоначальных значений определяют процент погибших клеток органа и степень его пригодности к пересадке, причем периодический контроль паренхиматозного органа сразу после забора органа осуществляют с частотой сканирования 1 раз в 5 минут, при изменении диэлектрический проницаемости или проводимости органа или консервирующей жидкости на величину порядка 1% от первоначального значения частоту сканирования увеличивают до 1 раза в 3 минуты, а при изменении диэлектрической проницаемости или проводимости на величину порядка 2% от первоначального значения частоту сканирования доводят до 1 раза в минуту.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

На Фиг.1 приведена блок-схема устройства для измерения электродинамических параметров паренхиматозного органа.

На Фиг.2 представлена схема зонда.

Фиг.3 иллюстрирует соотношение измеряемой проводимости в зависимости от времени, прошедшего после забора почки, с построенной экспериментально на основе биопсии шкалой жизнеспособности паренхиматозного органа и соответствующие выводы о пригодности почки к трансплантации.

На Фиг.4 приведен график динамики проводимости консервирующей жидкости почки в течение часа после забора.

На Фиг.5 приведен график динамики проводимости консервирующей жидкости почки в течение часа после забора при нарушении температурного режима.

На Фиг.6 приведен график динамики проводимости консервирующей жидкости почки через 2,5 часа после забора и далее.

Способ реализуется с помощью следующего устройства (см. Фиг.1)

Устройство содержит генератор качающейся частоты 1, выходы которого подключены ко входам зондов 2, выполненных в виде контактных резонансных датчиков, контактная часть каждого из которых покрыта тонким (от 0,1 мкм до 10 мкм) диэлектрическим слоем 3. Каждый из зондов 2 (см. фиг.2) содержит возбуждающую 9 и приемную 10 петли связи и резонатор 17 в виде отрезка коаксиальной линии. Петли связи 9 и 10 подключены коаксиальными линиями 11, 12 через разъемы 13, 14 соответственно к входу и выходу у каждого из зондов 2. Резонатор 17 соединен одним концом с магнитной рамкой 15 для обеспечения магнитной связи с возбуждающей 9 и приемной 10 петлями связи, а другим концом - с цилиндрической измерительной емкостью 16. Выход каждого из зондов 2 с помощью выделенных каналов через соответствующие последовательно соединенные детектор 4 и АЦП 5 подключен к выделенному информационному входу блока обработки и регистрации сигнала 6, при этом выход тактового сигнала генератора качающейся частоты 1 подключен к входу блока обработки и регистрации сигнала 6, а выход блока обработки и регистрации сигнала 6 соединен со входом генератора качающейся частоты 1 для обеспечения обратной связи. Блок обработки и регистрации сигнала 6 снабжен программным обеспечением для оценки динамики изменения проводимости и диэлектрической проницаемости паренхиматозного органа 7, подлежащего трансплантации и находящегося в консервирующей жидкости 8, и для оценки динамики изменения тех же параметров самой консервирующей жидкости 8, а также для оценки процента погибших клеток паренхиматозного органа 7.

В связи с тем, что с помощью устройства проводят измерение электродинамических параметров влажных сред (консервирующая жидкость, органы для трансплантации), то для повышения точности измерений диэлектрической проницаемости и проводимости необходимо избавиться от влияния токов проводимости. Для решения этой проблемы и было предложено покрывать контактную часть зонда 2 тонким диэлектрическим слоем 3. В связи с тем, что данное покрытие не должно существенно уменьшать объем сканируемого образца (он уменьшается на объем диэлектрического слоя), а также покрытие должно быть долговечным и нестирающимся и должно обеспечивать отсутствие токов проводимости, то было решено наносить это покрытие методом осаждения диэлектрического вещества из газовой фазы, в которой создается плазма. Получаемое покрытие имеет толщину от 0,1 до 10 микрон и удовлетворяет всем необходимым требованиям.

Заявленный способ с помощью приведенного выше устройства реализуют следующим образом.

