Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Целью настоящего проекта является разработка новых методов ранней диагностики злокачественных новообразований кожи на основе терагерцовой (ТГц) импульсной спектроскопии и оптической когерентной томографии. Для ее достижения в первый год выполнения проекта, в 2014 году, решен комплекс задач экспериментально-теоретического характера. Создан макет портативного ТГц импульсного спектрометра и методика исследования ТГц оптических и ТГц диэлектрических характеристик биологических тканей in vivo и in vitro с помощью данного макета в диапазоне частот от 0,1 до 2,5 ТГц. Разработаны методы решения обратных задач ТГц импульсной спектроскопии, связанных как с подавлением шумов в сигналах спектрометра, так и с восстановлением ТГц оптических характеристик и ТГц диэлектрической проницаемости образцов in vivo и in vitro на основе обработки сигналов ТГц спектроскопии. Проведено исследование единственности и устойчивости решения обратных задач, анализ факторов, затрудняющих их решение. Проведена апробация предложенных методов. Начался процесс формирования базы данных ТГц характеристик здоровой кожи и патологии in vivo: изучены образцы базально-клеточного рака и эпителиоидноклеточной меланомы кожи, инфильтрирующей карциномы и плоскоклеточного рака кожи, нормальных и диспластических невусов. Показана принципиальная возможность ранней неинвазивной диагностики злокачественных заболеваний кожи с помощью ТГц импульсной спектроскопии. На основе изучения группы образцов нормальных и диспластических невусов предложен подход к дифференциальной диагностике дисплазии. Клинические исследования будут продолжены на следующем этапе выполнения проекта, в 2015 году. Создан макет оптического когерентного томографа, работающий в терапевтическом окне прозрачности (центральная длина волны излучения – 1,36 мкм). Макет позволяет восстанавливать томографические изображения биологических тканей in vivo и in vitro с разрешением 50,0 мкм по глубине и 100,0 мкм по латеральным направлениям. Разработаны методики исследования биологических тканей in vivo и in vitro с помощью данного макета, разработаны подходы к обработке сигналов оптической когерентной томографии, к подавлению шума в томограммах. Начались исследования структуры эпителиальных тканей и дермы, новообразований кожи с помощью макета. Клинические исследования будут продолжены на следующем этапе выполнения проекта. Основные результаты выполнения первого этапа проекта отражены в публикациях коллектива исполнителей, поданных в высокорейтинговые отечественные и зарубежные научные издания.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
В результате выполнения второго этапа проекта РНФ 14-15-00758 выполнен комплекс экспериментально-теоретических работ направленных на создание новых методов ранней неинвазивной диагностики злокачественных новообразований кожи на основе ТГц импульсной спектроскопии и оптической когерентной томографии. Разработан метод высокоточного анализа ТГц спектральных диэлектрических и оптических характеристик биологических тканей in vivo, создан программно-аппаратный комплекс, с помощью которого проведены клинические исследования ТГц спектральных характеристик тканей кожи in vivo в норме и при патологии. Анализ экспериментальных данных показал наличие существенных флуктуаций ТГц спектральных характеристик здоровой кожи в различных областях тела человека, что несомненно должно быть учтено при разработке новых методов диагностики на основе ТГц диэлектрической и абсорбционной спектроскопии. Исследования образцов базальноклеточного рака кожи показали существенные отличия характеристик тканей кожи при патологии от нормальной кожи, что в полной мере соответствует хорошо известным результатам ранних исследований. В то же время, при выполнении настоящего проекта впервые проведена ТГц диэлектрическая спектроскопия пигментных невусов кожи in vivo, продемонстрировавшая существенные различия ТГц спектральных характеристик здоровой кожи, обыкновенных и диспластических невусов. Диспластический невус является предшественником меланомы – наиболее опасного вид рака кожи. Именно поэтому результат пилотных исследований в данном направлении имеют особую социальную значимость и показывают перспективы разработки новых методов ранней неинвазивной диагностики диспластических невусов и меланомы кожи на основе ТГц спектроскопии. Проведен