Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Эластография мягких биологических тканей и эндоскопические исследования с помощью оптической когерентной томографии. Монография.pdf
диагностики и доклинических исследований. Рассмотрим некоторые приложения ОКЭ для диагностики состояния различных биологических тканей.
Методы ОКЭ используются в клинической диагностике и лечении различных дегенеративных заболеваний глаза, например
кератоконуса. К методам ОКЭ в офтальмологии предъявляются
технические требования, связанные с возможностью в режиме
сканирования in situ обеспечивать высокую скорость обработки
изображений и простран
ственную оценку механических свойств
исследуемой ткани.
Развитие ОКЭ для биомеханики роговицы началось с визуализации на эластограмме амплитуды смещения в ответ на статическое деформирующее воздействие [30]. Человеческая роговица
in vivo была сжата с использованием стандартной линзы клинической гониоскопии, и большинство частей роговицы находилось в контакте с линзой с передней стороны. Кар
та амплитуды
смещения внутри роговицы получалась посредством двумерной
взаимной корреляции структурных изображений ОКТ. Помимо
эластограммы, дальнейший анализ как осевого, так и поперечного смещения указывает на гетерогенные механические свойства
внутри стромы роговицы. Однако возможное неравномерное
распределение напряжения, вызванное неполным контактом между линзой гониоскопии и роговицей, может привести к зн
ачительным артефактам при картировании биомеханических
свойств роговицы. Контактное деформирующее воздействие
может быть заменено динамическим воздействием за счет тонкой воздушной струи.
Количественное определение жесткости применяется в качестве важной характеристики ткани при клиническом выявлении
опухолей, начиная от теста на пальпацию во время операций до
диагностики и локализации новообразований с помощью ультр
азвуковой и магнитно-резонансной эластографии. Метод ОКЭ, на
основе которого возможна оценка механических свойств ткани на
41
микроскопическом уровне, обеспечивает более точное разграничение маркера опухоли и исследование биомеханики опухолей в
малом масштабе.
Внутриоперационное обнаружение границы опухоли обычно
требует, чтобы методика ОКЭ имела возможность создания на
ткань деформирующего воздействия. Одна из первых попыток
была предпринята с использованием сфокусированного потока
воздуха для создания динамической нагрузки на ткань. Оценка
скорости п
оверхностных волн приводит к количественному измерению модуля Юнга опухоли мягкой ткани человека in vivo, которая позволяет дифференцировать опухоль от нормальной ткани.
Тем не менее, необходимы дополнительные исследования для
изучения возможности применения этого метода ОКЭ для определения границ опухоли.
Исследования кожи широко используются для демонстрации
принципиальной возможности биомеханической визуализации in
o во многих методах ОКЭ. Биомеханические свойства кожи
viv
характеризуют здоровье и процесс старения, а изменение эластичности кожи связано с некоторыми патологиями, такими как
склеродермия и онкологические заболевания. Методы ОКЭ, разработанные для эластографии кожи, в основном используют два
метода исследования: визуализацию и количественные измерения
амплитуды смещения или деформации и скорости пов
ерхностной
волны.
При картировании амплитуды смещения ткани для определения механической неоднородности кожи человека in vivo первое
исследование ОКЭ [29, 34, 45] использовало статическую компрессионную нагрузку с пьезоэлектрическим приводом и применяло 2D-коррекцию спеклов для создания эластограммы. Дальнейшая разработка методов ОКЭ характеризуется использованием динамического воздействия, где кожа сжимается с частотой в
звуковом д
иапазоне. Картирование амплитуды смещения, коли-
чественно определяемое путем анализа частотного спектра Бес-
42
селя сигнала ОКТ от периодического движения ткани, отображает разницу в жесткости слоев в коже человека in vivo. Эластограмма с микродеформацией кожи в ответ на динамические вибрации отображает значительный контраст между эпидермисом и
слоем дермы, а исследования in vivo на человеке также демонстрируют возможность ОКЭ для обнаружения разрывов на коже
9 – 31]. В дальнейшем эти методы ОКЭ in vivo были усовер-
[2
шенствованы для 3D-визуализации. Основываясь на информации о фазе ОКТ сигнала, рассчитывается скорость деформации,
вызванная динамической одноосной нагрузкой, и используется
для получения трехмерной эластограммы, которая позволяет
контролировать гидратацию ткани кожи. Такие методы ОКЭ
имеют масштаб пикселей менее 10 микрон в осевом направлении
в эласт
ограмме, что позволяет повысить точность проводимых
исследований. Однако, поскольку распределение механического
напряжения в коже может быть очень сложным при сжимающей
нагрузке, количественная эластография может быть затруднена
[29, 45].
