КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-15-01507

НазваниеРазработка средств оптической когерентной томографии для неинвазивной диагностики заболеваний среднего уха

РуководительГеликонов Валентин Михайлович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук", Нижегородская обл

Года выполнения при поддержке РНФ2017 - 2019

КонкурсКонкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-602 - Физические методы медицинской диагностики. Томография

Ключевые словаОптическая когерентная томография, обратное рассеяние, динамическая вязкость, среднее ухо, барабанная полость, острый отит, экссудативный средний отит, дифференциальная диагностика

Код ГРНТИ76.13.15


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на разработку оптических средств и способов неинвазивного мониторинга состояния среднего уха при проведении диагностики, консервативного и хирургического лечения, в частности, в случае экссудативного среднего отита. Задачей проекта является разработка прототипа специализированного клинического устройства оптического когерентного томографа (ОКТ), предназначенного для прижизненной визуализации внутренней структуры тканей среднего уха человека с возможностью качественной и количественной оценки состояния внутренних структур, идентификации и определения физических свойств содержимого барабанной полости. Критически важной такая технология является при диагностике экссудативного среднего отита (ЭСО), заболевания, часто вызываемого перенесенными острым воспалением среднего уха и обструкцией устья слуховой трубы. ЭСО имеет особенности клинического течения, затрудняющие его диагностику. Кроме того, сам диагностический поиск связан с привлечением значительных сил и средств. В выборе тактики лечения ЭСО современные специалисты-оториноларингологи вынуждены ориентироваться на личный опыт и давность заболевания, что в случаях с детьми оказывается затруднительным. В то же время проблема определения нарушения слуха у новорожденных и детей первых лет жизни заслуживает особого внимания, так как при отсутствии звуков и речи не формируется вербальный тип мышления, что приводит к серьезным нарушениям в формировании речи и мышления, и, как следствие, к отставанию в развитии. В коллектив предлагаемого междисциплинарного проекта входят как исследователи-физики из ИПФ РАН, так и действующие клинические специалисты учреждений здравоохранения. Большой опыт участников проекта, отраженный в многочисленных совместных публикациях и учебно-методической литературе, позволит найти решения поставленных в проекте задач, от разработки принципов визуализации структур среднего уха и физических свойств содержимого среднего уха до разработки критериев выбора тактики лечения на основании данных ОКТ–исследований. Разработанные средства и технологии позволят использовать метод ОКТ, как быстрый, неинвазивный, высокоспецифичный метод диагностики различных форм заболеваний среднего уха, в том числе экссудативного среднего отита, а также позволят своевременно и рационально выбирать способ лечения указанных заболеваний.

