Содержание к диссертации
Введение
глава 1. Обзор литературы 15
1.1. Актуальные проблемы ларингологии 15
1.2. Современные методы визуальной оценки в ларингологии 16
1.3. Современные методы визуализации в диагностике заболеваний гортани 18
1.4. Морфологический анализ в диагностике заболеваний гортани 25
1.5. Оптическая когерентная томография как способ визуализации структуры биотканей 29
глава 2. Клиническая характеристика больных. Методы исследования 33
2.1. Клиническая характеристика больных 33
2.2. Методы исследования 37
глава 3. Обоснование возможности ОКТ-визуализации структуры слизистой оболочки гортани. Методика проведения оптической когерентной томографии гортани 41
3.1. Теоретическое (физико-биологическое) обоснование использования оптической когерентной томографии в ларингологии 41
3.1.1. Теория инструментального видения в мутных средах. Принцип метода оптической когерентной томографии 41
3.1.2. Функциональные элементы томографа. Технические параметры прибора 46
3.1.3. Программный пакет обеспечения ОКТ 51
3.2. Клинико-экспериментальное обоснование возможности получения объективной информации о структуре слизистой оболочки гортани с помощью оптической когерентной томографии 53
3.2.1. Изучение возможности получения изображений слизистой оболочки гортани на аутопсийном (post mortem) материале 53
3.2.2. Изучение возможности распознавания патологических изменений слизистой оболочки гортани на операционном (ex vivo) материале 62
3.3. Методика проведения ОКТ-исследования слизистой оболочки гортани в условиях клиники 68
3.3.1. Методика проведения оптической когерентной томографии на открытой гортани 68
3.3.2. Методика проведения эндоларингеальной оптической когерентной томографии 69
3.3.3. Методика анализа томографических изображений 73
глава 4. Визуализация с помощью ОКТ нормальной слизистой оболочки различных отделов гортани. Томо-морфологические сопоставления 77
4.1. ОКТ-изображение слизистой оболочки надголосового пространства гортани 79
4.2. ОКТ-изображение слизистой оболочки голосового отдела гортани 85
4.3. ОКТ-изображение слизистой оболочки подголосового отдела гортани. 87
4.4. Нормальная слизистая оболочка гортани: томо-морфологические сопоставления 90
глава 5. ОКТ- диагностика патологии гортани. Томо-морфологические сопоставления 94
5.1. Хроническое неспецифическое воспаление слизистой оболочки гортани 96
5.1.1. Хронический катаральный ларингит. Хронический атрофический ларингит 96
5.1.2. Хронический гипертрофический ларингит 101
5.2. Опухолеподобные состояния 106
5.2.1. Псевдоэпителиоматозная гиперплазия 106
5.2.2. Эпителиальные аномалии 112
5.2.3. Киста 122
5.2.4. Интубационная гранулёма 125
5.2.5. Певческие узелки 128
5.2.6. Полипы голосовых складок 130
5.3. Доброкачественные опухоли гортани 133
5.3.1. Папилломатоз гортани 133
5.3.2. Фиброма гортани 138
5.4. Злокачественные опухоли гортани 140
5.4.1. Рак in situ 141
5.4.2. Рак гортани 143
Глава 6. Аспекты клинического применения оптической когерентной томографии в ларингологии 148
6.1. Дифференциальная ОКТ диагностика состояний слизистой оболочки гортани 153
6.1.1. Нормальная слизистая оболочка и хронический неспецифический ларингит 154
6.1.2. Хронический гиперпластический ларингит, дисплазия эпителия, рак in situ и плоскоклеточный рак гортани 158
6.1.3. Доброкачественные опухоли, опухолеподобные образования и плоскоклеточный рак гортани 164
6.2. Возможность использования ОКТ для визуализации границ распространённости патологических процессов в слизистой оболочке гортани 173
6.3. Статистическая оценка диагностической ценности оптической когерентной томографии 178
6.4. Основные направления клинического использования оптической когерентной томографии. Клинические примеры 185
Заключение 190
Выводы , 208
Практические рекомендации 210
Список литературы 212
- Современные методы визуальной оценки в ларингологии
- Клиническая характеристика больных
- Теория инструментального видения в мутных средах. Принцип метода оптической когерентной томографии
- ОКТ-изображение слизистой оболочки надголосового пространства гортани
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Проблема диагностики и лечения заболеваний гортани в настоящее время не только не теряет своей актуальности, но и приобретает всё большее медицинское и социальное значение. Это связано с продолжающимся ростом заболеваемости гортани в целом и, что особенно существенно, ростом онкологической патологии и в нашей стране, и за рубежом [35, 58, 159, 165]. Патология гортани составляет 14,3 % в структуре заболеваемости ЛОР-органов, причём подавляющее число больных с онко-патологией гортани (75 - 80 %) поступает в лечебные учреждения на поздних стадиях заболевания, несмотря на появление всё более совершенных методов диагностики [27, 33, 35].