комплекс работ, направленных на создание новых подходов к диагностике злокачественных заболеваний кожи с помощью оптической когерентной томографии. Разработан макет оптического когерентного томографа и программное обеспечение, реализующие современные методы высокоэффективной вейвлетной фильтрации сигналов оптического когерентного томографа. Проведены исследования томографических изображений тканей кожи в норме и при патологии, в частности, изучены образцы здоровой кожи и базальноклеточного рака, обыкновенных и диспластических невусов кожи in vivo. Наряду с клиническими исследованиями проводилась серия теоретических работ в области оптической когерентной томографии. Создан пакет программ для симуляции процесса регистрации томографических изображений кожи. Пакет программ, реализующий современные статистические подходы численного моделирования с использованием численных методов Монте-Карло, использовался для теоретических исследований предельной глубины диагностики, пространственные разрешения в томограммах тканей кожи с учетом ее рассеивающих свойств. Также он применялся для анализа возможности диагностики дисплатических невусов кожи и меланомы кожи на различных стадиях жизни невуса, от его образования в эпидермисе или на базальноклеточной мембране, до его погружения и исчезновения в объеме дермы. Помимо решением основных задач проекта, заявленных коллективом исполнителей на второй этап, в инициативном порядке решены вспомогательные задачи, близкие к тематике реализовываемого проекта. Во-первых, предложен новый подход к изготовлению ТГц фотонно-кристаллических волноводов на основе кристаллов профилированного сапфира, изготовлены тестовые образцы волноводов, проведены теоретические и экспериментальные исследования процесса распространения в них ТГц электромагнитного излучения. Отсутствие эффективных ТГц волноводов, а соответственно, ТГц эндоскопических систем делает невозможной разработку новых методов неинвазивной, малоинвазивной и интраоперационной диагностики труднодоступных эпителиальных опухолей и заболеваний внутренних органов, и том числе злокачественных. Исследования первых образцов ТГц фотонно-кристаллических волноводов показали возможность их использования для передачи ТГц электромагнитного излучения в широком спектральном диапазоне с рекордно низкими потерями, что свидетельствует о перспективах их применения в биомедицинских исследованиях. Во-вторых, методы статистического анализа экспериментальных данных, разработанные для анализа результатов ТГц импульсной спектроскопии тканей кожи in vivo в норме и при патологии, были обобщены и применены для анализа данных мультиспектрального флуоресцентного имиджинга базальноклеточного рака кожи, что позволило показать перспективность создания новых инструментов диагностики базалиомы на основе анализа эндогенной флуоресценции тканей. Результаты работ, выполненных на втором этапе, были опубликованы в ведущих отечественных и зарубежных научных изданиях, входящих в Web of Science, Scopus и РИНЦ, и представлялись на международных научных мероприятиях – конференциях, симпозиумах и научных школах. Полученные на втором этапе результаты позволили сформулировать и уточнить направления исследований третьего этапа выполнения проекта. На третьем этапе будут проведена серия актуальных теоретических и экспериментальных исследований, как в области ТГц импульсной спектроскопии, так и в области оптической когерентной томографии.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В результате выполнения третьего этапа проекта решен комплекс экспериментальных и теоретических задач, направленных на разработку новых методов ранней диагностики злокачественных новообразований кожи на основе терагерцовой импульсной спектроскопии и оптической когерентной томографии. С помощью разработанных в проекте методов терагерцовой диэлектрической спектроскопии биологических тканей in vivo проведены исследования и анализ терагерцовых диэлектрических характеристик тканей кожи человека in vivo в нормальном состоянии и при наличии патологии. Например, показано, что терагерцовые диэлектрические характеристики тканей базальноклеточного рака и здоровой кожи статистически различимы, что хорошо согласуется с данными исследований зарубежных научных групп. В то же время при выполнении проекта впервые показано наличие контраста в терагерцовых диэлектрических характеристиках