Динамическое инфракрасное картирование терморегуляторных процессов в биологических тканях Воловик Михаил Григорьевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Обзор литературы: ИК излучение как отображение терморегуляторных процессов в биологических тканях 17

1.1. ИК излучение как информационный сигнал о терморегуляторных процессах в биологических тканях 17

1.1.1. ИК излучение, его природа и значение в живых системах 17

1.1.2. Информационная ценность ИК сигнала от биологических тканей 22

1.1.3. Место тепловидения среди методов картирования биологических тканей 27

1.1.4. Тепловидение как метод изучения энергообеспечения биологических тканей 32

1.2. Динамика ИК излучения при терморегуляторных процессах 40

1.3. Реконструкция контуров терморегуляции по ИК отображению биологических тканей 52

1.4. ИК картирование открытого сегмента головного мозга 60

1.4.1. Место ИК тепловидения среди других методов картирования мозга 60

1.4.2. Моделирование ИК картирования открытого головного мозга 78

Глава 2 Материал и методы исследования 82

2.1. ИК тепловидение 82

2.1.1. Общие положения 82

2.1.2. Выбор функциональных проб для динамического ИК картирования 85

2.1.3. Материал и методики исследования локальных терморегуляторных процессов в формировании динамики ИК термопаттерна кожных покровов 88

2.1.3.1. Влияние многократной локальной ишемии на температурный режим и микроциркуляцию кожи кисти у человека 88

2.1.3.2. Тренировка донорского пальца (сегмента) кисти к ишемии перед перемещением под ИК контролем 90

2.1.3.3. ИК картирование периферического кровотока при продленной проводниковой анестезии у детей 91

2.1.3.4. Функциональная проба и схема для атласа термотопографии лица и передней поверхности шеи здорового человека 92

2.1.3.5. Термокартирование микроциркуляции рубцово-измененной кожи с помощью ИК тепловидения и ИК пирометрии 94

2.1.4. Материал и методики исследования системных терморегуляторных механизмов в формировании динамики ИК термопаттерна 97

2.1.4.1. Динамическое ИК картирование симметричных реакций 97

2.1.4.2. ИК отображение динамики температур кожных покровов головы 97

2.1.4.3. Методика интраоперационного ИК контроля при фотодинамической терапии 100

2.1.5. ИК термовизирование открытого сегмента головного мозга 103

2.1.5.1. Холодовая проба для оценки реактивности микрососудов перитуморальной зоны супратенториальных опухолей 103

2.1.5.2. Метод дифференцированного анализа ИК термокарт 104

2.1.5.3. Параметры термопаттернов открытой коры, возмущенной холодовой пробой 110

2.2. Дополнительные методы исследования 111

Глава 3 Принципы динамического ИК картирования терморегуляторных процессов в биологических тканях 115

3.1. Особенности проявления локальных и системных терморегуляторных механизмов в биологических тканях в контексте специализированных функциональных проб 115

3.1.1. Функциональные пробы 115

3.1.2. ИК отображение режимов терморегуляции 125

Глава 4 Роль локальных терморегуляторных процессов в формировании динамики ИК термопаттерна кожных покровов в экспериментальных и клинических контекстах 137

4.1. Влияние многократной локальной ишемии на температурный режим и микроциркуляцию кожи кисти у человека 137

4.2. Тренировка донорского пальца (сегмента) кисти к ишемии перед перемещением под ИК контролем 158

4.3. ИК картирование периферического кровотока при продленной проводниковой анестезии у детей 162

4.4. Функциональная проба и схема для атласа термотопографии лица и передней поверхности шеи здорового человека 172

4.5. Термокартирование микроциркуляции рубцово-измененной кожи с помощью тепловидения и ИК пирометрии 175

Глава 5 Роль системных терморегуляторных механизмов в формировании динамики ИК термопаттерна в экспериментальных и клинических контекстах 183

5.1. Динамическое ИК картирование симметричных реакций 183

5.1.1. Холодовая проба для ТПВ исследований симметричных реакций в физиологии и медицинской диагностике 183

5.1.2. Зеркальность в ИК изображениях конечностей человека 194

5.2. ИК отображение динамики температур кожных покровов головы 200

5.3. Методика интраоперационного ИК контроля при фотодинамической терапии 212

5.4. ИК отображение динамики мозгового кровотока в открытом сегменте коры головного мозга 217

Глава 6 Моделирование динамического термопаттерна на основе ИК картирования открытого головного мозга человека 225

6.1. Подходы и методы моделирования и анализа ИК термокарт 225

6.2. Метод дифференцированного анализа ИК термокарт твердой мозговой оболочки и коры головного мозга: протокол получения первичных данных и их комплексный анализ 235

6.3. Параметры термопаттернов невозмущенной и возмущенной холодовой пробой коры, по результатам ИК картирования при удалении опухолей головного мозга человека 240

6.4. Анализ точности и информативности интраопераци-онной ИК навигации на этапе транскортикального доступа при удалении опухолей головного мозга 256

Заключение 275

Выводы 279

Список литературы 281

• Место тепловидения среди методов картирования биологических тканей
• Метод дифференцированного анализа ИК термокарт
• Термокартирование микроциркуляции рубцово-измененной кожи с помощью тепловидения и ИК пирометрии
• Параметры термопаттернов невозмущенной и возмущенной холодовой пробой коры, по результатам ИК картирования при удалении опухолей головного мозга человека

Введение к работе

Актуальность проблемы. Наиболее актуальными направлениями современных биомедицинских технологий являются разработка и использование информативных бесконтактных методов исследования. Широко распространенным способом бесконтактной регистрации пространственного распределения температур является тепловидение, или термография, – получение видимого изображения объекта на основании его собственного инфракрасного (ИК) излучения. Преимущества использования этого абсолютно безвредного метода – отсутствие рисков для здоровья испытуемых и исследователя, удобство и оперативность применения, невысокие стоимость реализации и эксплуатационные расходы. Тепловидение как физический инструмент изучения в реальном масштабе времени объектов со сложной структурой поверхностных тепловых полей является высокоинформативным каналом получения важной информации о живых системах. В то же время, возможности современной тепловизионной (ТПВ) аппаратуры, технически стремящиеся к теоретическому пределу характеристик, до сих пор не являются эффективно реализованными в практике биомедицинских исследований [Kastek et al., 2014; Diakides, 2015].