Современный уровень развития ларингологии и, в частности, ларингохирургии обеспечивает возможность применения щадящих методов лечения, позволяющих не только адекватно ликвидировать патологический очаг, но и максимально сохранить функцию органа, что способствует скорейшей медицинской и социальной реабилитации пациентов [40, 171]. Это положение обуславливает необходимость дальнейшего совершенствования диагностического процесса, особенно в направлении уменьшения инвазивности и, соотвественно, обеспечения безопасности методов, повышения уровня их разрешающей способности и скорости получения информации. Существенное значение в современных условиях имеет и стоимость проводимых диагностических мероприятий.
Существующие в настоящее время основные методы визуальной оценки, использующие высокоразрешающую оптику (микроларингоскопия, фиброларингоскопия и т.д.), дают возможность осмотреть полость гортани при достаточно большом увеличении [1, 43, 44, 93, 149]. Благодаря этому качество диагностики в последние годы существенно возросло. Однако, подобные методики обладают некоторой долей субъективизма, поскольку в
7 определённой мере зависят от качества используемой аппаратуры, квалификации врача, производящего исследование, и характера патологии [10, 33]. При визуальной оценке исследователю доступна лишь поверхность объекта, что не всегда позволяет определить зону наиболее выраженных изменений. В связи с этим возникает необходимость использования дополнительных диагностических методов, таких как: различные варианты рентгенологического исследования, включая компьютерную томографию (КТ); магнитно-резонансную томографию (МРТ); ультразвуковое сканирование и некоторые другие [35, 39, 139, 166, 198, 204]. Перечисленные методы визуализации позволяют получить объективную информацию о состоянии гортани и степени развития патологического процесса с пространственным разрешением от 100 до 1000 мкм и наиболее эффективны при диагностике заболеваний, грубо меняющих анатомическую структуру или занимающих относительно большой объём органа [79]. Кроме того, рентгенологические методы оказывают на организм пациента общее повреждающее воздействие, величина которого обусловлена дозой облучения [32]. В последнее время в диагностике заболеваний гортани, в том числе и онкологических, начали применяться более высокоразрешающие методы визуализации. Так, высокочастотный (20 - 40 MHz) ультразвук (ультрасонография) позволяет различать злокачественные опухоли размером до 3 мм и эффективен при диагностике опухолей Т2 - Т4 стадий [61, 62]. Но слизистая оболочка гортани при исследовании высокочастотным ультразвуком не визуализируется, и диагностика начальных стадий опухолевого процесса остаётся вне компетенции метода. Флюоресцентная спектроскопия в различных модификациях с успехом применяется при диагностике ранних стадий карциномы гортани. Однако, специфичность метода ограничена, и при его применении количество ложно-положительных результатов достигает 40% [160]. Применяемые на сегодняшний день методы визуализации в диагностике заболеваний гортани практически не объективизируют информацию о состоянии слизистой оболочки и процессах,
8 происходящих в ней. Идентификация патологического процесса, особенно при диагностике онкологических заболеваний, возможна только в результате морфологического анализа биопсийного материала [208]. Но биопсия, являясь инвазивным методом, влечёт за собой дополнительную травматизацию органа и может привести к развитию интра- и послеоперационных осложнений. Кроме того, проведение повторных или мультифокальных исследований может привести к диссеминации опухолевого процесса [201].
Таким образом, основными требованиями к современным диагностическим методам являются минимизация повреждающего воздействия на пациента, повышение информативности, увеличение скорости получения информации и разрешающей способности до тканевого и клеточного уровня.