обыкновенных и диспластических невусов кожи, что свидетельствует о перспективах создания новых методов ранней неинвазивной диагностики диспалстических невусов и меланомы кожи in situ с помощью методов терагерцовой спектроскопии и имиджинга. Решен комплекс технических проблем исследования биологических тканей in vivo с помощью метода терагерцовой импульсной спектроскопии. В частности, предложен и реализован на практике подход к доставке импульсного излучения терагерцового спектрометра к труднодоступным тканям in vivo. Подход основан на использовании оригинальных терагерцовых фотонно-кристаллических волноводов на основе профилированных кристаллов сапфира. Разработаны методы повышения пространственного разрешения терагерцовых спектроскопических исследований основанные на использование новых асферических терагерцовых оптических элементов и принципов ближнепольной твердотельной иммерсии. Новые оптические элементы обеспечивают суб-волновое разрешение, что существенно расширяет область применимости терагерцовых методов диагностики. Разработан программный пакет, реализующий статистические методы численного моделирования Монте-Карло. Пакет программ применялся для численного моделирования построения изображений здоровой кожи, обыкновенных и диспластических невусов, меланомы с использованием методов оптической когерентной томографии. Результаты вычислительных экспериментов свидетельствуют о наличии различий в изображениях кожи в норме и при патологии, а соответственно, показывают перспективность разработки методов дифференциации обыкновенных и диспластических невусов с помощью оптической когерентной томографии. Разработан экспериментальный стенд для исследования образцов биологических тканей методами оптической когерентной томографии. Оригинальная система оптической когерентной томографии в совокупности с коммерческим оборудованием применялись для изучения характеристик биологических тканей. Проводились исследования, направленные на разработку новых методов решения обратных задач оптической когерентной томографии. Разработан экспериментально обучаемый метод подавления шумов в сигналах оптического когерентного томографа, основанный на математическом аппарате вейвлетного анализа и использующий для обучения тестовые образцы рассеивающих сред (коллоидные суспензии с стационарными макроскопическими металлическими включениями) с априорно известными геометрией и физическими свойствами. При выполнении третьего этапа проекта в качестве дополнительного метода диагностики злокачественных новообразований кожи рассматривался аутофлуоресцентный имиджинг. Разработан метод мультиспектрального модуляционного аутофлуоресцентного имиджинга, являющийся абсолютно неинвазивным инструментом уточняющей диагностики. Разработан экспериментальный макет системы и программное обеспечение. В результате экспериментальных исследований здоровой и пораженной кожи показана возможность дифференциации тканей и сегментации изображений поверхности кожи с использованием разработанного метода. Часть результатов выполнения проекта уже опубликована; часть находится на стадии рецензирования в научных журналах; остальные работы подготавливаются и будут поданы в научные журналы позднее. Направление дальнейших исследований научной группы будут связаны с сочетанием различных подходов и инструментов (инструментов скрининга и уточняющей диагностики) для создания комбинированных автоматизированных систем ранней неинвазивной диагностики злокачественных новообразований кожи. Именно за счет сочетания различных подходов к исследованию тканей в норме и при патологии можно эффективно решать данную социально-значимую проблему. Результаты исследования третьего этапа выполнения проекта нашли свое отражение в статьях коллектива исполнителей в высокорейтинговых отечественных и зарубежных научных изданиях, представлялись на ведущих отечественных и международных научных конференциях в области биофотоники, прикладной физики, оптики и фотоники. Более того, результаты вошли в материалы диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, подготовленной членом коллектива исполнителей К.И. Зайцевым и представленной в диссертационной совет по специальности 05.11.07, а также в материалы магистерской диссертации члена коллектива исполнителей Н.В. Черномырдина, который за 2016 год с отличием защитил диссертацию магистра и поступил в аспирантуру по специальности 05.11.07.