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
3.6. ИНТРАВАСКУЛЯРНЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
ЭНДОСКОПИЧЕСКОЙ ОПТИЧЕСКОЙ
КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ
Известны несколько направлений применений эндоскопической ОКТ для оценки состояния сердечно-сосудистой системы
[49 – 51, 59 – 65]: диагностика атеросклеротических поражений
стенок кровеносных сосудов, контроль над процедурой ротационной атерэктомии (очищение стенок сосудов от атеросклеротических отложений), оценка правильности установки стента, оценка
механических свойств стенок кровеносных сосудов.
Применение эндоскопической ОКТ для диагностики атеросклеротических поражений стенок кровено
сных сосудов позволяет дифференцировать многие особенности атеросклеротических
бляшек, в частности выделить жировые составляющие, кальций,
кристаллы холестерина, скопления макрофагов, тромбы и т.п.
Иными словами, эндоскопическая ОКТ позволяет различать типы
атеросклеротических бляшек, что важно для корректной постановки диагноза и назначения последующего лечения [62].
Использование эндоскопической ОКТ для контроля над про-
ой ротационной атерэктомии стало возможным благодаря
цедур
объединению ОКТ зонда и режущего лезвия в одном катетере
[59, 66]. Такая технология позволяет визуализировать стенки сосудов во время процедуры удаления атеросклеротических бляшек,
предоставив тем самым врачу дополнительную информацию, необходимую для удобства очищения стенок сосудов от налета. Такой подход существенно снижает вероятность случайных по
вреж-
дений стенок сосудов в процессе атерэктомии.
Оценка правильности установки стента методом эндоскопической ОКТ включает в себя получение серии структурных изображений для различных участков артерии и стента в ней
[59, 62]. Такой подход позволяет сделать вывод (постфактум) об
эффективности операции по установке стента в пораженный сосуд и используется вместо ан
гиографии или как дополняющий
ее метод.
61
Помимо вышесказанного, эндоскопическая ОКТ является одним из перспективных методов получения сведений о механических свойствах стенок сосудов [28 – 31, 59, 62]. Сравнение структурных ОКТ изображений стенки кровеносного сосуда до и после
деформирующего воздействия позволяет оценить даже незначительные (несколько микрон) деформации, возникшие в исследуемом биообъекте. Зная эти деформации, а также величину деформирующе
й силы и площадь ее воздействия можно оценить модуль
Юнга и коэффициент Пуассона для кровеносного сосуда, что позволяет оценить вероятность его разрыва. Таким образом, эластография в эндоскопической ОКТ не менее актуальна чем в классической.
Авторские исследования предлагают совместное использование математического моделирования гемодинамики и компрессионной эластографии на ос
нове эндоскопической ОКТ для повышения эффективности операций по установке потоконаправляющих стентов в церебральные артерии с аневризмой. В частности
предлагается с помощью эндоскопического зонда прямого обзора
получать структурные ОКТ изображения стенки исследуемого
церебрального сосуда в области аневризмы в моменты систолы и
диастолы, затем вычислять деформирующую силу, оказываемую
пульсовой волной, р
ассчитывать на их основе модуль Юнга и коэффициент Пуассона для отдельных участков стенки церебральной артерии и использовать эту информацию для более точного
математического моделирования гемодинамики в церебральной
артерии до и после установки потоконаправляющего стента.
62
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В монографии рассмотрены актуальные вопросы, связанные с такими перспективными методами медицинской визуализации, как оптическая когерентная томография, эндоскопия
и эластография мягких биологических тканей, причем акцент
сделан на возможных вариантах совмещения этих диагностических методов.
Первая глава посвящена анализу мирового уровня и описанию авторских достижений в области разработки и применения фантомо
логических тканей, а также физических моделей потоков биологических жидкостей со сложной гидродинамической структурой. Наиболее общим подходом к моделированию оптических свойств мягких биологических тканей является добавление в определенной пропорции рассеивающего и поглощающего компонента в матрикс фантома.