Одним из способов получения подобной информации может стать метод оптической когерентной томографии (ОКТ). В 90-х годах учёными Нижегородского Института прикладной физики РАН и Нижегородской государственной медицинской академии начаты совместные научные исследования по разработке и использованию ОКТ в качестве метода медицинской диагностики [18, 36, 52].
ОКТ - новый метод получения изображений структуры биотканей с разрешением 15 мкм, использующий в качестве зондирующего излучения свет ближнего инфракрасного диапазона [17, 99, 100, 125]. В экспериментах in vitro и in vivo различными исследовательскими группами были получены изображения тканей на глубину 1.5-2 мм. Объектами исследования были кожа, зубы, хрящ, кость и нервы [20, 109, 129]. Внутриполостные исследования стали возможны после создания микрозон'да, совместимого с современным эндоскопическим оборудованием [18, 36, 108]. ОКТ-исследования гортани при различных вариантах патологии впервые в мире начаты в клинике болезней уха, горла и носа Нижегородской государственной медицинской академии на базе Областной клинической
9 больницы им. Н.А.Семашко, совместно с Нижегородским институтом прикладной физики РАН.
Актуальность настоящей работы состоит в том, что она посвящена исследованию и разработке нового метода неивазивной диагностики, позволяющего в реальном времени получать информацию о состоянии слизистой оболочки на уровне тканевой архитектоники при заболеваниях гортани.
Цель научного исследования:
Изучить возможности оптической когерентной томографии в диагностике заболеваний гортани.
Задачи научного исследования:
Изучить возможность получения дифференцированного ОКТ-изображения нормальной и патологически изменённой слизистой оболочки гортани.
Разработать оптимальную методику ОКТ-обследования пациентов с заболеваниями гортани.
Выявить томографические признаки различных вариантов патологии гортани.
Сформулировать дифференциально-диагностические ОКТ-критерии оценки томограмм различных патологических процессов и изучить возможности метода в дифференциальной диагностике заболеваний гортани.
Определить диагностическую ценность ОКТ в ларингологии.
Определить основные направления клинического использования оптической когерентной томографии в практической ларингологии. ю Научная новизна исследования.
Впервые в мире оптическая когерентная томография использована в диагностике заболеваний гортани.
Впервые доказана возможность неинвазивного получения прижизненной информации о состоянии слизистой оболочки гортани в реальном времени. Составлен атлас томографических изображений нормальной слизистой оболочки различных отделов гортани.
Впервые доказана возможность идентификации патологических процессов в слизистой оболочке гортани с помощью ОКТ. Составлен атлас томографических изображений патологических процессов в слизистой оболочке гортани.
Впервые разработаны и научно обоснованы методики проведения оптической когерентной томографии эндоларингеально и на открытой гортани.
Впервые определено значение и место ОКТ в структуре диагностического процесса при заболеваниях гортани.
Новизна метода подтверждена патентом на изобретение «Способ диагностики in vivo патологической зоны в слоистой системе биологических органов эпителий - подлежащая соединительная ткань» Патент Российской Федерации на изобретение RU № 2169525 Зарегистрирован в ГРИРФ Бюл. № 18 27.06.2001. Приоритет от 20.01.2000 Авторы: Гладкова Н.Д., Загайнов В.Е., Загайнова Е.В., Кузнецова И.А., Щахов. А.В. и др.
Научно-практическая значимость.
По результатам научного исследования разработаны и внедрены в клиническую практику методики открытой и эндоларингеальной оптической когерентной томографии. Использование ОКТ в диагностике заболеваний гортани позволило: повысить эффективность диагностики заболеваний гортани; объективизировать визуализацию фокуса патологии и линейных границ распространённости патологического процесса; усовершенствовать методику проведения прицельной биопсии и сократить количество проводимых биопсий; проводить мониторинг качества выполнения щадящих хирургических вмешательств на гортани; проводить мониторинг процессов, происходящих в слизистой оболочке гортани, с целью контроля эффективности проводимого лечения.
Материалы и методы исследования.
На доклиническом этапе работы проведено исследование 4-х препаратов гортани, полученных при аутопсии тел людей, умерших от причин, не связанных с заболеваниями дыхательных путей, и 4-х препаратов, полученных непосредственно после экстирпации гортани по поводу рака. Анализу подверглись 564 томографических и 67 гистологических изображений.
Клинический материал составили результаты обследования ПО пациентов с различными заболеваниями гортани. Проведено 116 ОКТ-исследований. Анализу подверглись 2653 томографических изображения и 313 гистологических препаратов слизистой оболочки гортани.