Ожидаемые результаты
В ходе реализации проекта будет разработан прототип специализированного клинического устройства ОКТ, предназначенного для прижизненной визуализации среднего уха человека с возможностью качественной и количественной диагностики структур барабанной полости, определения содержимого среднего уха и его физических свойств. В прототипе специализированного клинического устройства ОКТ будет решена задача построения изображений сложных биологических структур, характеризующихся резкими перепадами показателя преломления на границе раздела ткань-воздушная среда (в частности, при визуализации барабанной полости). В прототипе специализированного клинического устройства ОКТ будет реализована аппаратная возможность осуществления точного позиционирования положения зондирующего луча, необходимая для эффективного выделения информации о составе и динамике микрососудистого русла и о наличии содержимого барабанной полости и его физических свойств. Аппаратная и программная реализация прототипа специализированного клинического устройства ОКТ позволит осуществлять мониторинг динамических характеристик отдельных элементов слуховой цепи на фоне суммарного фазового вклада от всех элементов слуховой цепи. По сумме характеристик прототип устройства ОКТ будет в целом соответствовать мировому уровню, превосходя его по наличию возможности оценки состояния кровеносного русла барабанной перепонки и среды барабанной полости в режиме реального времени. Разработанные оптические средства позволят получить информацию о состоянии элементов звукопроводящей системы среднего уха на разных стадиях экссудативного отита и других негнойных заболеваний среднего уха, а также разработать протоколы выбора рациональной тактики лечения в зависимости от данных ОКТ. В частности, будут разработаны протоколы определения выбора тактики лечения в зависимости от вязкости экссудата в барабанной полости. Будет проведено изучение физических и оптических свойств экссудата на различных этапах заболевания, определены диагностические признаки, доступные для обнаружения с использованием ОКТ-технологии. Социальная значимость результатов проекта обусловлена, в первую очередь, решением проблемы определения нарушения слуха у детей. Это заслуживает особого внимания, так как при отсутствии звуков и речи не формируется вербальный тип мышления, что приводит к серьезным нарушениям в формировании речи и мышления, и, как следствие, к отставанию в развитии. Очевидно, что использование ОКТ-метода для скрининговых исследований и позволит осуществлять своевременную диагностику и соответствующее лечение, что будет способствовать сведению к минимуму возможных осложнений, вызванных не диагностированным течением экссудативного среднего отита.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
На отчётном этапе проекта была произведена модернизация оптической схемы базового блока ОКТ со спектральным приемом сигнала. Конструктивно базовый блок реализован по тандемной интерферометрической схеме [1], в которой реализуется возможность использования гибких зондов на изотропном оптическом волокне. Использован источник зондирующего излучения, имеющий центральную длину волны 1307 нм и ширину спектра по полувысоте 68 нм при выходной мощности излучения до 15 мВт. Для обеспечения регистрации спектральных данных был разработан эквидистантный по оптической частоте спектрометр с полосой приема 80 нм. В основу спектрометра была положена дифракционная решетка 1200 линий на мм, эквидистантность регистрации спектральных компонент в спектрометре реализована за счёт использования составной призмы-корректора [2]. Расчётное спектрально-обусловленное разрешение в изображениях, восстановленных на основе Фурье преобразования спектров, принимаемых в разработанном спектрометре при использовании приобретенного на отчётном этапе источника излучения составляет 11 мкм, максимальный диапазон построения