Клеточная биомеханика является важным параметром для
характеристики здоровья клеток и обеспечивает важную помощь в
изучении таких патологических состояний, как например, онкологические заболевания. При этом ска
нирующий атомно-силовой
микроскоп (АСМ) традиционно используется для исследования
механических свойств отдельной клетки и способен к клеточной
эластографии с разрешением на нанометровом уровне. Тем не менее, процедура визуализации на основе АСМ-эластографии очень
затруднительна для биомеханического изображения отдельной
клетки, что имеет большое значение для изучения патологического процесса, такого как расп
ространение злокачественной опухоли. Для достижения этой цели недавние усилия объединили ОКЭ
с многофотонной микроскопией для определения динамики клеток из периодических осевых колебаний специальных инжектированных частиц в клетке.
43
2.4. ИНТРАВАСКУЛЯРНЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
ЭЛАСТОГРАФИИ НА ОСНОВЕ ОПТИЧЕСКОЙ
КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ
Важным направлением использования ОКЭ является выявление и анализ атеросклеротических бляшек. Основные компоненты
атеросклеротической бляшки имеют различные биомеханические
свойства и включают большой внеклеточный некротический сердечник с тонким фиброзным утолщением, инфильтрированным
макрофагами. При этом разрыв фиброзного утолщения вызывает
образование тромба, который может заблокировать коронарную
артерию, вызывая острый сердечный приступ, часто приводящий
к смерти па
циента. Детальная характеристика биомеханики артериальной стенки может предоставить дополнительную информацию для количественной оценки устойчивости атеросклеротического поражения. In vitro и in vivo исследования показали, что
компоненты жировой ткани характеризуются большей деформацией по сравнению с фиброзными бляшками. Визуализация методами ОКЭ характера деформации исследуемого образца позволяет
идентифицировать уязвимую бляшку и сопоставить р
езультаты с
клиническими симптомами и маркерами воспаления.
Внутрисосудистая эластография, в частности, используется
для корреляции эластограмм с гистологическими характеристиками стенки кровеносного сосуда. Внутрисосудистая ультразвуковая эластография [34] используется для определения радиальных деформаций артерии с пространственным разрешением
200 мкм, для исследования деформаций стенок сонной артерии,
вызванных естественной сердечной пульсацией на осн
ове применения обратной задачи для восстановления модуля упругости
стенки на частоте пульсации крови. Метод динамической микроэластографии адаптирован [29] для изучения радиальных вязкоупругих свойств стенки сосуда. Однако атеросклеротические
бляшки имеют структурные компоненты (например, фиброзные
утолщения) порядка 50…200 мкм, которые лежат ниже разрешае-
44
мого предела ультразвуковой эластографии. Для этого случая метод ОКЭ является потенциальным техническим решением для
преодоления этих ограничений из-за присущего ему высокого
разрешения и возможности неинвазивной визуализации для количественной оценки механических свойств сосудов.
Обладая высоким пространственным разрешением и способностью визуализировать структуры, соизмеримые по размеру
с тонкими фиброзными утолщениями, внутрис
осудистая ОКЭ
имеет возможность визуализировать характеристики деформаций с высокой разрешающей способностью в тканях размером
1,0…1,5 мм и получать сопоставимые количественные результаты наряду с гистологическими методами анализа напряжений и
деформаций при атеросклерозе. Конечно-элементный анализ на
основе ОКЭ может быть перспективным инструментом для исследования коронарного атеросклероза и выявления уязвимых
бляшек и об
ладает конкурентными преимуществами по сравнению с другими технологиями, такими как ультразвуковая эластография [30].
Разработанные методы ОКЭ были ориентированы на визуализацию и измерение механических свойств мышц. Функциональность мышечных тканей в значительной степени зависит от
их механических свойств. Особенно эти исследования актуальны
для определения характеристик сердечной мышцы.
Одной из актуальных кли
нических проблем, связанных с сердечной мышцей, является отсутствие регенеративной способности
после ишемической болезни сердца. Метод ОКЭ, использующий
скорость сдвиговой волны для количественного измерения модуля
Юнга, предоставляет информацию при исследовании регенерации
сердечной ткани [29 – 31, 37, 44]. На основе изображения сдвиговой волны метод ОКЭ используется для контроля распространения поперечной волны в с
тенке левого желудочка и количественной оценки разницы механических свойств нормальной мышечной ткани и ткани с генетически измененными миокардиоцитами.
45
При диагностике, лечении болезней сердца и сосудов метод
ОКЭ имеет большие перспективы развития [47, 48]. Преимущественно в этих приложениях развитие должна получить эндоскопическая ОКЭ. Важно отметить, что для успешной реализации на
практике методов эндоскопической ОКЭ требуется совершенствование имеющейся конструкции зонда эндоскопической ОКТ
системы, который может достигать исследуемый участок сердечно-сосудистой систем
ы во время проведения малоинвазивного
вмешательства.
46
3. ЭНДОСКОПИЧЕСКАЯ ОПТИЧЕСКАЯ КОГЕРЕНТНАЯ ТОМОГРАФИЯ
Эндоскопическая ОКТ – разновидность метода ОКТ, характеризующаяся выполненным в виде эндоскопического зонда и
чаще всего сменным плечом образца. Диагностическая ценность
эндоскопической ОКТ заключается в том, что методы эндоскопической визуализации обеспечивают диагностику только поверхностей слизистых оболочек органов, а методы ОКТ позволяют
получать структурные изображения слизистого слоя толщиной до
2,5 миллиметров с вы
соким пространственным разрешением, т.е.