Универсальность механизмов термогенеза и терморегуляции биологических тканей является основанием для разработки методологии изучения температуры – одного из важнейших параметров живой системы. Любое нарушение существующих нормальных топографических взаимоотношений и морфо-функциональных характеристик биологических тканей независимо от причины ведет к изменению их энергообеспечения и, следовательно, излучения от этой области во всех диапазонах спектра электромагнитных волн, в том числе в ИК диапазоне. Основная часть собственного теплового излучения тела человека находится в диапазоне длин волн от 4 до 50 мкм с максимумом спектральной плотности в области около 9,6 мкм при температуре кожного покрова, характерной для человека. В области 5-25 мкм кожа человека излучает почти как абсолютно черное тело [Hardy, 1934; Ring, Ammer, 2012]. Прямая связь между температурными градиентами, площадью области измерения и теплопроводностью ткани установлена законом теплопроводности Ньютона-Рихмана. Теплопроводность связана, прежде всего, с кровотоком и, в меньшей степени в норме – с интенсивностью метаболизма [Selsky, 2001]. Экзогенные факторы, определяющие ИК излучение от кожи, это температура, площадь и продолжительность внешнего температурного воздействия. Тепловыделение тканей, подлежащих коже, происходит в сторону кожи: 1) благодаря проводимости и капиллярной конвекции согласно закону Фурье (количество перемещенного тепла является функцией от теплопроводности и зависит от типа тканей); 2) благодаря конвекции через большие сосуды согласно закону Ньютона (количество перемещенного тепла является функцией от потока крови, теплоемкости С_р, плотности Р, скорости кровотока v) [Gautherie, 1982]. В тепловыделение открытых нервных структур, помимо кровотока и метаболизма, вносит вклад также электрогенез [Watanabe, 1986]. В формировании поверхностных термопаттернов могут участвовать рефлекторные механизмы теплопередачи от глубже расположенных структур.

ИК тепловидение в реальном режиме времени позволяет регистрировать пространственное распределение температур и оценивать интенсивность и характер теплового потока от открытой поверхности биологических тканей с глубины до 100 мкм. Однако ИК термокарта в стационарных условиях не содержит специфической информации о состоянии регуляторных систем. Открытым остается и вопрос о связи ИК «портрета» тех или иных участков тела с анатомическими структурами, которые расположены на определенном расстоянии от поверхности кожи [Хижняк, 2009; Сонькин, 2011].

Эффективная оценка состояния как физиологической, так и патологической системы возможна лишь с привлечением специфических функциональных проб [Иваницкий и др., 2007; Колесов и др., 2008]. Стандартизированные провокации, предназначенные для тестирования заранее известных мишеней в системе терморегуляции и контурах управления кровотоком, повышают специфичность тепловидения. Характеристики кожного кровотока, неспецифически вовлекаемого в ответные реакции на широкий спектр эндогенных и экзогенных стимулов, доступны исследованию многими инструментальными методами и нередко используются для диагностики в качестве маркера нарушений сосудистого контроля. Контролируемые

воздействия на микроциркуляцию позволяют активировать или блокировать конкретные контуры регуляции [Wright et al., 2006]. Представляется актуальным вопрос о контурах управления периферическим кровотоком и о возможности направленного запуска сосудистых реакций, например, при тестировании корреспондирующих участков кожи с помощью односторонней стимуляции [Shenker et al., 2003] или при периодическом повторении локальных ишемических эпизодов [Vainer, Markel, 2015].

Многочисленными исследованиями последних лет доказано, что ТПВ метод эффективен для неинвазивного отображения динамической карты микроциркуляторных реакций в участке кожи на основе пространственного распределения температуры по ее поверхности [Ahmadi et al., 2011]. Динамика температуры кожи отражает работу терморегуляторных процессов, возникающих при действии на нее различных стимулов [Kozyreva et al., 2015]. Поскольку паттерн ИК излучения от любых биологических тканей определяется, прежде всего, локальной и системной регуляцией кровотока в них [Gorbach et al., 2003; Christensen et al., 2012], применение контролируемых температурных нагрузок позволяет по пространственной и амплитудной динамике термореакций исследовать механизмы терморегуляции в норме, а при диагностированных поражениях на разных уровнях регуляции периферического кровотока – соотносить искажения нормальных ответов с характером нарушений. Это позволяет количественно оценить соотношение сосудистого и нервного контроля в различных функциональных контекстах и обеспечивает возможность дифференциальной диагностики нарушений микроциркуляции [Allen, 2002]. Адекватно подобранные нагрузочные пробы способны тестировать адаптационные и компенсаторные резервы системы кровообращения. При таком подходе метод становится инструментом, позволяющим изучать состояние не только кожных покровов, но и нервной регуляции внутрикожного кровотока на всем протяжении пути передачи сигналов в терморегуляторной системе. Однако до настоящего времени как в физиологии, так и в медицинской ТПВ диагностике функциональный подход не всегда находит признание (см., например, [Gatt еt al., 2015]), что обусловливает актуальность его активной разработки для расширения областей применения тепловидения. Основанием для этого должны служить новые знания о механизмах терморегуляции в биологических тканях.

Для изучения резервов функциональной системы микроциркуляции эффективна холодовая проба (ХП) в ее региональном варианте (охлаждение сегмента конечности) [Крупаткин, Сидоров, 2013]. Проиллюстрирована важная информационная роль холодового тестирования и подтверждена целесообразность его использования для ТПВ оценки нарушений периферического кровотока. Однако остается актуальным выбор информативных контекстов для повышения эффективности оценки репертуара адаптационных реакций в системе регуляции кровотока, что важно, в том числе, для возрастной и спортивной физиологии и ТПВ диагностики травм и заболеваний. Из путей решения этой задачи перспективны: подбор специфических нагрузочных проб для оценки компенсаторных резервов функциональной системы регуляции периферического кровотока; исследование механизмов нейробиологического взаимодействия симметричных зон кожных покровов в физиологических условиях; создание информационных технологий для автоматизированного анализа ТПВ данных с функциями активной идентификации и классификации областей биологических тканей, отличающихся пространственно-временными характеристиками локального кровотока.

Ситуация с ИК картированием головного мозга отличается тем, что мозговой кровоток (МК) находится под управлением ауторегуляции, механизмы которой различны в здоровом и больном мозге. Температура мозга определяется его метаболизмом, артериальным входом и МК [Choi, 2011], фундаментальные представления о ее распределении и динамике основаны на понимании ее зависимости от МК, региональной активности мозговых структур и жизнеспособности нейронов [Wang et al., 2014]. С термодинамической точки зрения, головной мозг уникален тем, что отвод тепла от него ограничен из-за низкой теплопроводности черепа. При этом прямая регистрация внутричерепных температур затруднена, а приводимые в литературе данные, полученные с помощью разных методов транскраниальных измерений, противоречивы [Zhu et al., 2009: Bakhsheshi et al., 2014].

