Мультиспектральные методы контроля процесса криодеструкции биологических тканей на основе использования сапфировых аппликаторов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 проекта 19-79-10212

НазваниеМультиспектральные методы контроля процесса криодеструкции биологических тканей на основе использования сапфировых аппликаторов

Руководитель Долганова Ирина Николаевна, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук , Московская обл

Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-609 - Автоматизированные комплексы для биологии и медицины

Ключевые слова Криохирургия; криоаппликаторы и криозонды; поверхностная и внутритканевая криодеструкция; профилированные кристаллы сапфира; оптические методы визуализации; упругое светорассеяние в биологических тканях

Код ГРНТИ29.03.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Разработка новых методов криодеструкции биологических тканей является актуальной задачей современной медицины, инженерных наук и прикладной физики. В основе криодеструкции лежит использование низких температур, при которых разрушаются клетки ткани в заданной области. Это предоставляет широкий спектр преимуществ данных методов по сравнению с хирургическими вмешательствами, в том числе: малая травматизация здоровых тканей; быстрый период реабилитации, безболезненность и др. Современное развитие криохирургии ограничивается тем, что из-за существенных отличий параметров биологических тканей друг от друга, их отдельных участков, локализаций, особенностей пациентов процесс криодеструкции и образования крионекроза тканей является сложно прогнозируемым. Это может приводить либо к неполному разрушению клеток заданной области, либо к гибели здоровых тканей, окружающих предполагаемый очаг некроза. Визуальный контроль криодеструкции зачастую невозможен из-за внутритканевых локализаций интересующих областей, ультразвуковые методы не дают высокой точности, а МРТ-диагностика затруднительна при использовании инструментов, изготавливаемых из магнитных материалов. Поэтому проблема разработки методов криодеструкции, совмещенных с дополнительным контролем является актуальной задачей. Распространение крионекроза сопровождается структурными изменениями тканей, а также изменением профиля их оптических и диэлектрических параметров. Это позволяет предполагать, что оптические методы визуализации (инфракрасного, видимого, терагерцового диапазонов), методы упругого рассеяния излучения в биологических средах могут быть эффективно использованы для контроля глубины промерзания ткани. Следует отметить, что контроль процесса криодеструкции может быть расширен также за счет предварительной подготовки области биологической ткани (изменения ее температурного поля и оптических параметров) с помощью методов лазерной термотерапии, а также методов иммерсионного оптического просветления. Последние также будут способствовать увеличению глубины проникновения оптического излучения в биологические ткани. Немаловажно отметить, что оптические методы контроля могут иметь компактную волоконно-оптическую реализацию, не требовать использования масштабных датчиков в сравнении с ультразвуковым мониторингом. Одним из основных требований, предъявляемым к новым медицинским инструментам, является компактность и простота использования на практике, поэтому непосредственное оснащение криоаппликатора возможностью контроля процесса замораживания без использования дополнительных устройств представляется перспективным. Это возможно за счет применения многоканальных прозрачных в различных спектральных диапазонах сапфировых аппликаторов. Свойства сапфира (твердость, прочность, химическая инертность, прозрачность, высокая теплопроводность) будут способствовать разработке как поверхностных, так и внутритканевых криоаппликаторов, имеющих высокие эксплуатационные характеристики, использование которых можно было бы совмещать с МРТ-диагностикой. Отдельно следует отметить возможность использования терагерцового (ТГц) излучения для оценки продвижения ледяного фронта в тканях. Глубина проникновения ТГц волн в биологические объекты крайне мала из-за большого содержания в них воды, поглощающей ТГц излучение. Однако, как показывают последние исследования, за счет обратимой дегидратации и выравнивания диэлектрического контраста с помощью методов оптического просветления глубину проникновения ТГц излучения можно значительно увеличить. Доставку ТГц излучения к тканям можно осуществить непосредственно с помощью сапфирового аппликатора, имеющего профилированную структуру, которая, как показывают современные исследования, обладает уникальными волноводными свойствами по сравнению с известными аналогами. Таким образом, целью проекта является разработка мультиспектральных методов контроля процесса криодеструкции биологических тканей на основе использования сапфировых аппликаторов. Планируется разработать методы контролируемой криодеструкции биологических тканей за счет: I) разработки методов и алгоритмов диагностики геометрии «ледяного шара», формируемого в биологических тканях в процессе криохирургии, на основе современных методов визуализации и спектроскопии в видимом, инфракрасном и терагерцовом спектральных диапазонах; II) разработки конструкции сапфировых криоаппликаторов на основе профилированных кристаллов сапфира и аппаратной реализации методов контроля распространения ледяного фронта; III) исследования и разработки методов подготовки биологических для повышения эффективности процесса криодеструкции и методов контроля, включая разработку конструкции таких аппликаторов. Разрабатываемые методы позволят расширить возможности криохирургии и будут способствовать ее применению в широкой клинической практике. Разрабатываемые методы будут проходить экспериментальную апробацию на тестовых объектах, образцах биологических тканей ex vivo – патологиях кожи и головного мозга (этому будет способствовать сотрудничество научного коллектива с Первым МГМУ им. И.М. Сеченова и НИИ Нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко). Также будет проводиться апробация разработанных методов in vivo и in situ с использованием биологических образцов злокачественных новообразований, чему будет способствовать участие в коллективе исполнителей научного сотрудника НИИ морфологии человека Алексеевой А.И. Выполнение данного проекта послужит развитию научной группы, росту карьеры молодых ученых, входящих в ее состав, а также в перспективе – созданию лаборатории перспективных методов криодеструкции злокачественных новообразований.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Долганова И.Н., Катыба Г.М., Шикунова И.А., Зотов А.К., Александрова П.В., Решетов И.В., Зайцев К.И., Курлов В.Н. НОВЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКИ, ТЕРАПИИ И ХИРУРГИИ НА ОСНОВЕ ПРОФИЛИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛОВ САПФИРА ТРУДЫ ДВЕНАДЦАТОГО ЕЖЕГОДНОГО ЗАСЕДАНИЯ НАУЧНОГО СОВЕТА РАН ПО ФИЗИКЕ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД И НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОГО СЕМИНАРА "АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД", с.12 (год публикации - 2019)
10.26201/ISSP.2019.45.557/XII FKS 2019/9