Моделирование упругих свойств биологических тканей в
большин
в оптических и механических свойств мягких био-
стве случаев осуществляется за счет агар-агара, бал-
63
листического геля или желатина. Для имитации потоков биологических жидкостей в фантомах моделируемых биообъектов
изготавливают полости, через которые прокачивают растворы
с поглощающими и рассеивающими частицами.
Основные практические применения фантомов мягких
биологических тканей включают в себя тестирование и калибровку медицинских диагностических систем и приборов
неразрушающего контроля, фармацевтику, химическую промышленность, а также сферу на
учных исследований и разра-
боток.
Авторские исследования направлены на получение фантомов одновременно имитирующих оптические и механические свойства стенки кровеносного сосуда, а также сложную
структуру потока крови в нем.
Во второй главе представлена актуальная информация о
сторонних и авторских разработках по эластографии методом
оптической когерентной томографии. Квазистатическая и динамическая эластог
рафия позволяют оценить механические
свойства исследуемого биообъекта. Первая из них базируется
на сравнении структурных изображений этого биообъекта до
и после сжатия, а вторая – на оценке характера распространения в нем сдвиговых волн, причем в обоих случаях исходные
данные получают методом оптической когерентной томографии. Варианты оказания квазистатического (маленькая стеклянная пластина, струя сжатого возду
ха, термоупругое воздействие и т.п.) и динамического (ультразвук, вибрации, импульс лазерного излучения и т.п.) воздействий на исследуемый биообъект, как и варианты последующего анализа полученных данных (по контрольным точкам, наиболее четким
контурам, спекл-структуре, фазовым сдвигам и т.п.) многочисленны и выбираются исходя из области пр
актического
применения конкретной системы и заданной точности опре-
64
деления модуля Юнга и коэффициента Пуассона. Например,
авторский подход к оценке механических свойств стенки кровеносного сосуда базируется на оценке по контрольным точкам на структурных изображениях квазистатического воздействия на этот сосуд пульсовой волны в моменты систолы и
диастолы.
Системы для эластографии на основе оптической коге-
рентной томографии востребованы не только дл
я оценки состояния кровеносных сосудов, но также и при диагностике
опухолей мягких биологических тканей, определении эластичности бронхов и кожных покровов, пред- и послеоперационной оценке механических свойств роговицы глаза, определении мышечного тонуса и т.п.
Третья глава содержит общие сведения и детали автор-
ских разработок в области эндос
копической оптической когерентной томографии. Конструктивно такие системы отличаются от классических оптических когерентных томографов
удлиненным и чаще всего сменным плечом образца. Эндоскопические зонды позволяют осуществлять прямой, либо
боковой обзор полостей и трактов исследуемого биообъекта,
что во многом определяет строение этих зондов, но учитывая
размеры дистальной части, для сканирования, как правил
о,
используются микроэлектромеханические системы, а для переноса оптического сигнала между световодом эндоскопа и
микроэлектромеханической системой чаще всего применяются линзы с градиентным показателем преломления.
Совмещение эндоскопии и оптической когерентной томографии позволяет не только обнаружить патологическую
структуру, но пространствено локализовать ее границы и глубину инвазии, что делает метод энд
оскопической оптической
когерентной томографии весьма востребованным при диагностике сердечно-сосудистой системы, желудочно-кишечного
65
тракта, дыхательных путей, мочеполовой системы и т.п. Варианты мультимодальной и поляризационно-чувствительной
(авторские исследования) медицинской визуализации на основе эндоскопической оптической когерентной томографии
также весьма перспективны.
Материал,
изложенный в монографии, по мнению авто-
ров, будет полезен студентам и специалистам в области биомедицинской техники для получения актуальной информации
о современных исследованиях в области оптической томографии, эндоскопических исследований и эластографии мягких биологических тканей.
Дополнительную информацию можно получить из книг,
статей и учебных практикумов, указанных в списке рекоменду
емой литературы.
66
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зимняков, Д. А. Оптическая томография тканей /
Д. А. Зимняков, В. В. Тучин // Квантовая электроника. –
2002. – № 10. – С. 849 – 867.