Всем пациентам проведён стандартный комплекс общеклинического обследования. При наличии показаний проводились классическая рентгенотомография и компьютерная томография гортани.
ОКТ-исследования слизистой оболочки гортани проводились по оригинальным, разработанным в клинике болезней уха, горла и носа Нижегородской государственной медицинской академии методикам при прямой опорной микроларингоскопии и на открытой гортани после выполнения ларингофиссуры.
В работе использовался компактный оптический томограф со сменными оптическими зондами, созданный в Институте прикладной физики Российской Академии Наук (г. Нижний Новгород). Размер томографического блока 15 х 40 х 40 см, вес - около 10 кг. При работе томограф подключался к стандартной сети переменного тока, потребляемая мощность составляла не более 25 Вт. Все исследования проводились с использованием минизонда с торцевым окном сканера. Подведение последнего к слизистой оболочке осуществлялось с помощью жёстких проводников, специально разработанных для ОКТ - исследований гортани.
Управление томографом и запись изображений осуществлялась с помощью персонального компьютера в портативном варианте с процессором Pentium 200 ММХ. Для проведения исследований была разработана специальная компьютерная программа - «Tomogram Presentator». Пакет состоял из двух частей: режим "сканер" и режим "редактор документов". Реальные изображения имели позитивную коричневую палитру, где светлые зоны соответствовали области более интенсивного обратного рассеяния. Программное обеспечение ОКТ позволяло полностью автоматизировать процесс получения информации и её обработки, а так же организовать чёткое документирование исследования.
Диагностическая ценность ОКТ была подтверждена результатами статистического анализа данных, полученных методом тестирования.
Работа выполнена в клинике болезней уха, горла и носа Нижегородской государственной медицинской академии на базе Нижегородской Областной клинической больницы им. Н.А.Семашко. Автор выражает благодарность за помощь в работе сотрудникам Нижегородского Института прикладной физики РАН.
Материалы диссертации доложены на международном биомедицинском оптическом симпозиуме BiOS '99 (San Jose, California USA, 1999), на заседаниях Нижегородского отделения
13 Всероссийского научно-практического общества отоларингологов (г. Н.Новгород, 2001), на XVI съезде оториноларингологов РФ (г. Сочи, 2001), на симпозиуме «Заболевания голосового аппарата и верхних дыхательных путей» (г. Владимир, 2001), на научно-практической конференции «Актуальные вопросы фониатрии и реконструктивной хирургии гортани» (г. Москва, 2002), на Российской конференции оториноларингологов (г. Москва, 2002), на научно-практической конференции «Реконструктивная хирургия опухолей головы и шеи» (г. Иваново, 2003), Всероссийской конференции с международным участием «Проблема реабилитации в оториноларингологии» (г. Самара, 2003).
Внедрение результатов исследования в практику.
Разработанный метод обследования пациентов с патологией гортани внедрён в практику работы ЛОР-отделений Нижегородской Областной клинической больницы им. Н.А.Семашко, Нижегородского Областного онкологического диспансера. Результаты исследования используются в педагогическом процессе на кафедре болезней уха, горла и носа НГМА, курсе лучевой диагностики Института последипломного образования НГМА.
Основные положения, выносимые на защиту:
Оптическая когерентная томография позволяет получать объективную информацию о структуре слизистой оболочки гортани. Нормальная слизистая оболочка гортани на томограммах имеет характерный и постоянный набор томографических признаков. Патологические процессы, происходящие в слизистой оболочке, изменяют томографическую картину.
С помощью оптической когерентной томографии можно неинвазивно детектировать ограниченные и распространённые
14 патологические процессы, затрагивающие слизистую оболочку гортани (различные варианты хронического ларингита, доброкачественные и злокачественные опухоли, опухолеподобные образования) и локализовать фокус патологии.
Оптическая когерентная томография позволяет с высокой степенью достоверности распознавать процессы малигнизации в слизистой оболочке гортани.
Оптическая когерентная томография позволяет оптимизировать выполнение прицельной биопсии, определять линейные границы распространённости патологических процессов и проводить мониторинг эффективности и качества лечения.
Объём и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания клинической характеристики больных и методов исследования, четырёх глав результатов собственных исследований и их обсуждения, заключения, выводов, практических рекомендаций, списка литературы.