изображения – 3 мм. В ходе работ отчётного этапа разработана оптическая схема сканирующего устройства, позволяющая осуществлять сканирование объекта исследования на значительном удалении от оптической системы через окно фиксированного диаметра. Размер окна соответствует внутреннему диаметру стандартного ушного зеркала, при этом положение плоскости сканирования относительно выходного торца зонда может изменяться по глубине в пределах 1.5-2 см.. Последнее имеет особенно важное значение при разработке универсального зонда, предназначенного для исследования органов слуха детей в различных возрастных группах. Для эффективного наведения сканирующего устройства в оптическом тракте предусмотрено размещение видеорегистрирующего устройства в плоскости, сопряжённой с поверхностью исследуемого объекта (барабанной перепонки). Введение видеоканала в оптическую схему сканирующего устройства потенциально позволяет дополнить ОКТ устройство функцией цифрового отоскопа, что также может иметь важное значение для будущего клинического применения устройства. В ходе отработки алгоритмов трехмерного сканирования были зафиксированы артефакты, обусловленные возбуждением высших гармоник резонанса сканирующего элемента. Для установления природы артефактов был проведён эксперимент с модельной средой, в качестве которой был выбран фрагмент равномерно рассеивающей пластмассы. На en-face изображении модельной среды были зафиксированы нехарактерные для объекта изменения структуры, наиболее ярко иллюстрируемые при построении изображений динамической структуры, получение которых описано в [3]. Проведённые исследования природы зафиксированных искажений показали, что причиной возникновения артефактов является возбуждение высших гармоник резонанса сканирующего элемента при дискретном изменении управляющего напряжения по «медленной» оси. Для устранения обнаруженного эффекта был разработан подход, основанный на использовании активной фильтрации управляющего напряжения. Это позволило полностью избавиться от влияния высших гармоник резонанса сканирующего элемента как в en-face изображениях, так и при анализе динамической структуры. Оптические и механические свойства экссудативной жидкости определялись сравнительным методом при использовании эталонной жидкости (физиологический раствор), вводимой в наружный слуховой проход при проведении исследования ОКТ. Предварительные эксперименты по определению возможности ОКТ при регистрации оптических свойств экссудата в условиях клиники были произведены на базе ЛОР-отделения ФБУЗ ПОМЦ ФМБА России. Все пациенты прошли обследование, включающее общеклинические анализы, осмотр ЛОР-органов, аудиометрическое обследование, диагноз ЭСО был подтвержден общепринятыми методами. Для исследования ОКТ были отобраны пациенты с подтвержденным диагнозом ЭСО, всего 13 пациентов, 5 из которых имели двусторонний патологический процесс. У всех пациентов этой группы была зарегистрирована кондуктивная или смешанная тугоухость, тимпанограммой тип В, сниженные и или отсутствующие стапедиальные рефлексы. Для проведения предварительного этапа ОКТ исследований было использовано имеющееся в распоряжении коллектива исполнителей созданное ранее сертифицированное устройство ОКТ-1300Е. Несмотря на низкое быстродействие устройства ОКТ-1300У (время регистрации изображения в 200 А-сканов с его применением составляет около 1 секунды), его вполне достаточно на первой стадии проекта для повторения и развития исследований, проведённых группой Боппарта {Monroy, 2016 #41}. В ходе проводимых экспериментов было установлено, что для повышения информативности изображений ОКТ в случае обнаружения экссудативной жидкости в барабанной полости целесообразно использовать иммерсию, что существенным образом снижает контраст на изображении между окружающим пространством и фронтальной поверхностью барабанной перепонки, а также увеличивает общий уровень сигнала