2. И.Н. Долганова, Г.М. Катыба, И.А. Шикунова, А.К. Зотов, П.В. Александрова, Н.А. Наумова, М.А. Щедрина, К.И. Зайцев, В.В. Тучин, В.Н. Курлов Sapphire-based medical instruments for diagnosis, surgery and therapy Proceedings of SPIE, 11363, 1136318 (год публикации - 2020)
10.1117/12.2555320

3. Н.В. Черномырдин, К.И. Зайцев, И.Н. Долганова, П.С. Тимашев, В.В. Тучин БИОФОТОНИКА Оптика и спектроскопия, 128(6), с. 734 (год публикации - 2020)

4. И.Н. Долганова, А.К. Зотов, И.А. Шикунова, К.И. Зайцев, В.Н. Курлов Optically-controlled measurements of cryodestruction of biological tissues using sapphire shaped crystals 2020 International Conference Laser Optics (ICLO): Proc. IEEE, P. 9285697 (год публикации - 2020)
10.1109/ICLO48556.2020.9285697

5. Долганова И.Н., Шикунова И.А., Зотов А.К., Щедрина М.А., Решетов И.В., Зайцев К.И., Тучин В.В., Курлов В.Н. Microfocusing sapphire capillary needle for laser surgery and therapy: Fabrication and characterization Journal of Biophotonics, Vol. 13, Iss. 10. P. e202000164 (год публикации - 2020)
10.1002/jbio.202000164

6. Катыба Г.М., Зайцев К.И., Долганова И.Н., Черномырдин Н.В., Улитко В.Э., С.Н. Россоленко, Шикунова И.А., Курлов В.Н. Sapphire waveguides and fibers for terahertz applications Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, 2021. Vol. 67. P. 100523 (год публикации - 2021)
10.1016/j.pcrysgrow.2021.100523

7. Зотов А.К., Долганова И.Н., Зайцев К.И., Шикунова И.А., Курлов В.Н. Оптический контроль криоабляции биотканей с использованием сапфировых криоаппликаторов ТРУДЫ ТРИНАДЦАТОГО ЕЖЕГОДНОГО ЗАСЕДАНИЯ НАУЧНОГО СОВЕТА РАН ПО ФИЗИКЕ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД И НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОГО СЕМИНАРА "АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД", с.43 (год публикации - 2020)
10.26201/ISSP.2019.45.557/XIII_FKS.036

8. Зотов А.К., Гавдуш А.А., Катыба Г.М., Сафонова Л.П., Черномырдин Н.В., Долганова И.Н. In situ terahertz monitoring of an ice ball formation during tissue cryosurgery: a feasibility test Journal of Biomedical Optics, Volume 26, No. 4, p. 043003 (год публикации - 2021)
10.1117/1.JBO.26.4.043003

9. Зотов А.К., Гавдуш А.А., Катыба Г.М., Курлов В.Н., Зайцев К.И., Долганова И.Н. Application of terahertz pulsed spectroscopy for analysis of ex vivo biological tissue freezing Proceedings of SPIE, V. 11845, P. 118450T (год публикации - 2021)
10.1117/12.2590848

10. Долганова И.Н., Пономарев Д.С., Спкектор И.Е., Шур М.С., Тимашев П.С., Тучин В.В. Special Section Guest Editorial: Advances in Terahertz and Infrared Optoelectronics Optical Engineering, 60(8), 082001 (2021) (год публикации - 2021)
10.1117/1.OE.60.8.082001

11. И.Н. Долганова, Д.А. Варвина, И.А. Шикунова, А.И. Алексеева, П.А. Каралкин, М.Р. Кузнецов, П.В. Никитин, А.К. Зотов, Е.Е. Мухина, Г.М. Катыба, К.И. Зайцев, В.В. Тучин, В.Н. Курлов Proof of concept for the sapphire scalpel combining tissue dissection and optical diagnosis Lasers in Surgery & Medicine, volume 54, issue 4, pp. 611– 622 (2022) (год публикации - 2021)
10.1002/lsm.23509

12. П.В. Александрова, П.В. Никитин, А.И. Алексеева, В.В. Тучин, К.И. Зайцев, И.Н. Долганова Physically Reasonable Tissue Properties for Optical Coherence Tomography of Brain Malignancies Conference Proceedings - 2021 Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves, RSEMW 2021, p. 353 - 356 (год публикации - 2021)
10.1109/RSEMW52378.2021.9494080

Публикации