Работа изложена на 234 страницах машинописи, содержит 9 таблиц, 56 диаграмм и рисунков. Указатель литературы состоит из 209 источников (58 источников на русском языке и 151 на иностранных языках). К диссертации прилагаются: атласы томографических изображений нормальной слизистой оболочки гортани и различных патологических процессов в ней, а так же тестовые задания, использованные в статистическом исследовании.
Современные методы визуальной оценки в ларингологии
Основой диагностики заболеваний гортани является визуальная оценка. В практической ларингологии широко распространена методика непрямой ларингоскопии, проводимой с помощью гортанного зеркала [38, 46, 67]. Метод не требует дорогостоящего диагностического оборудования и сложного анестезиологического обеспечения, однако возможности его ограничены малой разрешающей способностью и невозможностью детально осмотреть многие отделы полости гортани [77].
Современные методики визуальной оценки состояния гортани базируются на использовании высокоразрешающих оптических систем и развиваются по трём основным направлениям: фиброларингоскопия, непрямая ларингоскопия с использованием жёсткой оптической системы или диагностического/операционного микроскопа и прямая микроларингоскопия [11, 12,23,38,55].
Фиброларингоскопия позволяет проводить исследование атравматично, с хорошим увеличением и без сложного анестезиологического обеспечения, при этом осмотру доступны практически все отделы гортани. Важным достоинством этой методики является возможность проведения обследования вне зависимости от положения тела пациента, состояния лицевого скелета и шейного отдела позвоночника. Кроме того, манипуляция позволяет осуществлять достаточно широкий спектр диагностических и лечебных оперативных вмешательств и вести видеодокументирование хода исследования [56, 118, 127, 195, 203].
Непрямая ларингоскопия с использованием жёсткой оптической системы или микроскопа сравнительно менее информативна, поскольку не позволяет детально осмотреть все отделы гортани. Кроме того, показания к её проведению ограничены невозможностью манипулировать двумя руками, отсутствием фиксации головы пациента и особенностями местной анестезии при проведении исследования [25, 27,41,44, 93, 143].
Прямая опорная микроларингоскопия, проводимая под внутривенным наркозом с искусственной вентиляцией лёгких, позволяет свободно манипулировать двумя руками, исключает технические сложности проведения исследования, связанные с выраженностью глоточного и кашлевого рефлексов, имеет целый ряд преимуществ благодаря мышечной релаксации и снятию болевого рефлекса. Использование микроскопов с большим увеличением даёт возможность детально оценить состояние практически всех отделов полости гортани и обеспечивает возможность проведения большого количества диагностических и лечебных манипуляций и операций [1, 43-45, 47, 93, 149]. Некоторые авторы рекомендуют проведение прямой микроларингоскопии с использованием различных вариантов местной анестезии [30, 119, 148, 175]. Однако, неадекватность этого способа обезболивания и токсичность поверхностных анестетиков существенно ограничивают диагностические и лечебные возможности метода [41, 44, 114].
Все перечисленные методики, обладая несомненно высокой диагностической ценностью, во многих случаях, особенно в онкологической практике, не позволяют получить полноценную информацию о патологическом процессе. Субъективный характер заключения определяется уровнем квалификации, индивидуальными особенностями зрительного восприятия врача, проводящего исследование, и качеством используемой аппаратуры [10, 33].
В связи с этим большое значение приобретают дополнительные диагностические методики, позволяющие объективизировать характерные признаки заболевания, провести дифференциальную диагностику и, в дальнейшем, определить оптимальную лечебную тактику. Примером может служить использование при эндоскопии гортани монохромного красителя, толуидинового синего, обладающего избирательной способностью фиксироваться клетками злокачественных опухолей благодаря тропизму препарата к нуклеиновым кислотам, содержащимся в опухолевых клетках, и кислым мукополисахаридам в межклеточных пространствах и слизи [82]. По данным многих отечественных и зарубежных исследователей окраска толуидиновым синим - простой и быстрый метод онкологической диагностики, способствующий оптимизации прицельной биопсии и повышающий процент обнаружения злокачественных опухолей при первичном гистологическом исследовании [8, 9, 34, 80, 182]. Однако, существенным недостатком метода является относительно малая специфичность - до 50-52% [157, 190,191].