Температурный режим открытого мозга в ходе нейрохирургических операций значительно отличается от внутричерепного. ИК излучение открытой коры определяется наличием патологического процесса, наркозом, хирургическими манипуляциями и влиянием температуры среды. В то же время, уникальный характер артериальной системы мозговой коры с поверхностной сетью сосудов определяет адекватность интраоперационного применения тепловидения для оценки функционального состояния и компенсаторных резервов ауторегуляции МК [Kravetz et al., 1998]. В этом плане несомненна актуальность углубления теоретических знаний о температурном гомеостазе как головного мозга в целом, так и открытого сегмента коры в условиях нейрохирургических вмешательств. Стремление хирургов максимально сохранить функциональные зоны коры объясняет все более широкое применение интраоперационного нейрофизиологического контроля в лечении опухолей головного мозга (ОГМ). Измерения температуры поверхности мозга у нейроонкологических больных в ИК диапазоне также завоевывают все большее признание клиницистов [Kateb, 2009; Radev et al., 2014 и др.]. Изучение режимов терморегуляции открытого сегмента мозга, определяемых, прежде всего, функциональным состоянием и адаптационными ресурсами ауторегуляции локального МК [Kalmbach, Waters, 2012], особенно перспективно в отношении оценки регуляторных возможностей кровотока перитуморальной (околоопухолевой) зоны (ПЗ). От судьбы последней зависит прогноз вероятности и степень развития послеоперационных осложнений, неврологических нарушений, связанных с вторичным отеком и ишемией, а также вероятность продолженного роста опухоли. Разработка методов неинвазивной и точной оценки функционального состояния ПЗ при ОГМ у человека является актуальной и практически важной задачей.

Об актуальности ИК картирования открытого головного мозга свидетельствует активность ряда исследовательских групп (в Германии, США, Японии, Австралии, Польше, Иране), работающих в данном направлении. В то же время, изучение характеристик ИК излучения открытого головного мозга проводится этими исследователями, как правило, на малых выборках (в пределах 3-10 пациентов), в расчетах не учитывается сложная форма анализируемых областей, а производится их грубая аппроксимация простыми геометрическими объектами (линия, прямоугольник, эллипс), сам анализ редко оперирует строгими статистическими критериями [Gorbach et al., 2004; Nakagawa et al., 2006; Steiner et al., 2011; Hollmach et al., 2014; Kaczmarska et al., 2014; Hwang et al., 2014; Sadeghi-Goughari et al., 2016]. Все это, а также низкая автоматизация основных рутинных процедур, может потенциально приводить к многочисленным ошибкам, резко снижая информативность получаемых результатов. В связи с этим актуальной представляется разработка принципов и подходов к математическому моделированию процессов ИК термовизирования открытого мозга в ходе нейрохирургических операций, а также методов комплексного анализа ИК термокарт, позволяющего реконструировать динамику переходных процессов в системе ауторегуляции локального МК как в здоровой коре, так и в проекции ОГМ и в их ПЗ.

Таким образом, изучение ИК отображения терморегуляторных процессов в биологических тканях является актуальной теоретической и практической задачей.

Целью диссертационной работы явилось выявление закономерностей терморегуляторных процессов в биологических тканях на основе развития методологии динамического ИК картирования.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать общие принципы динамического ИК картирования терморегуляторных процессов
в биологических тканях в экспериментальных и клинических контекстах.

1. Изучить роль локальных и системных терморегуляторных процессов в формировании динамики ИК термопаттерна кожных покровов в экспериментальных и клинических условиях.

2. Обосновать методологию применения контролируемых специфических функциональных проб для изменения режимов регуляции кровотока и динамической регистрации пространственно-амплитудных ИК характеристик биологических структур.

3. Изучить динамические режимы работы и контуры регуляции функциональной системы кожной микроциркуляции в экспериментальных и клинических условиях.

5. Оценить возможности динамического ИК картирования для исследования ауторегуляции мозгового кровотока в открытом сегменте головного мозга человека.

6. Разработать функциональную схему динамики термопаттерна открытого головного мозга человека на основе ИК картирования.

7. Разработать метод дифференцированного анализа ИК термокарт для реконструкции и визуализации патологического процесса в открытом сегменте головного мозга по данным динамического ИК картирования.

Научная новизна полученных результатов.

Впервые сформулированы и обоснованы принципы ИК картирования терморегуляторных процессов в биологических тканях, заключающиеся в применении контролируемых специфических функциональных проб для изменения режимов регуляции кровотока и динамической регистрации пространственно-амплитудных ИК характеристик структур тестируемой физиологической системы. Разработанная методология позволяет изучать локальные и системные механизмы терморегуляции при широком спектре экспериментальных и клинических контекстов.

Предложена модель динамического терморегуляторного ответа на холодовые пробы в кожных покровах и описаны схемы контуров регуляции периферического кровотока как в зоне воздействия, так и в корреспондирующих симметричных участках кожи, что позволило выявить временные и пространственные режимы подключения надсегментарного уровня системы терморегуляции. Вскрытие механизмов взаимодействия локальных и системных терморегуляторных процессов позволило впервые исследовать зависимость реактивности периферического кровотока при продленной проводниковой анестезии от возраста ребенка, определить критерии оценки функционального состояния регуляции периферического кровотока в норме, при прерывании нервной проводимости в ситуациях спинномозговой анестезии, периаксональных блокад периферических нервов, диабетической нейропатии и анатомического перерыва периферических нервов, при нарушениях нервной регуляции кровообращения на разном уровне.

Впервые изучены динамические режимы работы функциональной системы кожной микроциркуляции с оценкой ее адаптационных и компенсаторных ресурсов в физиологических и клинических условиях.

Сформулированы принципы интраоперационного динамического ИК картирования открытого сегмента головного мозга в ходе нейрохирургических вмешательств, позволяющего оценить функциональное состояние локального мозгового кровотока. Впервые детально изучена пространственная динамика температур в перитуморальной зоне и разработана методика оценки ауторегуляторного резерва пиально-капиллярного русла в ней. Доказана специфичность динамики пространственного термопаттерна коры в ответ на разработанную высокоэффективную холодовую пробу в зависимости от степени злокачественности опухоли головного мозга.

Разработана структурно-функциональная схема системы «Мозг-Патология-Кровоток» и комплексная математическая модель процесса ИК картирования головного мозга человека на ее основе, синтезированы алгоритмы оперативного автоматизированного анализа ИК термокарт с функцией обнаружения и классификации типа патологии и очерчивания ее границ, предложена схема автоматизированной обработки и анализа ИК термокарт. Впервые разработан формализованный протокол ИК измерений при проведении хирургических операций на головном мозге, включающий холодовую пробу и циклограмму регистрации, а также оригинальная методика автоматизированной разметки ИК отображения операционного поля. Изучены температурные параметры сформированных зон твердой мозговой оболочки и открытой коры, в том числе с привязкой к характеристикам каждого конкретного случая оперативного вмешательства (гистология опухоли, степень ее злокачественности, глубина залегания, локализация и т.п.). Разработанные алгоритмы оперируют действительной геометрией анализируемых зон, а получаемые оценки являются надежными в статистическом смысле (уровень значимости =10^-4). Это позволило впервые детально изучить параметры

термопаттернов невозмущенной и возмущенной (с помощью холодовой пробы) коры по результатам ИК картирования при удалении опухолей головного мозга.

