Введение к работе
Работа посвящена исследованию взаимодействия лазерного, флуоресцентного и широкополосного излучения с сильнорассеивающими биологическими средами, содержащими флуоресцентный фотосенсибилизатор протопорфирин IX, и развитию спектроскопических методов анализа биологических сред для осуществления возможности интраоперационного определения концентраций содержащихся в тканях хромофоров и флуорофоров и их распределения в поверхностном слое тканей различных органов или в зоне хирургического вмешательства.
Актуальность работы
Разнообразие светорассеивающих сред и сложность их изучения обуславливают научный интерес к этому объекту. Одним из классических примеров мутных сред являются биологические ткани. Спектроскопический анализ состава сильнорассеивающих сред, в частности биологических тканей, сопряжен с трудностью интерпретации спектральных зависимостей излучения, подвергшегося в среде как поглощению, так и многократному рассеянию.
На настоящий момент при проведении флуоресцентного спектрального анализа in vivo в некоторых случаях его сочетают с измерением спектров обратного диффузного отражения [1,2]. Коррекция спектров флуоресценции с помощью результатов анализа спектров диффузного отражения обеспечивает определение состава флуорофоров в ткани. В ряде случаев спектр обратного диффузного отражения используется для независимого анализа поглощающих и рассеивающих свойств исследуемых сред [3]. Также следует отметить, что последовательное измерение спектров диффузного отражения и флуоресценции чревато возникновением артефактов, обусловленных взаимным смещением источника света, объекта и фотоприемника, и увеличением времени анализа, что может оказаться неприемлемым в клинических условиях. Что касается систем спектрально-разрешенной визуализации, то они, как правило, используют наборы узкополосных фильтров или перестраиваемые фильтры для получения изображений объекта, либо основаны на методе сканирования всего поля изображения поточечно с использованием классической спектроскопической
системы с диспергирующим элементом [4]. У обоих подходов основным недостатком является низкая скорость анализа данных.
В то же время при решении прикладных задач нет необходимости в анализе всего видимого диапазона спектра, либо в получении гиперспектральных изображений с максимально возможным разрешением. Достичь высокой эффективности диагностики биологических сред в каждом конкретном случае можно тщательно изучив свойства исследуемых тканей, их пигментный состав, метаболические и структурные особенности и построив теорию формирования спектроскопических зависимостей с учетом условий регистрации сигнала.
Целью данной работы являлось создание алгоритмов интерпретации комбинированных спектроскопических сигналов, получаемых с использованием оптоволоконных зондов и матричных фотоприемников, для диагностики состояния биологических тканей в живом организме.
Для чего были решены следующие задачи:
-
Разработка методов регистрации комбинированных спектров диффузного отражения и флуоресценции с применением волоконно-оптических зондов и матричных фотоприемников.
-
Разработка алгоритмов анализа комбинированных спектров, позволяющих проводить спектроскопический анализ в живом организме в реальном времени.
-
Создание программного и аппаратного обеспечения для повышения чувствительности и специфичности интраоперационной диагностики и апробация на физических и биологических моделях, а также в клинических условиях.
Научная новизна представленной работы состоит в разработке оригинального метода регистрации и анализа комбинированных спектров обратного диффузного отражения и флуоресценции. Метод реализован с помощью разделения видимого диапазона на три канала и последующего анализа с экстраполяцией данных, полученных в каждом канале, на соседние диапазоны.
Также разработан метод регистрации и анализа спектрально-разрешенных изображений, основанный на линеаризации зависимости коэффициента экстинкции от отношения оптических свойств исследуемых тканей в физиологическом диапазоне их изменения.
Впервые предложена математическая модель формирования сигнала диффузного рассеяния света нервными тканями, включающая в рассмотрение такие структурные элементы нервных тканей как оболочки миелинизированных волокон.
Практическая значимость
Предложенный метод комбинированной спектроскопии был апробирован в НИИ нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко при проведении интраоперационной навигации во время операций по удалению внутричерепных и интрамедуллярных опухолей. В качестве опухолевого маркера использовался эндогенный протопорфирин IX, индуцированный предварительным введением в организм пациента 5-аминолевулиновой кислоты. Метод показал повышение чувствительности и специфичности диагностики по сравнению как с ординарным спектроскопическим анализом, так и с анализом видеофлуоресцентных изображений с помощью операционного флуоресцентного микроскопа Karl Zeiss Opmi Pentero.
Система анализа мультиспектральных изображений, сопряжённая со стандартной щелевой лампой, была использована в ФГБУ «НИИ глазных болезней» РАМН для косвенной оценки уровня внутриглазного давления по степени оксигенации сосудов глазного дна и при проведении лабораторных исследований по эффективности фотодинамической терапии и приживлению тканей в ИОФ РАН.
Разработанные методы также нашли применение в научных исследованиях, выполняемых совместно с ФГБУ «ГНЦССП им. В.П. Сербского» Минздрава России.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Разделение видимого спектра на диапазоны регистрации спектров обратного диффузного отражения и флуоресценции позволяет проводить одновременный анализ содержания основных хромофоров и флуорофоров, а также структурных изменений биологических тканей.
-
Для восстановления информации о содержании в тканях гемоглобина в оксигенированной и дезоксигенированной форме по спектрально-разрешенным изображениям может быть использовано линейное приближение зависимости коэффициента экстинкции от концентрации поглотителей.
-
Сигнал обратного диффузного отражения, регистрируемый от нервных тканей с помощью оптоволоконного зонда на расстоянии от осветительного волокна, сравнимом по величине с диффузионной глубиной, обусловлен тремя основными компонентами - малыми органеллами, клеточными ядрами и миелинизированными нервными волокнами.
-
Комбинированный спектроскопический метод повышает чувствительность и специфичность интраоперационной диагностики по сравнению с методами, использующими в качестве опухолевого маркера только один параметр.
Апробация работы
Материалы диссертации были доложены на ряде научных конференций: II Троицкая конференция «Медицинская физика и инновации в медицине»; Отечественные противоопухолевые препараты 2007, 2008, 2009; Advanced Laser Technologies 2007, 2008, 2009; International symposium on Laser medical application (LMA'2010), Москва; XIV International School for Young Scientists and Students on Optics, Laser Physics & Biophotonics Saratov Fall Meeting SFM'2010, 2011; научно-практическая конференция «Фотодинамическая терапия и флуоресцентная диагностика» 2011, Санкт-Петербург; LPHYS'll, Sarajevo; Laser Florence 2011; SPIE Photonics West, San Francisco, 2012.
По основным результатам работы опубликовано 16 работ в рецензируемых журналах и научных сборниках, а также глава монографии «Современные технологии и клинические исследования в нейрохирургии».