Клиническая характеристика больных
Клинический материал составили результаты обследования 110 пациентов с различной патологией гортани, всего было произведено 116 исследований, 5 пациентам проводились повторные ОКТ-исследования (из них один пациент обследовался трижды). Формулировка диагнозов соответствовала Международной классификации болезней 10-го пересмотра, принятой 43-ей Всемирной Ассамблеей Здравоохранения в 1990 г., формулировка гистологических диагнозов соответствовала Международной гистологической классификации опухолей гортани, гортаноглотки и трахеи ВОЗ № 19, 1978 г.
Подбор больных осуществлялся из числа пациентов, находившихся в стационаре клиники болезней уха, горла и носа Нижегородской Областной клинической больницы им. Н.А.Семашко в период с 1998 по 2002 год.
Все пациенты перед исследованием подписывали протокол добровольного информированного согласия, составленного в соответствии с декларацией ВМА в Хельсинки. Исследование было разрешено этической комиссией по проведению научных исследований с участием человека в качестве объекта исследования (Протокол заседания №1 от 27 августа 1997 года). Распределение больных по возрасту представлено на рис. 1. D количество больных Как видно на диаграмме, значительную группу составили лица старше 40 лет, Всего было обследовано 88 мужчин и 22 женщины
Длительность заболевания составляла у пациентов с различной патологией гортани от 1 месяца до 20 лет. На момент поступления в стационар больные имели жалобы на охриплость, различной степени затруднение дыхания, кашель, иногда -затруднение проглатывания пищи, слабость (в основном при наличии злокачественной опухоли гортани). Клинические проявления зависели от характера патологического процесса, стадии заболевания, проведённого на догоспитальном этапе лечения. 8 пациентам была наложена трахеостома в связи с наличием у них декомпенсированного ларингостеноза. Данные о предшествовавших способах лечения представлены на рис. 2.
Целью ОКТ-исследования было: выявление неопластических процессов, проведение дифференциальной диагностики доброкачественных и злокачественных процессов, мониторинг состояния слизистой оболочки гортани.
Группу пациентов с опухолевыми процессами и опухолеподобными образованиями в гортани составили 81 человек (87 исследований), в группу больных с неопухолевой патологией вошли пациенты с хроническими воспалительными процессами слизистой оболочки гортани - всего 27 человек (27 исследований) и 2 пациента без органической патологии гортани: злокачественные новообразования - 44 исследования доброкачественные новообразования - 14 исследований узелки певцов - 18 исследований полипы голосовых складок - 8 исследований киста голосовой складки - 1 исследование гранулёмы гортани - 2 исследования атрофический ларингит - 1 исследование гиперпластический ларингит - 26 исследований без органической патологии гортани - 2 исследования
План обследования пациентов включал в себя морфологическое исследование биоптатов (по показаниям), по каждому из препаратов давалось отдельное заключение. В 6 случаях биопсия не производилась в виду отсутствия к ней показаний (4 пациента после перенесённых хирургических вмешательств, 2 пациента с двусторонним параличом гортани).
Гистологически у многих пациентов диагностировались одновременно различные патопогические процессы, поэтому общее количество исследованных процессов оказалось существенно большим, чем количество больных. Всего изучению подвергнуто 313 препаратов, по которым диагностировано 369 случаев различных патологических процессов. Распределение результатов гистологического исследования представлено в таблице
Теория инструментального видения в мутных средах. Принцип метода оптической когерентной томографии
ОКТ - новый высокоразрешающий метод получения изображения внутренней микроструктуры биотканей, основанный на интерферометрическом детектировании обратнорассеянного света ближнего инфракрасного (ИК) диапазона [17, 178]. Использование низкоинтенсивного света видимого и ближнего инфракрасного диапазона в качестве зондирующего излучения для изучения биологических объектов целесообразно ввиду его неинвазивности и возможности получения изображений распределения коэффициента рассеяния света от микронеоднородностей биотканей с высоким разрешением. До последнего времени оптические методы не рассматривались всерьёз в плане способности давать информацию о структуре биологических тканей. Это связано с малой прозрачностью биотканей для видимого света и близких к нему диапазонов электромагнитных волн. Причин непрозрачности две: поглощение и рассеяние. Для того, чтобы исключить поглощение света, в ОКТ используется свет в диапазоне от 700 до 1300 нм, так называемого терапевтического окна прозрачности (рис. 4), в котором поглощение относительно невелико. Рис. 4. Оптические характеристики биологических тканей: способность ткани к поглощению электромагнитных волн различных диапазонов. длина юлны(цм)
Непрозрачность ткани связана, главным образом, с сильным рассеянием света на оптических микронеоднородностях среды.Построение оптических изображений биотканей является классической задачей оптики мутных (рассеивающих свет) сред [196]. Практическая томография рассеивающих сред стала возможной только на определённом этапе развития теории лазерного видения в мутных средах и развития новых оптических технологий, появления фемтосекундых и фемтокоррелированных источников света и волоконно-оптических технологий передачи информации.