обследовать слизистые оболочки в глубину. Таким образом, эндоскопическая ОКТ позволяет не только обнаружить патологию
(например, опухоль в желудке), но и оценить ее границы и глубину инвазии [49 – 53].
Системы для эндоскопической ОКТ могут быть как разрешенными по времени (рис. 11), так и разрешенными по частоте
(рис. 12).
Рис. 11. Упрощенная структурная схема ОКТ
во временной области
47
Рис. 12. Упрощенная структурная схема ОКТ
в спектральной области
Время-разрешенная ОКТ характеризуется одновременным
сканированием как в опорном плече, так и в плече образца. Сканирование в опорном плече необходимо для селекции излучения
по глубине. Такой подход обеспечивает высокое пространственное разрешение, но относительно низкую скорость получения
структурных изображений [1, 54 – 57].
Спектральная (разрешенная по частоте) ОКТ отличается отсутствием механического движения в опо
ние по глубине заменяется анализом спектра интерференционного
сигнала. Такой подход обеспечивает пространственное разрешение, соизмеримое с разрешением временной ОКТ, но позволяет
резко повысить скорость получения структурных изображений
[1, 18, 53].
Главной отличительной особенностью различных систем для
эндоскопической ОКТ является конструкция плеча образца. Возможны различные варианты с использованием выносных эндо-
ических зондов прямого и бокового обзора, а также зондов
скоп
для мультимодальной диагностики [49 – 57].
рном плече. Сканирова-
48
3.1. ЭНДОСКОПИЧЕСКИЕ ЗОНДЫ
ДЛЯ ОПТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ:
КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Из-за сильного рассеяния глубина когерентного зондирования мягких биологических тканей в ОКТ ограничена 1…2,5 мм.
Основные функции эндоскопического зонда ОКТ системы состоят
в том, чтобы доставлять излучение к исследуемой части объекта,
осуществлять сканирование этого объекта, собирать обратно
отраженное излучение и передавать это излучение обратно в
интерферометр ОКТ системы [1, 17, 49 – 53].
Типичные эндоскопические зонды включа
ют в себя одномодовое волокно для доставки излучения, микрообъектив
для фокусировки пучка света и сканирующую систему для
дефлекции луча.
Основываясь на направлении сканирования по отношению к
продольной оси зонда, эндоскопы ОКТ систем можно условно
разделить на эндоскопы с зондами бокового обзора и эндоскопы с
зондами прямого обзора [55 – 59].
Эндоскопический зонд бокового обз
ора предназначен для
визуализации относительно большой площади органа, в то время
как эндоскопический зонд прямого обзора более подходит
для пространственной ориентации при проведении биопсии [60],
размещении устройства для оказания компрессионного воздействия и т.п.
Основываясь на местоположении сканирующей системы
внутри эндоскопического зонда, эти зонды можно условно
разделить на проксимально и дистально сканирующие.
Прок
симальные сканирующие зонды компактнее и дешевле, в то
время как дистально сканирующие зонды обладают гораздо
более высокими скоростями сканирования и минимальным
уровнем искажений на получаемых структурных изображениях
[51, 58].
49
3.1.1. Зонды прямого обзора
Зонды прямого обзора выполняют сканирование исследуемого образца в передней полусфере. Катетеры такого типа часто имеют форму иглы. В целом зонды прямого обзора можно
классифицировать по способу сканирования: на основе системы
линз, пьезо-волоконного сканирования, сканирования с электрическим или магнитным приводом [49, 51].
Сканирование на основе системы линз детально описано в
ботах [49 – 51, 55 – 69]. Для поворотного сканирования иссле-
ра
дуемого биологического объекта или его отдельной части используют пару противовращающихся угловых линз с градиентным показателем преломления. Линзы прикреплены к специальным иглам, причем линзы поворачиваются совместно с этими
иглами.
Преимущество сканирования на основе системы линз заключается в компактности эндоскопического зонда, а недостаток в
м, что веерообразное сканирование значительно искажает фак-
то
тическую геометрию образца.
Пьезо-волоконное сканирование также широко известно в
эндоскопической ОКТ [50]. Дефлекция излучения при таком
подходе осуществляется за счет управляемого механического
отклонения световода при работе пьезоэлектрического преобразователя. Поскольку резонансная частота кантилевера намного
больше, чем скорость сканирования системы ОКТ, часто применяется по
дход с латеральным приоритетом сканирования.
Преимущество пьезо-волоконного сканирования заключаются в высокой скорости получения данных, что упрощает
позиционирование эндоскопического зонда и обеспечивает
быстрый отклик при диагностическом обследовании, а недостатки заключаются в сложностях при реконструкции изображения,
ограничениях поля обзора и фиксированной скорости сканирования.
Различные подходы к прямому сканированию в энд
оскопиче-
ской ОКТ с использованием электростатических или магнитных
50