Теоретическая и практическая значимость.

На моделях одностороннего прерывания проводимости по периферическим нервам получены экспериментально-клинические факты, подтверждающие гипотезу активации контралатеральных реакций на разных уровнях нервной системы от спинного мозга до высших центров, что позволяет изучать временные и пространственные режимы включения системных механизмов терморегуляции. Показано, что динамика термопаттерна в ответ на правильно подобранные параметры функциональной пробы может быть специфичной для характера повреждения нервных структур и кожных покровов и применима для дифференциальной диагностики вариантов неврологических и сосудистых нарушений.

Разработанная модель запуска контура регуляции кожного кровотока с помощью периодической локальной ишемии использована в клинике в методике тренировки донорского сегмента кисти перед его перемещением для профилактики нарушений периферической микроциркуляции.

Созданный аналитический инструментарий для дифференцированного анализа ИК термокарт открытого головного мозга позволил выдвинуть ряд гипотез о механизмах и компенсаторных резервах ауторегуляции МК у нейроонкологических больных.

Развитие принципов формализованного описания ТПВ отображений терморегуляторных процессов в биологических тканях открывает перспективы создания информационных технологий поддержки принятия решений в области функциональной диагностики.

Новизна и практическая значимость полученных результатов подтверждена 11 патентами РФ. Разработанные технологии внедрены в лечебно-диагностический процесс в отделениях нейрохирургии, анестезиологии и реанимации и других ФГБУ «ПФМИЦ» МЗ РФ, отделений нейрохирургии обл. больницы им. Н.А.Семашко, Нижегородского межобластного нейрохирургического центра в виде медицинских технологий, решающих задачи диагностики, прогноза и оценки эффективности лечения соответствующей патологии на всех его этапах. Теоретические разработки вошли в спецкурс по ТПВ диагностике, читаемый в Нижегородской медицинской академии.

Положения, выносимые на защиту.

1. Особенности локальных и системных механизмов терморегуляции биологических тканей отображаются в динамике пространственного распределения ИК излучения от их поверхности в ходе предъявления специализированных функциональных проб.

2. Динамическое ИК картирование кожных покровов при сохранности всех уровней нервной регуляции отображает динамику кожной микроциркуляции и позволяет оценить адаптационный и компенсаторный потенциал участка кожи.

3. Динамическое ИК картирование неповрежденных кожных покровов отображает текущее состояние терморегуляторной системы, включающей контуры передачи афферентных и эфферентных сигналов: периферических нервов, сегментов спинного мозга, спинального сосудодвигательного центра, надсегментарных структур. Особенности динамики термопаттерна при специализированных функциональных пробах обеспечивают возможность диагностики, прогноза и оценки эффективности лечения при повреждениях нервной и сосудистой систем и опорно-двигательного аппарата.

4. Динамическое ИК картирование открытого сегмента головного мозга человека отражает пространственное распределение мозгового кровотока в соответствии с активностью ауторегуляторных процессов.

5. Разработанная функциональная схема «Мозг-Патология-Кровоток» обеспечивает формализованное описание механизмов формирования ИК паттерна открытого сегмента головного мозга и является основой для автоматизированной реконструкции пространственного распределения кровотока.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюз. симпоз. «Зрение организмов и роботов» (Вильнюс, 1985); III, IV, V Всесоюз. конф. «Тепловизионная

медицинская аппаратура и практика ее применения» (Фрунзе, 1985; Ленинград, 1988; Красногорск, 1991); Всесоюз. симпоз. «Механизмы адаптационного процесса в остром периоде ЧМТ» (Новосибирск, 1990); Всесоюз. конф. «Травма центральной нервной системы» (Одесса, 1991); I Совещ. по картированию мозга (Москва, 1991); I Съезде нейрохирургов Украины (Киев, 1993); Междунар. конф. «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, 1994, 1996, 1998, 2006, 2008,

2010. 2012, 2014); I-IV Съездах нейрохирургов России (Екатеринбург, 1995; Н.Новгород, 1998; Санкт-Петербург, 2002; Москва, 2006); VI Съезде травматологов и ортопедов России (Н.Новгород, 1997); 20-th European Conf. оn Microcirculation (Paris, 1998); V и VI Междунар. симпоз. «Повреждения мозга (Минимально-инвазивные способы диагностики и лечения)» (Санкт-Петербург, 1999, 2001); III Междунар. конф. «Радиоэлектроника в медицинской диагностике» (Москва, 1999); Междунар. конф. нейрохирургов (Ялта, 2002); Всерос. конф. «Поленовские чтения» (Санкт-Петербург, 2005, 2007, 2010, 2011, 2015); II Междунар. конф. «Современные технологии диагностики, лечения и реабилитации повреждений и заболеваний кисти» (Москва, 2005); XII съезде Федерации анестезиологов и реаниматологов (Н.Новгород, 2010); Междунар. конф. «Нелинейная динамика в когнитивных исследованиях» (Н.Новгород,

2011. 2013); VI Росс. конгр. «Педиатрическая анестезиология и интенсивная терапия» (Тверь, 2011); X Междунар. конф. «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии – ФРЭМЭ» (Владимир, 2012); IV Съезде биофизиков России (Н.Новгород, 2012); V Междунар. конф. «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии и медицине (PhysioMedi-5)» (Санкт-Петербург, 2013), Науч.-практ. конф. с междунар. участием «Илизаровские чтения» (Курган, 2015), II Конгрессе по регенеративной медицине (Москва, 2015), Всерос. конф. с междунар. участием «Термические поражения и их последствия» (Ялта, 2016), а также на более 20 конференциях и семинарах местного и регионального уровня.

Личный вклад соискателя. Автором лично поставлено более 400 экспериментов на более 115 лабораторных животных (крысы) и 67 здоровых добровольцах. Обследовано 1184 больных с нейрохирургической, неврологической, сосудистой, ожоговой, травматолого-ортопедической патологией. Автор в качестве постановщика задач принимал участие в разработке математической модели термовизирования открытой коры головного мозга, метода дифференцированного анализа ИК термокарт для интраоперационной топической диагностики ОГМ, информационных технологий для оценки функционального состояния и компенсаторных резервов кожной микроциркуляции и локального МК в экспериментальных и клинических контекстах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 139 научных работ, в том числе 21 (с учетом переводных версий – 33) статей в журналах, рекомендованных ВАК, 1 монография, главы в 2 коллективных монографиях и 2 руководствах и более 100 статей в рецензируемых сборниках научных трудов и трудах международных и всероссийских конференций, получено 11 патентов (в соавторстве), зарегистрировано 1 рацпредложение.

Структура и объем диссертации.