Фотоны зондирующего излучения, которые на пути от границы среды до объекта и обратно испытывают многократное рассеяние, непосредственной информации об объекте не несут. Они создают яркий шумовой фон, затрудняющий приём полезного сигнала. Основная проблема состоит в том, чтобы максимально устранить влияние многократно рассеяного света на качество изображения объекта, погружённого в эту среду.
Информация об оптических неоднородностях структуры биоткани может быть извлечена посредством селекции нерассеянной обратно отражённой когерентной компоненты излучения на фоне мощной засветки, образуемой неинформативной сильно рассеянной компонентой (многократное отражение фотонов) зондирующего излучения. Такая селекция эффективно осуществляется посредством оптической интерферометрии с широкополосными источниками излу-х шя видимого или ближнего инфракрасного диапазона частот. В интерферометре свет от широкополосного источника излучения делится на две части. Одна из них направляется на поверхность исследуемого объекта, а вторая - на опорное зеркало. Благодаря волновой природе света эти две части интерферируют, образуя интерференционные полосы. Амплитуда интерференции максимальна, когда время пробега обеих порций света точно совпадает, и уменьшается, когда рассогласование между порциями света превышает временной масштаб, присущий свету и называемый временем когерентности. Длина когерентности (т.е. время когерентности, умноженное на скорость света) обратно пропорциональна ширине спектра света. В нашем исследовании в качестве источника света были использованы суперлюминисцентные диоды с центральной длиной волны в области 830 нм и типичной шириной спектра 30 нм и 1320 нм и шириной спектра 50 нм с пространственной длиной когерентности 15 мкм и 20 мкм соответственно. В среде происходит изменение скорости распространения электромагнитного излучения, пропорциональное её характеристике - показателю преломления. Для биологических тканей средний по группе показатель составляет п % 1.38, следовательно, длина когерентности для этого вида ткани равна приблизительно 10-15 мкм. Поскольку интерференционные полосы (т.е. полезный сигнал) наблюдаются только в пределах длины когерентности, осевое (по глубине) разрешение световой интерферометрии равно длине когерентности, таким образом осуществляется стробирование сигнала. Боковое (вдоль поверхности ткани) разрешение определяется диаметром сфокусированного пучка внутри ткани, в нашем исследовании оно составляло примерно 20 мкм. Сканирование по глубине в ткани осуществляется посредством изменения разности длин плеч интерферометра. Глубина зондирования зависит от длины волны: длинноволновому участку спектра терапевтического окна прозрачности (к 1.3 мкм) отвечает большая глубина изображения, чем коротковолновой области (Х«0.83 мкм), что связано с некоторым уменьшением рассеяния излучения. Сканирование по поверхности объекта обеспечено механическим перемещением зондирующего луча. В результате получается двумерное изображение оптических неоднородностей структуры ткани.
Каждый элемент изображения (пиксел) характеризуется определённой амплитудой интерференционного сигнала, пропорциональной коэффициенту рассеяния от микронеоднородностей внутри биоткани. Непосредственно в процессе сканирования регистрируются характеристики рассеяния зондирующего излучения биотканью в интересующем нас поперечном сечении размером 200 х 200 пикселов. Матричное изображение результатов сканирования называется оптической томограммой.
Классически визуализация двумерных изображений архитектоники ткани осуществляется с помощью градаций оттенков серого цвета, каждый из которых имеет свой номер. Таким образом, уровни черного и белого - это уровни сигналов, соответствующих первому и последнему номерам цветов в палитре. Все остальные значения сигнала отображаются в линейной зависимости от выбранных уровней чёрного и белого. Значениям сигнала, находящимся выше уровня белого или ниже уровня черного, присваиваются, соответственно, последний или первый номер цвета в палитре. Аналогично формируется изображение и псевдоцветной палитре (в нашем исследовании - коричневой).