Каждый из зондов 2 приводят в контакт со своим объектам исследования (паренхиматозным органом 7 и консервирующей жидкостью 8) и в процессе исследования производят сканирование объектов. Работа устройства синхронизируется тактовым сигналом с генератора качающейся частоты 1. Генератором качающейся частоты 1 формируют СВЧ-сигнал в диапазоне 600-800 МГц, который по выделенным каналам передают на входы каждого из зондов 2. Затем в каждом из зондов 2 сигнал поступает через соответствующие разъем 13 и коаксиальную линию 11 на возбуждающую петлю связи 9. Собственная частота каждого из зондов 2 составляет приблизительно 760 МГц. При этом в каждом из зондов 2 через магнитную рамку 15 происходит возбуждение резонатора 17. При контакте одного из зондов 2 с объектом исследования - органом 7 или консервирующей жидкостью 8 - осуществляют зондирование объекта исследования краевым полем измерительной емкости 16. При этом в зависимости от вида объекта и его состояния (нормальное состояние органа 7 или консервирующей жидкости 8, или орган 7 с патологией, или консервирующая жидкость 8 с продуктами распада клеток) происходит изменение частоты и амплитуды резонанса резонатора 17 по сравнению с этими величинами до контакта с объектом исследования (диэлектрическая проницаемость воздуха равна 1, проводимость равна 0). Затем высокочастотный сигнал через магнитную рамку 15, приемную петлю связи 10, коаксиальную линию 12 и разъем 14 каждого из зондов 2 поступает на соответствующий детектор 4.

Продетектированный СВЧ-сигнал в виде резонансной кривой поступает на соответствующий АЦП 5. После оцифровки с шагом, задаваемым блоком управления и обработки сигнала 6, в реальном масштабе времени сигналы от обоих зондов 2 поступают на выделенные входы блока управления и обработки сигнала 6 и записываются. По изменению частоты судят о величине диэлектрической проницаемости исследуемого объекта, по изменению амплитуды - о его проводимости (потерях). На основании этих данных и созданных в результате длительных экспериментов калибровочных шкал жизнеспособности паренхиматозного органа, составленных на основании состояния органа и на основании состояния консервирующей жидкости соответственно, блок управления и обработки сигнала 6 с помощью специально созданного программного обеспечения анализирует результаты и сравнивает их. После сравнения блок управления и обработки сигнала 6 либо выдает на экран процент погибших клеток паренхиматозного органа 7, если разница между значениями этой величины, полученными по результатам измерений для каждого из зондов 2, не превышает 5%, либо идентифицирует результаты измерений как ошибочные и инициирует повторное сканирование. Если при повторном сканировании результаты совпадают (разница менее 5%), блок управления и обработки сигнала 6 принимает их как верные и выдает на экран процент погибших клеток паренхиматозного органа 7, если же снова обнаруживается ошибка, блок управления и обработки сигнала 6 выдает на экран предупреждение о необходимости проверки исправности оборудования и качества контакта зондов 2 с исследуемыми объектами. Процент погибших клеток паренхиматозного органа 7 - это та информация, которая понятна врачу и позволяет ему оценить степень пригодности органа к пересадке.

Результаты измерений полностью сохраняются в блоке управления и обработки сигнала 6 на жесткий диск в виде отдельных файлов. Измерения проводят периодически от момента забора паренхиматозного органа 7 до момента его пересадки.

Сканирование объектов исследования - органа 7 и консервирующей жидкости 8 - осуществляют периодически с переменной частотой сканирования. Это необходимо для того, чтобы не пропустить тот момент (см. Фиг.3), когда по прошествии некоторого времени после забора качественное состояние паренхиматозного органа 7 начинает быстро ухудшаться. Блок обработки и регистрации сигнала 6, снабженный программным обеспечением для оценки динамики изменения проводимости и диэлектрической проницаемости паренхиматозного органа 7 и консервирующей жидкости 8, самостоятельно определяет интервал времени, через который необходимо провести следующее сканирование, и в нужный момент инициирует процесс сканирования, подав соответствующий управляющий сигнал на генератор качающейся частоты 1. Изначально сканирование осуществляется каждые 5 минут, но при существенной динамике электродинамических параметров паренхиматозного органа 7 и консервирующей жидкости 8 частота сканирования увеличивается до 1 раза в минуту: сразу после забора паренхиматозного органа 7 осуществляют измерения с частотой сканирования 1 раз в 5 минут, при изменении диэлектрический проницаемости или проводимости паренхиматозного органа 7 или консервирующей жидкости 8 на величину порядка 1% от первоначального значения частоту сканирования увеличивают до 1 раза в 3 минуты, а при изменении диэлектрической проницаемости или проводимости на величину порядка 2% от первоначального значения частоту сканирования доводят до 1 раза в минуту.