Место тепловидения среди методов картирования биологических тканей

Несомненна и бесспорна ценность в биомедицинских исследованиях современных методов визуализации живых объектов. Среди них рентгеновские (в том числе – КТ и ПЭТ), различные модификации МРТ, ультразвуковые, оптические, спектроскопические, электрофизиологические методы и многие другие [Hildebrandt et al., 2010; Vainer, 2012] (Рис. 1.3).

Возможности некоторых из них в картировании структуры и\или функций биологических тканей, основанные на высоком пространственно-временном разрешении, приведены на схеме (Рис. 1.4).

Пунктиром авторы [Доронина-Амитонова и др., 2015] обвели область, в которой работают оптические методы. Мы поместили на эту схему область, которую, согласно литературным данным [Giansanti et al., 2006; Kaczmarek et al., 2012; Balageas et al., 2013; Гусев, Ушаков, 2014; Pinti et al., 2016 и многие др.] и нашему опыту, занимает ИК картирование. При этом картирование мы рассматриваем как высшее проявление визуализации, поскольку оно оперирует не только представлением, но и анализом и интерпретацией данных.

Помимо достоинств каждого из существующих методов картирования все они на практике в физиологических и, особенно, в клинических исследованиях на человеке имеют те или иные ограничения (Табл. 1.1). Поэтому несмотря на богатство инструментального обеспечения, при возможности для некоторых из вышеназванных методов измерять температуру, тепловидение в биологии и медицине стремится занять свою нишу, определяемую не только длиной волны регистрируемого от тела излучения, но также рядом дополнительных возможностей, которые, при обоснованной и доказательной методологии исследований, способны превратить его, по выражению Л.Б.Лихтермана [Лихтерман, Колесов, 2003], в «идеальный метод диагностики». Кроме того, эффективно комплексное применение тепловидения с другими методами [Webb et al., 2015; Kateb, Nikzad, 2016].

Современные ТПВ приборы способны с высоким пространственно-временным и амплитудным разрешением количественно оценивать интенсивность и характер теплового потока от открытой поверхности биологических тканей с глубины до 100 мкм [Gorbach, 1993; Diakides., 2015]. Мощность (поток) теплового излучения – единственная величина, регистрируемая тепловизорами, которая является функцией температуры объекта и его коэффициента излучения [Скрипаль и др., 2009]. Обязательным условием формирования термоизображения является наличие температурного контраста между объектом и фоном, а в пределах контура объекта – между его отдельными элементами [Иваницкий, 2006a]. При этом излучаемая мощность находится в сильной зависимости энергетической светимости от температуры (четвертая степень термодинамической температуры) [Taylor et al., 2014], и технические возможности ТПВ аппаратуры позволяют надежно фиксировать даже небольшое повышение температуры поверхности. Визуализируя энергообеспечение таких биофизических процессов, как изменение объема и скорости движения крови по сосудам, выделение и испарение жидкости с поверхности кожи, приводящих к температурным изменениям на поверхности тела, тепловидение является высокотехнологичным методом получения функциональной информации о биообъекте в реальном режиме времени [Сагайдач-ный, 2010]. В настоящее время этот метод регистрации ИК излучения от поверхности биологических тканей все шире применяется в биомедицинских исследованиях [Ammer, 2015b, 2016].

Однако для того, чтобы этот абсолютно безвредный неинвазивный метод, визуализирующий распространенность процессов и отображающий в температурной динамике их активность, был действительно эффективным инструментом, следует хорошо представлять механизмы терморегуляции и термогенеза биологических тканей, а также создать аналог нейронной сети, способной включить ИК данные, зарегистрированные тепловизором, в научную картину мира [Иваницкий, 2006б; Vainer, 2012; Воловик и др., 2013]. Тем не менее, возможности современной ТПВ аппаратуры, технически стремящиеся к теоретическому пределу характеристик, до сих пор не являются в полной мере реализованными в практике биомедицинских исследований, что мы попытались отразить в Табл. 1.2.

Эффективное применение современной ТПВ аппаратуры должно быть основано не просто на регистрации пространственного распределения и динамики тепловых полей на поверхности биологического объекта, которую интерпретирует эксперт на основе индивидуального прецедентного опыта, но диктуется необходимостью: выделения физиологически значимых признаков в ИК отображении; идентификации работы изучаемой физиологической системы; распознавания функциональной структуры биологических тканей; прогнозирования динамики физиологической системы.

Вышесказанное означает, что, не доверяя обманчивой «простоте» и «наглядности», необходимо разрабатывать методологию ТПВ исследований, последовательно включающую в себя: подбор информативных экспериментальных и клинических контекстов; разработку дозируемых специфических функциональных нагрузок для контролируемого перевода изучаемой системы из стационарного состояния в переходное; изучение контуров регуляции в многоуровневой терморегуляторной системе; исследование механизмов нейробиологического взаимодействия симметричных зон кожных покровов в физиологических условиях как модели системных механизмов терморегуляции; создание информационных технологий для автоматизированного анализа ТПВ данных [Воловик и др., 2013].

Без понимания механизмов и путей реализации функций терморегуля-торной системы и разработки новых способов сбора, анализа и интерпретации данных метод обречен на ошибки и недоверие со стороны исследователей, как это уже было в 1990-х годах [Anbar, 1998; Колесов и др., 2008].

Метод дифференцированного анализа ИК термокарт

Протокол обследования (эксперимент, операция)

Обследовано 43 пациента с опухолями головного мозга супра- и субтен-ториальной локализации, из них 21 – женщины и 22 – мужчины. Средний возраст пациентов (по медиане) составил примерно 56,5 лет (женщины примерно 54 года, мужчины примерно 57,5 лет). Распределение пациентов по возрасту приведено на Рис. 2.8.

Распределение пациентов по гистологической природе опухолей и степени их злокачественности (grade) представлено в Табл. 2.5.

Распределение пациентов по параметру d – HA (минимальной глубине залегания опухоли относительно поверхности коры и/или ТМО – dura mater) приведено на рис. 2.9a.

Принцип определения этого параметра схематично изображен на рис. 2.9б. Из Рис. 2.9а видно, что наиболее вероятное значение величины d приходится на глубину от 0 до 2 см.

Распределение пациентов по локализации опухолей согласно анатомическим критериям приведено на Рис. 2.10a. В силу ограниченного объема выборки пациентов сагиттально-симметричные зоны объединены (Рис. 2.10 б). Наибольшее количество исследований пришлось на полушарные (супра-тенториальные) опухоли: 38 случаев против 5 случаев субтенториальных.

С целью оценки функционального состояния локального МК производили термовизирование (регистрацию ИК излучения) открытого сегмента ТМО (dura mater) и коры (brain cortex) на этапе до удаления внутримозговых опухолей. Камеру тепловизора стационарно устанавливали на штативе таким образом, чтобы иметь максимальный обзор операционного поля при перпендикулярной ему оси визирования, не создавая помех оперирующей бригаде и соблюдая стерильность. Расстояние от объектива до поверхности мозга составляло от 12 до 18 см, что позволяло оптимально использовать матрицу приемника ИК излучения. При этом физический размер пикселя в пространстве предметов колебался в диапазоне 220-289 мкм.