2. Pogue, B. W. Review of Tissue Simulating Phantoms
for Optical Spectroscopy, Imaging and Dosimetry / B. W. Pogue,
M. S. Patterson // Journal of Biomedical Optics. – 2006. –
Vol. 11. – Is. 4. – No. 041102.
3. Moffitt, T. Preparation and Characterization of Polyu-
rethane Optical Phantoms / T. Moffitt, Y. C. Chen, S. A. Prahl //
Journal of Biomedical Optics. – 2006. – Vol. 11. – Is. 4. –
No. 041103.
4. Review of Tissue Simulating Phantoms with Controll-
able Optical, Mechanical and Structural Properties for use in
Optical Coherence Tomography / G. Lamouche, B. F. Kennedy,
K. M. Kennedy, C. E. Bisaillon, A. Curatolo, G. Campbell,
V. Pazos, D. Sampson // Biomedical Optics Express. – 2012. –
Vol. 3. – Is. 6. – 1381–1398.
5. Handapangoda, C. C. Modeling and Numerical Simu-
lation of Light Propagation through Biological Tissue with Implanted Structures : Ph. D. Thesis / Handapangoda Chintha
Chamalie. – Clayton, 2009. – 261 p.
6. Fabrication and Characterization of a Multilayered
Optical Tissue Model with Embedded Scattering Microspheres
in Polymeric Materials / R. C. Chang, P. Johnson, C. M. Stafford, J. Hwang // Biomedical Optics Express. –2012. –Vol. 3. –
Is. 6. – P. 1326 – 1339.
7. Curatolo, A. Structured Three-Dimensional Optical
Phantom for Optical Coherence Tomography / A. Curatolo,
67
B. F. Kennedy, D. D. Sampson // Optics Express. – 2011. –
Vol. 19. – Is. 20. – P. 19480 – 19485.
8. Proskurin, S. G. Specific Features of Diffuse Photon
Migration in Highly Scattering Media with Optical Properties
of Biological Tissues / S. G. Proskurin, A. Yu. Potlov,
S. V. Frolov // Quantum Electronics. – 2015. – V. 45, N 6. –
P. 540 – 546.
9. Potlov, A. Yu. Movement of the Photon Density Nor-
malized Maximum in Homogeneous and Inhomogeneous Media
with Tissue-like Optical Properties / A. Yu. Potlov, S. V. Frolov,
S. G. Proskurin // Laser Physics. – 2015. – V. 25. – N 3. –
P. 035601.
10. Retina-simulating Phantom for Optical Coherence
Tomography / J. Baxi, W. Calhoun, Y. J. Sepah, D. X. Hammer,
I. Ilev, T. J. Pfefer, Q. D. Nguyen, A. Agrawal // Journal of
Biomedical Optics. – 2014. – Vol. 19. – Is. 2. – No. 21106.
11. A phantom with Tissue-Like Optical Properties in the
Visible and Near Infrared for use in Photomedicine / M. Lualdi,
A. Colombo, B. Farina, S. Tomatis, R. Marchesini // Lasers in
Surgery and Medicine. – 2001. – Vol. 28. – Is. 3. – P. 237 – 243.
12. Wang, D. A Liquid Optical Phantom with Tissue-Like
Heterogeneities for Confocal Microscopy / D. Wang, Y, Chen,
J. T. C. Liu // Biomedical Optics Express. – 2012. – Vol. 3. –
Is. 12. – P. 3153 – 3160.
13. Lister, T. Optical Properties of Human Skin / T. Lister,
P. A. Wright, P. H. Chappell // Journal of Biomedical Optics. –
2012. – Vol. 17. – No. 090901.
14. Bashkatov, A. N. Optical Properties of Skin, Subcuta-
neous, and Muscle Tissues / A. N. Bashkatov, E. A. Genina,
V. V. Tuchin // Journal of Innovative Optical Health Sciences. –
2011. – Vol. 4. – P. 9 – 38.