от внутренних слоёв перепонки и экссудативной жидкости. Для регистрации степени физической подвижности включений в экссудате БП использовался стабилизированный режим регистрации ОКТ сигнала, при котором движение зондирующего луча, в плоскости, перпендикулярной его оси, прекращалось. При этом ОКТ-изображение можно рассматривать как запись во времени внутренней динамики экссудата. При исследовании в стабилизированном режиме регистрировалась степень смещения оптически-активных включений в экссудате: на экране точечные включения расширялись в горизонтальной плоскости. Для оценки подвижности рассеивателей в экссудате использовался корреляционный (описанный в [4]) анализ и его спектральный вариант. В последнем случае к получаемому при стабилизации зондирующего луча изображению применяется преобразование Фурье во временной области, а затем для каждой строки изображения определяется эффективная ширина спектра (с использованием аппроксимирующих функций). В области шумового сигнала эффективная ширина спектра имеет наибольшее значение, в области неподвижных структур (барабанная перепонка) – наименьшее. При наличии в барабанной полости экссудативной жидкости, частицы, взвешенные в экссудате, вследствие броуновского движения входят и выходят из зондирующего луча, вследствие чего ширина спектра на соответствующей глубине принимает промежуточное значение между шумовым и стационарным. Чем больше вязкость экссудата, тем меньший дрейф испытывают частицы взвеси, что позволяет по ширине спектра ОКТ изображения делать вывод об их подвижности. В ходе отчётного этапа проекта производилось сравнение динамических характеристик экссудативной жидкости с опорной жидкостью (физиологическим раствором), вводимой в наружный слуховой проход в качестве иммерсии. В ходе работ отчётного этапа проекта было показано, что спектральный подход к определению степени подвижности рассеивателей в барабанной полости обладает большей информативностью, чем прямой корреляционный анализ. Поскольку в рамках рассматриваемой задачи Броуновское движение не имеет среднего вектора диффузии, для обеспечения возможности оценки смещения взвешенных частиц, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях разработан метод коррекции влияния дисперсионных искажений. Метод основан на анализе радиотехнического сигнала, регистрируемого в корреляционной реализации метода ОКТ, и позволяет подавить влияние дисперсионных искажений более, чем на два порядка. Анализ литературы показал, что проведённые исследования в целом соответствуют мировому уровню и превышают его в части большей информативности подхода к выделению динамической информации об экссудате, реализованной за счёт использования иммерсии и спектрального анализа в противовес корреляционному. Цитируемая литература 1. Геликонов В.М., Геликонов Г.В., Шилягин П.А. Оптимизация метода спектральной оптической когерентной томографии на базе интерферометров Физо и Майкельсона. // Известия АН: Серия физическая 2008. Т.72, №.1, С. 104-109.(http://elibrary.ru/item.asp?id=9594272) 2. Шилягин П.А., Ксенофонтов С.Ю., Моисеев А.А., Терпелов Д.А., Маткивский В.А., Касаткина И.В., Мамаев Ю.А., Геликонов Г.В., Геликонов В.М. Эквидистантная регистрация спектральных компонент в сверхширокополосной спектральной оптической когерентной томографии. // Изв. ВУЗов: Радиофизика 2017. Т.LX, №.10, С. в печати 3. Moiseev A.A., Gelikonov G.V., Ksenofontov S.Y., Gelikonov V.M., Matveev L.A., Zaitsev V.Y., Matveev A.L., Sirotkina M.A., Gladkova N.D., Vitkin I.A. Real time OCT-based angiography device with hand-held probe (Conference Presentation) // SPIE BiOS2017. V. 10053. P. 1. doi: 4. Monroy G.L., Pande P., Shelton R.L., Nolan R.M., Spillman D.R., Jr., Porter R.G., Novak M.A., Boppart S.A. Non-invasive optical assessment of viscosity of middle ear effusions in otitis media. // J Biophotonics 2016. doi: 10.1002/jbio.201500313 [doi].