После трепанации черепа регистрировали исходную термокарту ТМО, а после вскрытия ТМО – открытого сегмента коры головного мозга. На каждом из этих этапов выполняли ХП: равномерное орошение ТМО (коры) в пределах трепанационного окна раствором NaCl 0,9% (B.Braun Melsungen AG, Germany) с температурой 20-22С в течение 30 с [Кравец и др., 2006, с модификацией]. Добивались кратковременного локального снижения поверхностной температуры в области аппликации хладагента на 3,0±0,5С.

Регистрацию динамики температур в исследуемой области проводили в режиме непрерывного наблюдения (запись термофильма), начиная за 5-10 с до аппликации хладагента и в течение 2 минут после окончания пробы с частотой фиксации термокадров 1 Гц. Циклограмма процесса ИК мониторинга в привязке к основным операциям показана на рис. 2.11.

На время термовизирования во избежание нагрева поверхности мозга и ее бликования выключали бестеневую операционную лампу, в период исследования хирурги прекращали манипуляции в операционном поле. Температуру в операционной (20-23оС) фиксировали в момент каждого исследования.

Полученные ИК данные соотносили с координатами патологического очага на навигационной установке.

Комплексная обработка данных

Первичную обработку данных с тепловизора производили после операции. Изначально из последовательности ИК кадров выделяли опорный термокадр невозмущенной коры до ХП (момент времени до аппликации хладагента). Далее поверх опорного ИК кадра производили разметку контуров (Рис. 2.12). Разметка производилась вручную, исходя из геометрии операционного поля, видимого как в видео, так и в ИК каналах. Дополнительно ис пользовались данные до- и послеоперационных КТ- и МРТ-исследований с привязкой к реперным точкам, а также документированные описания нейрохирургической бригады («Протокол операции»).

Исходно формировали четыре контура, ограничивающих:

WA - рабочую зону, включающую область тканей, способных активно реагировать на ХП и значимых для диагностической интерпретации термореакции на нее.

DM - область ТМО, покрывающей кору.

HSg - область удаленной опухоли. Контур очерчивался (с участием нейрохирурга) после удаления опухоли по фотографии операционного поля с мозговой раной, с последующей коррекцией по локализации ложа удаленной опухоли на послеоперационной КТ.

HIR - область очага, определенная оператором в ИК диапазоне, соответственно его экспертному (прецедентному) опыту.

Дальнейшую обработку и визуализацию данных осуществляли в программе Wolfram Mathematica 9, для которой были разработаны собственные алгоритмические и программные расширения. Вначале отрисованные контуры автоматически очищались и проверялись на целостность и корректность. Затем по ним строились маски первичных областей (см. Рис. 2.12): WA, DM, HSg и HIR. При этом, для случая многих очагов, области HSg объединялись в область HA:

Далее программа посредством математических морфологических операций формировала две дополнительные первичные области (Рис. 2.13):

Выделялась также область NWA (нерабочая область) - дополнение к области WA в пределах полного кадра тепловизора. Далее всесторонне изучались конфигурационные и температурные параметры сформированных зон, в том числе с привязкой к характеристикам каждого конкретного случая оперативного вмешательства (гистология опухоли, степень злокачественности, глубина залегания, локализация и т.п.). Для повышения степени объективности формулируемых выводов, активно использовались методы проверки статистических гипотез [Леман, 1979]. Кроме того, исходя из последних результатов в области прикладной математической статистики [Johnson, 2013], в исследовании применяли достаточно «жесткий» уровень значимости а = 10 4 2.1.5.3. Параметры термопаттернов открытой коры, возмущенной холодовой пробой

Все пациенты обследованы стандартно с оценкой анамнеза жизни, локального статуса, регистрацией лабораторных и аппаратурных показателей.

Вводный наркоз у всех пациентов осуществляли фентанилом 200 мкг и пропофолом (2-2,5 мг/кг), интубацию трахеи выполняли после введения эс-мерона (1 мг/кг). Искусственную вентиляцию легких проводили наркозно-дыхательным аппарат Fabius Tiro (Drger, Germany). Поддержание анестезии выполняли постоянной инфузией пропофола (4-7 мг/кг/час), фентанила (0,6-1,2 мкг/кг/час), миорелаксацию в ходе операции поддерживали непрерывным введением тракриума из расчета 0,3-0,4 мг/кг/ч. Голову пациента фиксировали в нужном положении в скобе Мейфилда.

Микрохирургическое удаление опухолей производили с помощью микроскопа Leica M525 F40 (Leica Microsystems, Heerbrugg, Switzerland) под навигационным контролем при непрерывном мониторинге показателей жизненных функций. Нейрофизиологический контроль осуществляли с помощью аппарата ISIS IOM (Inomed Medizintechnik GmbH, Germany).

Всего проведены 71 ХП, из них на ТМО – 28, на коре – 43 ХП, методика аппликации хладагента и регистрации термофильма в обоих случаях была идентичной. Вся процедура исследования занимала около 3 минут для каждой ХП.

Затем всесторонне изучались конфигурационные и температурные параметры сформированных зон в моменты времени tk , в том числе с привязкой к характеристикам каждого конкретного случая оперативного вмешательства.

Термокартирование микроциркуляции рубцово-измененной кожи с помощью тепловидения и ИК пирометрии

СпП применена для оценки функционального резерва микроциркуляции различных рубцово-измененных областей лица и передней поверхности шеи у больных с последствиями ожогов. По характеру зарегистрированных ИК паттернов и реакций тканей в ответ на СпП судили об их пригодности для местной кожной пластики. При охлаждении грубых рубцов выявлено не-довосстановление в них температуры до исходной (Тисх), что служит признаком снижения в них кровотока (Рис. 4.31).

Подобную динамику ИК данных всегда демонстрируют в ответ на локальное охлаждение келоидные рубцы, и прогноз использования для местной пластики тканей со столь неудовлетворительным кровотоком неблагоприятный (Рис. 4.32).

Ниже приведены границы температурных значений, характерных для рубцов обоих типов (пригодных и не пригодных для пластики, по ТПВ данным) (табл. 4.1).

Достигаемые показатели температуры (Ткон) рубцовых участков кожи с удовлетворительным кровотоком к 7 минуте после пробы достоверно попадают в диапазон от -0,9 до +0,8оС, с неудовлетворительным – не достигают исходных температур на величины от 1,9оС и более (Рис. 4.33).

Для референтной оценки степени нарушения микроциркуляции в рубцовых тканях использованы данные по термотопографии лица и шеи здоровых испытуемых, а также измерения ЛДФ. Выявлены корреляции ИК и клинических данных о состоянии кровообращения в рубцах.