В принципе, можно было бы сразу осуществлять сканирование с частотой 1 раз в минуту. Сканирование с такой частотой позволяет оперативно отслеживать изменения и должным образом трактовать их, это некоторая базовая частота сканирования. В целях повышения ресурса прибора сначала производится сканирование с наибольшим интервалом времени (1 раз в 5 минут). Но при заметном росте исследуемых параметров (начиная с 1%) частоту сканирования необходимо увеличивать.

Возможность осуществлять сканирование с небольшой частотой в течение некоторого времени сразу после забора паренхиматозного органа 7 объясняется характерными особенностями зависимости измеряемых величин от времени.

Как показали многочисленные эксперименты, у каждого паренхиматозного органа 7 разная диэлектрическая проницаемость и проводимость в начальном состоянии (сразу после изъятия). Также отличается зависимость диэлектрической проницаемости и проводимости консервирующей жидкости 8. Эксперименты доказали, что в зависимости от условий хранения и от качества самого паренхиматозного органа 7 в момент изъятия время его жизни может заметно отличаться. Поэтому не существует универсальной калибровочной кривой, сверившись с которой, мы могли бы моментально определить состояние паренхиматозного органа 7. Но важно отметить, что качественная зависимость диэлектрической проницаемости и проводимости как паренхиматозного органа 7, так и консервирующей жидкости 8 всегда одинакова.

Авторами было установлено, что важным ключевым параметром для верного определения данным методом пригодности органа к пересадке является наличие на начальном этапе измерений зависимости измеряемых величин от времени почти горизонтального «плато» (диэлектрическая проницаемость и проводимость как паренхиматозного органа 7, так и консервирующей жидкости 8 должны на всем участке отличаться не более чем на 5%) в течение некоторого характерного для каждого органа интервала времени, например для почки длительностью не менее 30 минут (см. Фиг.4). Тогда можно быть уверенным, что мы изначально начали исследовать заведомо пригодный к пересадке паренхиматозный орган 7, в котором еще не начались процессы ишемии.

График на Фиг.4 иллюстрирует динамику проводимости консервирующей жидкости почки в зависимости от времени в течение первого часа после забора. Начиная с тридцатой минуты проводимость начинает отличаться более чем на 1% от начального значения (первое измерение), участок почти горизонтального «плато» пройден, поэтому частоту сканирования увеличивают до 1 раза в 3 минуты. На графике видно, что изменение проводимости за интервал в 30 минут не превысило 5%, а это значит, что забор паренхиматозного органа и его консервация были проведены правильно, что динамика соответствует именно той динамике, которая наблюдается после консервации здорового паренхиматозного органа, и следовательно, наш метод верно предскажет время его жизнеспособности. Графики для оставшихся трех величин (диэлектрической проницаемости почки и консервирующей жидкости, а также проводимости почки) ведут себя аналогично.

Начиная с сорок восьмой минуты проводимость начинает отличаться более чем на 2% от начального значения (первое измерение), это уже существенное изменение проводимости по сравнению с первоначальным значением, частоту сканирования увеличивают до 1 раза в минуту, то есть происходит окончательный переход на базовую частоту сканирования. Увеличение частоты сканирования в данном случае связано в первую очередь даже не с тем, что пройден участок «плато», который позволяет нам реже осуществлять мониторинг паренхиматозного органа, а с тем, что заранее не известна причина увеличения измеряемой величины. Нельзя быть уверенным, что орган хранится в идеальных условиях, необходимость увеличения частоты сканирования связана с тем, что иногда в силу разных причин во время транспортировки органа могут быть нарушены условия хранения (изменение температурного режима, недостаточная скорость тока консервирующей жидкости и др.). В случае нарушения условий является крайне важным максимально быстро выявить сам факт такого нарушения (в большинстве случаев при раннем обнаружении сбоя нарушение легко устранимо и не приводит к заметной порче органа). Например, время жизни паренхиматозного органа в условиях тепловой и холодовой ишемии отличается в несколько раз. Для определения последствий изменения условий хранения мы специально моделировали различные сценарии.