68
15. Fernández, D. C. Automated Detection of Retinal
Layer Structures on Optical Coherence Tomography Images /
D. C. Fernández, H. M. Salinas, C. A. Puliafito // Optics Express. – 2005. – Vol. 13. – P. 10200 – 10216.
16. Kirillin, M. Yu. Role of Multiple Scattering in Forma-
tion of OCT Skin Images / M. Yu. Kirillin, A. V. Priezzhev,
R. A. Myllylä // Quantum Electronics. – 2008. – Vol. 38. – Is. 6. –
P. 570 – 575.
17. Ansari, M. A. A Hybrid Imaging Method based on
Diffuse Optical Tomography and Optomechanical Method to
Detect a Tumor in the Biological Phantom / Optics Communications. – 2015. – Vol. 342. – P. 12 – 19.
18. Proskurin, S. G. One Specific Velocity Color Map-
ping using Optical Coherence Tomography / S. G. Proskurin,
A. Yu. Potlov, S. V. Frolov // Journal of Biomedical Optics. –
2015. – V. 20. – Is. 5. – No. 051034.
19. Proskurin, S. G. Doppler Mapping of an Alternating-
sign Flow with a Complex Structure using Optical Coherence
Tomography / S. G. Proskurin, A. Yu. Potlov, S. V. Frolov //
Quantum Electronics. – 2014. – V. 44. – Is. 1. – P. 54 – 58.
20. Avsievich, T. I. Role of the Carrier Frequency in
Doppler OCT / T. I. Avsievich, A. Yu. Potlov, S. G. Proskurin //
Asia-ARVO 2015: International Conference of the Association
for Research in Vision and Ophthalmology (Yokohama, Japan),
th
16
– 19th February. – 2015. – V. 37 – 6. – P. 381.
21. Coherence Domain Imaging using Raster Scanning
and Averaging / S. G. Proskurin, K. I. S. Galeb, A. Yu. Potlov,
S. V. Frolov // ALT’11: XIX International Conference on Advanced Laser Technologies (Golden Sands, Bulgaria), 3
th
– 8th
September. – 2011. – P. 113 – 114.
69
22. Quantification of Optical Properties of a Breast Tumor
using Random Walk Theory / V. Chernomordik, D. W. Hattery,
D. Grosenick, H. Wabnitz, H. Rinneberg, K. T. Moesta,
P. M. Schlag, A. Gandjbakhche // Journal of Biomedical Optics. – 2002. – Vol. 7. – Is. 1. – P. 80 – 87.
23. Patent 7859671 B2 USA. IPC G01N21/64, A61B5/00,
G01N21/00 Method for Determining Optical Properties of Turbid Media / N. Mincu ; Art, Advanced Research Technologies
Inc. – US 11/813,124 ; pending 22.12.05 ; published 28.12.10.
24. Patent 6335792 B1 USA. IPC G01J1/04, G01N21/47,
G01N21/17, G01B11/00 Method and Apparatus for Measuring
Internal Property Distribution in Scattering Medium / Y. Tsuchiya ; Hamamatsu Photonics K.K. – US 09/716,264 ; pending
21.11.00 ; published 01.01.02.
25. Фролова, М. С. Требования, предъявляемые к ме-
дицинским изделиям в разных странах / М. С. Фролова,
С. В. Фролов, И. А. Толстухин // Вестник Тамбовского государственного технического университета. – 2014. – Т. 20,
№ 4. – С. 726 – 733.
26. Cheong, W. F. A Review of the Optical Properties of
Biological Tissues / W. F. Cheong, S. A. Prahl, A. J. Welch //
IEEE Journal of Quantum Electronics. – 1990. – Vol. 26. –
Is. 12. – P. 2166 – 2185.
27. Proskurin, S. G. Optical Coherence Tomography Im-
aging Depth Enhancement by Superficial Skin Optical Clearing /
S. G. Proskurin, I. V. Meglinski // Laser Physics Letters. –
2017. – Vol. 4. – Is. 11. – P. 824 – 826.
28. Математическая модель сосуда в
произво
дных как инструмент для исследования сосудистой
обыкновенных
патологии. Ч. 2 / В. А. Лищук, С. В. Фролов, Д. Ш. Газизова
70