Таким образом, при неизбежности использования для местной пластики рубцовых тканей лица применение методики функционального тепловидения на основе разработанных температурных критериев пригодности патологически измененных тканей для пластических операций обеспечивает предупреждение ишемических осложнений.

Регрессионный анализ кривых ИК динамики в ответ на СпП в различных участках рубцовой кожи показал снижение логарифмической зависимости температуры от времени восстановления по мере продвижения от здоровой кожи к грубым рубцам (Рис. 4.34).

Данный факт послужил обоснованием для разработки методики ИК картирования планируемых для пластики лоскутов рубцово-измененных кожных покровов с помощью ИК пирометра, работающего в том же диапазоне, что и тепловизор, но его применение исключает возможность проведения СпП. В то же время, все изменения температуры, зарегистрированные пирометром, качественно, по направленности и относительной пропорциональности, совпадали с параллельно зарегистрированными тепловизором.

С высокой стабильностью пирометрические замеры показали повышение температуры в направлении от грубых рубцов к менее пораженным тканям, что теоретически согласуется с разницей в состоянии кровоснабжения рубцово-измененных и нормальных кожных покровов. Это позволяет определять границу между тканями, подлежащими утилизации, и пригодными для использования при местной кожной пластике.

При удалении точки замера от рубца на 5-10-15 мм температура ее в большинстве случаев «ступенчато» приближалась к контрольной (см. табл. 4.2, Рис. 4.35).

Разница температур между измеряемой (Т2) и контрольной (Т1) точками (Т=Т2-Т1) свидетельствовала о пригодности \ непригодности данного участка для местной кожной пластики. За критерий пригодности была принята величина Т 1оС: при снижении температуры в данной точке по сравнению с контрольной («норма») более этого значения она считалась не пригодной для использования при пластике.

Пирометрическая оценка температур эффективно помогала выявить участки рубцово-измененных тканей, которые клинически определить было сложно. Так, если грубые рубцы отличались выраженным снижением температуры (на Рис. 4.35А лоскут включает рубец с Т=1,45оС), то области в пределах планирующихся для пластики лоскутов, предположительно компенсированные по состоянию кровотока, также могли оказаться за пределами выбранного критерия (Рис. 4.34Б). В таком случае приходилось корректировать разметку для хирургического закраивания лоскутов.

Обоснована достаточная точность пирометрических измерений и достоверность получаемых результатов в данном контексте. Свидетельством эффективности применения ИК пирометра является четкая корреляция с клинической оценкой в ходе операций местной кожной пластики и послеоперационной динамикой приживления лоскутов.

Разработанная методика наиболее достоверна при локализации рубцов на туловище и конечностях, но дает низкую информативность при расположении поражений на лице и шее. При локализации обследуемых участков рубцово-измененных тканей в нижней части лица потоки вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, наличие зон со значительной физиологической разницей в кровоснабжении (область рта и щеки), – все это вместе взятое усложняет задачу выработки температурных критериев для точной оценки функционального состояния кожного кровотока и требует корректировки методики. При попытках оценить пошаговое изменение температуры послеожоговых рубцов в тех зонах кожных покровов на передней поверхности шеи, где ИК излучение зависит от наличия расположенных близко под кожей сонных артерий, в части рубца около одной из них или над ней температурные данные искажены. Поскольку контрольную область следует выбирать вблизи планируемого лоскута, на лице и на шее это не всегда возможно, что также ограничивает применимость здесь пирометра. Возможно, в этих контекстах использование пирометрии не является оправданным.

Не только оценка кожного кровотока в рубцово-измененных тканях, но и ряд других клинических моделей с динамическим развитием (как пато-, так и саногенетические процессы) наиболее перспективны для внедрения медицинской пирометрии при необходимости многократного повторения исследований, особенно у тяжелых больных, где оперативность может быть важнее точности. Это ситуации с исследованиями в палатах интенсивной терапии, перевязочных, в ходе реабилитационных мероприятий (как при контроле за эффективностью лечения, так и в процессе проведения однократной, например, физиотерапевтической процедуры).

Таким образом, совпадение пространственно-амплитудных характеристик пригодных и не пригодных для пластики рубцовых тканей, полученное двумя методами (тепловидением и ИК пирометрией), стабильность показаний, подтверждение точности выработанного пирометрического критерия операционными находками и послеоперационным приживлением лоскутов, – все это позволяет рекомендовать пирометр в качестве удобного портативного, мобильного и не дорогостоящего прибора, позволяющего производить оценку функционального резерва кровоснабжения лоскутов.

Проведенные исследования не исчерпывают всех возможностей функционального тепловидения. Представляет интерес разработка более тонких критериев в соответствии с гистологической структурой рубцов, оценка скорости и динамики восстановления кровотока в измененных рубцовым процессом тканях, что может служить предметом наших дальнейших исследований. Интра- и послеоперационный мониторинг состояния кровотока в перемещенных лоскутах также перспективен для ретроспективного уточнения дооперационных критериев.

Параметры термопаттернов невозмущенной и возмущенной холодовой пробой коры, по результатам ИК картирования при удалении опухолей головного мозга человека

Распределение температуры в момент времени tb (до аппликации хладагента при проведении ХП) для зон NA_BС, NA_DM, HA_BС и HA_DM, рассчитанное по полной выборке ХП, приведено на рис. 6.14. Наименования зон имеют смысл [Макаренко, Воловик, 2015]: NA – область относительно нормальной (интактной) коры / ТМО; HA – область удаленной опухоли; BC – кора; DM – ТМО.

Анализ пар распределений (NA_BС/NA_DM, HA_BС/HA_DM, NA_BС/HA_BC и NA_DM/HA_DM) по критерию согласия Пирсона (критерий согласия 2) показал, что все пары имеют различающиеся распределения с уровнем значимости =10-4. Но при этом, как видно из рис. 6.14г, характерна «похожесть» распределений в проекции очага патологии (NA_DM) и вне ее (HA_DM) на ТМО, в отличие от такового на коре (рис. 6.14в), что объяснимо более выраженным влиянием опухоли на кортикальные сосуды, чем на дуральные, особенно в случаях глиальных опухолей.

Сравнение разницы медианных значений для вторичных зон приведено в табл. 6.2.

Отраженные в таблице различия между относительно «нормальными» областями ТМО (DM) и коры (BC), обозначенными как NA_x, и областями в проекции очага патологии, обозначенными как НА_x, вполне совпадают с данными о нарушениях локального МК в работе [Gorbach et al., 2004], согласно которым ведущую роль здесь играет ишемизация мозговой ткани, наиболее близко расположенной к опухоли.

Анализ статистического распределения температур по зонам в момент времени tb показал бесперспективность разделения зон по критерию температуры невозмущенной коры. Так, по критерию Неймана-Пирсона [Леман, 1979] для бинарной классификации получены следующие результаты.