 

Публикации

1. Геликонов Г.В., Геликонов В.М. Измерение и компенсация амплитудных и фазовых спектральных искажений интерференционного сигнала в оптической когерентной томографии при относительной ширине спектра более десяти процентов Изв. ВУЗов: Радиофизика, - (год публикации - 2017).

2. Новожилов А.А., Шилягин П.А., Абубакиров Т.Э., Хасянова Ю.А., Шахов А.В., Геликонов В.М. Возможности оптической когерентной томографии в диагностике экссудативного среднего отита Российская оториноларингология, - (год публикации - 2017).

3. Шилягин П.А., НовожиловА.А., Абубакиров Т.Э., Геликонова В.Г., Терпелов Д.А., Маткивский В.А., Геликонов Г.В., Шахов А.В., Геликонов В.М. Optical coherence tomography for diagnosing otitis media with effusion Journal of Innovative Optical Health Sciences, - (год публикации - 2017).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В ходе работ отчётного этапа создан и прошёл экспериментальную апробацию и оптимизацию для работы в условиях лаборатории и клиники прототип клинического прибора ОКТ. Прототип выполнен на базе спектральной ОКТ с параллельной регистрацией спектральных компонент при использовании источника излучения с центральной длиной волны 1300 нм и обеспечивает скорость получения изображений на уровне 20 000 А-сканов в секунду. Высокое быстродействие устройства позволяет как выполнять запись трехмерных изображений рассеивающей структуры, так и осуществлять регистрацию двумерных распределений динамических характеристик в режиме «медленного» сканирования, предложенном на первом этапе проекта. В устройстве реализован высокий динамический диапазон изображений – до 50 дБ над уровнем шума, что обусловило необходимость в разработке алгоритмического подхода для подавления артефактов изображения радиотехнической природы, обнаруженных на изображениях тестовых объектов и, впоследствии, на изображениях барабанной полости. На отчётном этапе показано, что источником этих артефактов является неидентичность передаточных характеристик каналов многоканальных фотоприёмных элементов. Для подавления этих артефактов предложен и экспериментально верифицирован численный метод, основанный на использовании моделей, параметры которых оцениваются по регистрируемому сигналу. Предложенный метод не требует априорной информации о передаточных характеристиках каналов. Работоспособность метода продемонстрирована в экспериментах по визуализации элементов среднего уха человека in vivo. Получение изображений в разработанном прототипе клинического устройства ОКТ реализовано бесконтактным образом, что накладывает особые ограничения на условия обеспечения стабильности взаимного расположения зонда и исследуемого объекта в процессе получения трехмерных и динамических изображений. Поскольку даже при реализованной относительно высокой скорости регистрации в 20 000 А-сканов в секунду получение полного массива данных занимает десятки секунд, объект и зонд должны либо жестко фиксироваться, что нежелательно в клиническом эксперименте, либо должен быть разработан подход, позволяющий скорректировать случайные флуктуации дистанции между зондом и объектом исследования, вызванные тремором, дыханием или проекцией пульсовых движений. На отчётном этапе проекта предложен и экспериментально верифицирован численный метод коррекции влияния флуктуаций дистанции до объекта при бесконтактном зондировании. Метод основан на анализе фазовых сдвигов соседних сканов, обусловленных микромасштабными смещениями, и последующей компенсации смещений за счет фазочастотной коррекции в спектральном пространстве. Работоспособность метода продемонстрирована в модельных экспериментах с гармоническим и случайным характером движения рассеивающего объекта, а также при получении изображений структур среднего уха человека in vivo Для отработки возможности реализации широкопольного сканирования при исследовании барабанной полости на отчётном этапе разработана оптическая схема эндоскопического зонда с длиной рабочего отрезка 8 мм и диаметром поля зрения 9,6 мм при диаметре дистальной части зонда не более 4.5 мм. Экспериментальная апробация оптической схемы запланирована на первый квартал следующего года. Для отработки алгоритмов количественной оценки отдельных физических параметров экссудативной жидкости создан лабораторный макет ОКТ устройства, на котором также отрабатываются отдельные программные и аппаратные решения, предназначенные для модернизации прототипа клинического устройства ОКТ. При исследовании эвакуированной экссудативной жидкости получены данные о её вязкостных свойствах. С использованием прототипа клинического устройства ОКТ проведены обследования 22 клинических случаев ЭСО и около 10 случаев, не имеющих патологии в виде наличия экссудата в барабанной полости. По полученным данным проведены предварительные оценки диагностической значимости отдельных параметров ОКТ изображений, однако для формирования статистически достоверных критериев необходимо увеличение выборки по крайней мере в два раза, что должно быть достигнуто на следующем этапе выполнения проекта.

 

Публикации

1. - Инфракрасное излучение поможет при диагностике отита полит.ру, 27 июля 2018, 13:07 (год публикации - ).

2. - Ученые разработали простой подход к диагностике отита газета.ру, 26.07.2018 | 13:14 (год публикации - ).

3. - Разработан простой способ диагностики отита Индикатор.ру, - (год публикации - ).

4. Геликонов Г.В.,Ксенофонтов C.Ю., Шилягин П.А., Геликонов В.М. Компенсация влияния флуктуаций дистанции до объекта при бесконтактном зондировании в спектральной оптической когерентной томографии Изв. ВУЗов: Радиофизика, - (год публикации - 2018).

5. Ксенофонтов C.Ю., Терпелов Д.А., Геликонов Г.В., Шилягин П.А., Геликонов В.М. Подавление гетеродинных артефактов радиотехнической природы в спектральной оптической когерентной томографии Изв. ВУЗов: Радиофизика, - (год публикации - 2018).

6. Новожилов А.А., Абубакиров Т. Э., Хасянова Ю. А., Шахов А. В. Современные методы диагностики экссудативного среднего отита Российская оториноларингология, - (год публикации - 2019).

7. Шилягин П.А., Новожилов А.А., Абубакиров Т.Э., Геликонова В.Г., Терпелов Д.А., Маткивский В.А., Геликонов Г.В., Шахов А.В., Геликонов В.М. Time domain optical coherence tomography is a useful tool for diagnosing otitis media with effusion Laser physics letters, V.15. I.9. pp. 096201+5 (год публикации - 2018).