На Фиг.5 представлено поведение проводимости консервирующей жидкости почки в течение первого часа после забора органа, где в определенный момент времени (t=40 мин от забора органа) повысили температуру на 5°C (с 4°C до 9°C). Как видно из графика, резко вырастает градиент проводимости, это значит, что орган начал портиться существенно быстрее. Сканирования с частотой 1 раз в 3 минуты в данной ситуации недостаточно, чтобы оперативно устранить причину сбоя. Важно отметить, что, разумеется, градиент будет разным при разных изменениях условий хранения. Но, тем не менее, в случае возникновения подобных сбоев необходимо как можно раньше восстановить необходимые условия хранения.

На Фиг.6 приведен график динамики проводимости консервирующей жидкости почки на более поздних временах. Начальный уровень проводимости составлял 1,7 См/м. Ноль шкалы отсчета совпадает со временем 2,5 часа от начала забора.

Как только уровень одного из четырех параметров (диэлектрическая проводимость и проводимость органа или консервирующей жидкости) начинает превышать начальный на 10%, то это соответствует, что испортилось примерно 15% клеток, на графике это наступает в момент времени 36 минут +2,5 часа от момента забора. Уровень в 15% погибших клеток соответствует стадии, начиная с которой вероятность восстановления работоспособности пересаженного органа в новом организме начинает заметно отличаться от 100%. И, соответственного, его желательно пересаживать в организм здорового молодого человека. Как только уровень одного из четырех параметров (диэлектрическая проводимость и проводимость органа или консервирующей жидкости) начинает превышать начальный на 20%, то это свидетельствует, что испортилось примерно 25% клеток, на графике это наступает в момент времени 61 минута +2,5 часа от момента забора. При таком уровне погибших клеток считается, что с высокой вероятностью паренхиматозный орган не сможет восстановить свою работоспособность (погибнет).

Важно отметить, что время между уровнями в 15% и 25% погибших клеток составляет при правильных условиях забора, консервации и хранения органа примерно полчаса. Но в случае допущения даже небольших отклонений от стандарта хранения и забора органа данный период времени может заметно сокращаться. Можно считать, что это самый критический участок в динамике измеряемой величины, и частота сканирования 1 раз в минуту (базовая частота) здесь совершенно оправдана.

Метод калибровался при помощи взятия биопсии. В ходе выполнения экспериментов проводился непрерывный мониторинг электродинамических параметров паренхиматозного органа и консервирующей жидкости (каждую минуту проводилось сканирование органа и консервирующей жидкости нашим устройством, и фиксировались его показания) начиная с момента забора. Также каждые 5-10 минут (в разных экспериментах выбирался разный интервал) проводилось взятие биоптата из исследуемого органа. Соответствие между жизнеспособностью паренхиматозного органа и показаниями устройства устанавливалось с помощью сравнения результатов биопсии и данных, полученными с помощью описанного выше устройства. По результатам этих экспериментов были созданы калибровочные шкалы жизнеспособности паренхиматозного органа, составленные на основании состояния органа и на основании состояния консервирующей жидкости соответственно (на Фиг.3 приведен пример для почки).

Итак, предлагаемый способ безопасен как для врача, так и для органа. Его использование не требует дополнительных специальных знаний от медицинского персонала. Существенным преимуществом способа является получение результата за несколько минут, что очень важно для трансплантологии. Среди прочих преимуществ, важным также является неинвазивность способа, т.е. ни одна клетка органа не будет повреждена при анализе. Способ обеспечивает высокую точность и достоверность измерений, поскольку калибровался при помощи взятия биопсии. Таким образом, обеспечивается требуемый технический эффект. Кроме того, реализация способа не требует дополнительных расходных материалов.