Примем в качестве нулевой гипотезы условие н0-.ге NW, означающее, что пикселы принадлежат зоне NWA. Тогда альтернативная гипотеза Щ-.ZGWA будет указывать на принадлежность пикселов рабочей зоне WA. Критическая область для критерия, разделяющего НО и HI, задается условием %:2ь 22.4в (так называемая односторонняя критическая область). Зафиксируем ошибку второго рода P(WA .NWA) = IO 4, которая означает, что нулевая гипотеза НО принимается, когда на самом деле она не верна, а верна альтернативная гипотеза HI. Тогда вероятность правильно классифицировать зону NWA именно как зону NWA составляет всего P(NWA-NWA)=3.75XIO а. То есть правильное разделение зон NWA и WA фактически невозможно.

Ниже приводятся аналогичные данные для других зон.

Интегральные температурные характеристики проанализированной выборки ХП по каждой зоне для момента времени tb приведены в Табл. 6.3. В табл. 6.3 присутствуют критические значения температур в зоне WA (выделены цветом), относящиеся к подзоне HA.

Из данных этого рисунка видно, что аномальные границы температур имеют 4 ХП. При этом 3 из них – это случаи понижения температуры, в том числе: A1 – в зоне HA_DM, A2 –HA_DM и A3 – HA_BC. Выявлен также единственный случай повышения температуры в зоне HA_BC (A4). Величины min/max являются статистически неустойчивыми и могут объясняться шумами или аномальными измерениями (к примеру, «битым» пикселом тепловизора).

Для снятия этой неопределенности было рассмотрено пространственное распределение температур, соответствующих ХП (A1–A4) в момент времени tb. Эти карты приведены на Рис. 6.16.

Анализ приведенных на рис. 6.16 карт показал, что размер аномальной зоны для каждого случая составил (в пикселах): A1 – 11, A2 – 47, A3 – 93 и A4 – 70. При этом зоны представлены не отдельными изолированными пикселами, а пространственно компактны, т.е. в первом приближении не являются аномальными измерениями, вызванными сбойными пикселами тепловизора. Мы можем предположить следующие причины этих аномалий.

А1 (Рис. 6.16а) – менингиома с неврологической симптоматикой в течение 7 месяцев. Опухоль прорастала ТМО и имела с ней общую сосудистую сеть, поэтому большая часть сосудов была коагулирована.

А2 (Рис. 6.16б) – гигантская менингиома с анамнезом 12 месяцев, занимающая почти всю область WA, зона существенного снижения температуры – коагулированный крупный сосуд. Кроме того, это самый возрастной больной (82 года), у которого высокая васкуляризация опухоли преимущественно в базальных отделах сочеталась с очагом некроза.

А3 (Рис. 6.16в) – менингиома с анамнезом 5 лет, высокой васкуляриза-цией опухоли при сильной ишемизации компримированной ею мозговой ткани.

А4 (Рис. 6.16г) – глиобластома с высокой степенью васкуляризации и анамнезом от первых неврологических проявлений 2 месяца. Помимо высокой васкуляризации, в опухоли отмечена активная пролиферация, обусловливающая интенсивный метаболизм. На поверхности коры – гипертрофированные сосуды, которые и дали всплеск температуры. Основной причиной этого мы предполагаем снижение внутричерепной гипертензии и постише-мическую реперфузию в ответ на вскрытие ТМО [Березина В.В., 2008].

Дополнительно отметим, что все низкие значения температур (случаи A1–A3) относятся к менингиомам, а высокие значения (А4) – к глиальной опухоли. У всех этих больных наблюдалась патологическая неврологическая симптоматика: двигательные нарушения и положительный симптом Баре, а у 2-х (А1 и А3) также и симптом Бабинского, что говорит о значительных общемозговых нарушениях. Дополнительно в случаях А2 и А3 имелся выраженный отек и смещение срединных структур, деформация желудочков и внутричерепная гипертензия.

Исходя из литературных данных о верхней и нижней границах возможных температурных колебаний открытого мозга у нейроонкологических больных [Gorbach et al., 2003, 2004; Kateb et al., 2009], истинно аномальным мы можем считать только один из четырех случаев температурных выбросов, а именно А2. Отклонения приводимых ниже в литературе значений в случаях А1 и А3 и выше – в случае А4 не могут считаться критическими, если мы не наблюдаем их в течение длительного времени (порядка нескольких минут). В то же время, очевидно, что обнаруженные факты обусловлены патологическим контекстом, поскольку в норме подобные отклонения быстро возвращаются ауторегуляторными механизмами мозгового кровотока в гомеоста-тический коридор [Иванов К.П., 2007].

В Табл. 6.4 показаны медианные значения температур во вторичных зонах в момент времени tb для ХП при различных гистологических диагнозах. Выбор именно этих гистологических диагнозов обусловлен тем, что они имеются более чем у одного пациента (см. Табл. 1 в работе [Макаренко, Воловик, 2015]) и, следовательно, позволяют получить статистически корректные оценки. Анализ разницы медианных значений в пределах каждой зоны показал, что они статистически значимы с уровнем =10-4 (тест Манна– Уитни).

Из данных табл. 6.4 следует, что в общем при глиальных опухолях температура в проекции очага патологии достоверно выше, чем при оболо-чечных (менингиомы). При этом присутствуют также явные девиации термопаттерна «нормальной» коры (кора на отдалении от проекции очага) для случая опухолей типа астроцитомы, что объяснимо также высокой степенью злокачественности и, соответственно, инвазии большинства исследованных нами случаев (3 из 5).

Возможно, увеличение выборки позволит провести более детальный сравнительный анализ и выявить причины этого отклонения.

Первичные характеристики термопаттернов открытой коры, возмущенной ХП

В связи с зарегистрированной нами высокой вариабельностью исходной температуры в зонах коры анализ абсолютных значений температуры в моменты времени 4 (релаксация коры после аппликации хладагента) без учета температуры в момент времени 4 в принципе не имеет смысла. Поэтому для анализа температурных характеристик ХП сформируем аналитическую относительную величину

Здесь и далее индекс к - относится к моменту времени 4, а і, у - к пространственным координатам.

При этом величины дгт" и ДЇ""1 характеризуют наибольшее «проседание» и «выбег» температуры в моменты времени 4 относительно температуры в момент времени 4.

Распределения величин дг и з— по зонам на всей выборке приведены на рис. 6.17 и 6.18 соответственно. Дескриптивные статистические характеристики (медиана и с.к.о. - среднеквадратическое отклонение) для этих величин приведены соответственно в табл. 6.5 и 6.6. При анализе параметра сдвига использовался тест Манна-Уитни с уровнем значимости =10"4.

Как следует из данных табл. 6.5, медианное значение величины ±т для рабочей зоны WA близко к -8,78C. При этом медианное значение понижения температуры по зонам NABC, NADM и HADM варьирует незначительно. Статистически значимо выделяется только зона HA_BC (-8,42C).