ОКТ-изображение слизистой оболочки надголосового пространства гортани
Изображение структурно: визуализировались две оптически разнородные горизонтально ориентированные зоны с контрастной, ровной границей между ними. Верхняя граница изображения ровная. Верхняя зона оптически однородна, высотой 50 - 150 мкм. Нижняя зона оптически неоднородна, содержала два вида включений: 1. Включения имевшие контрастные границы, поперечный размер 70 - 450 мкм и низкий коэффициент обратного рассеяния. 2. Включения без контрастных границ, размером 200 - 700 мкм, имевшие средний коэффициент обратного рассеяния. Глубина расположения включений колебалась от 100 до 600 мкм. Томографический сигнал сохранялся до конца изображения. Рис. 19. Томографические и гистологическое. Томографические и гистологическое изображения слизистой оболочки черпал ОБИДНОГО хряща.вестибулярных складок (рис. 2 П. Изображение структурно: визуализировались две оптически разнородные горизонтально ориентированные зоны с контрастной, ровной границей между ними. Верхняя граница изображения ровная. Верхняя зона оптически однородна, высотой 40 - 80 мкм. Нижняя зона оптически неоднородна, содержала два вида включений: 1. Включения имевшие контрастные границы, поперечный размер 80 - 400 мкм и низкий коэффициент обратного рассеяния. 2. Включения без контрастных границ, размером 100 - 400 мкм, имевшие низкий или средний коэффициент обратного рассеяния. Гл\бина расположения включений колебалась от 150 до 700 мкм. Томографический сигнал сохранялся до конца изображения.
Томографическое изображение слизистой оболочки гортанных желудочков (рис. 22). Изображение структурно: визуализировались две оптически разнородные горизонтально ориентированные зоны с контрастной, ровной границей между ними. Верхняя граница изображения ровная. Верхняя зона оптически однородна, высотой 40 - 120 мкм. Нижняя зона оптически неоднородна, содержала множественные включения двух видов: 1. Включения, имевшие контрастные границы, размер 80 - 400 мкм и низкий коэффициент обратного рассеяния. 2. Включения без контрастных границ, размером 100 - 500 мкм, имевшие низкий или средний коэффициент обратного рассеяния. Глубина расположения включений колебалась от 130 до 450 мкм. Томографический сигнал сохранялся до конца изображения. Рис. 21. Іомоірафические и пісголоіическое июбражеиия ели wc гой оболочки вестибулярной складки Изображение структурно: визуализировались две оптически разнородные горизонтально ориентированные зоны с контрастной, ровной границей между ними. Верхняя граница изображения ровная. Верхняя зона оптически однородна, высотой 40 - 70 мкм. Нижняя зона оптически неоднородна, содержала единичные включения двух видов: 1. Включения с контрастными границами, размером 80 - 300 мкм, имевшие низкий коэффициент обратного рассеяния. 2. Включения, не имевшие контрастных границ, с поперечным размером 150 - 800 мкм и низким коэффициентом обратного рассеяния. Глубина расположения включений колебалась от 80 до 400 мкм. Томографический сигнал сохранялся на всю глубину изображения. Иногда мы наблюдали полное отсутствие включений в нижней зоне томограмм. В этом случае зона визуализировалась оптически однородной, томографический сигнал угасал равномерно, сохраняясь на всю глубину изображения. Этот оптический феномен, по нашему мнению объяснялся тем, что сканировалась область голосовой складки, где слизистая оболочка тоньше, подэпителиальныи слой плотнее, а сразу под ним расположена голосовая связка. Рис. 23. І омої рафичсскмс и і исю.юі мчсскис и кюражсиия с.їишсіои обо.ючки іо.іосовои складки
Изображение структурно: визуализировались две оптически разнородные зоны с контрастной, ровной границей между ними. Верхняя граница изображения ровная. Верхняя зона оптически однородна, высотой 40-120 мкм. Нижняя зона оптически неоднородна, содержала единичные включения без контрастных границ, размером 150 - 700 мкм. Глубина расположения включений колебалась от 250 до 550 мкм. Томографический сигнал, сохранялся на всю глубину изображения.
