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 19-79-00082

НазваниеГиперспектральная Стокс-поляризационная визуализация малигнизации биологических тканей

РуководительДрёмин Виктор Владимирович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева", Орловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2021 

Конкурс№40 - Конкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» 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 слованеинвазивная диагностика, биомедицинская инженерия, биофотоника, гиперспектральная визуализация, поляризация, биоткань, онкология

Код ГРНТИ76.13.15

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Согласно статистике, в настоящее время злокачественные новообразования являются одной из ведущих причин смертности населения. Так по данным Международного агентства по изучению рака при ВОЗ (IARC) в 2018 году во всем мире зафиксировано примерно 18,1 млн новых случаев заболевания раком. При этом к 2040 году это число достигнет 30 млн человек. Российская Федерация занимает 5-е место в мире по числу смертей от онкологических заболеваний. В большинстве исследований показано, что благоприятный прогноз и наибольшая выживаемость может быть достигнута при выявлении онкозаболевания на ранней стадии. Цель проекта состоит в создании гиперспектрального поляризационно-чувствительного метода обнаружения раковых клеток, как основы для новой неинвазивной технологии быстрой и точной оценки патологического статуса биотканей. В частности, в проекте будет объединена поляризационная оптическая биопсия с циркулярно поляризованным светом и гиперспектральные измерения с целью одновременного анализа микроструктурных и биохимических изменений в биологических тканях для оценки наличия раковых клеток и степени их развития. Предложенная технология будет иметь очевидный потенциал для существенного качественного улучшения работы врачей-патологоанатомов, что значительно ускорит и повысит надежность принимаемых ими решений при проведении анализа биопсийного материала. Предлагаемая работа нова и уникальна в части анализа структурных и функциональных изменений в подозрительных в отношении злокачественного перерождения биологических тканях с использованием излучения с циркулярной поляризации разной длины волны. Проект будет генерировать новые научные знания о взаимодействии оптического излучения с циркулярной поляризацией с биологической тканью и продемонстрирует потенциал его применения в области биомедицинской диагностики.

Ожидаемые результаты
Результатом проекта станет революционная методика диагностики состояния биотканей, включающая скрининг рака, обладающая высокой диагностической эффективностью по отношению к применяемым в настоящее время методам. В случае успеха будет создан прототип инновационного инструмента, использующего фундаментальные свойства взаимодействия световой волны со сложными биологическими структурами. Инструмент будет использоваться клиническими патологами для автоматизированного экспресс-скрининга биопсийного материала. Результаты, которые планируется получить, будут новаторскими и оригинальными. Таким образом, у них есть хорошая возможность быть представленными на признанных международных конференциях и опубликованными в международных научных журналах с высоким импакт-фактором. Конечная прикладная цель проекта заключается в передаче знаний и опыта не только лечебным учреждениям, но и промышленным партнерам (ООО «БИОФОТОНИКА», ООО НПП «ЛАЗМА», ООО «НПП «АСТРОН ЭЛЕКТРОНИКА»). Разработанный в дальнейшем прибор планируется внедрить в медицинскую практику БУЗ Орловской области «Орловская областная клиническая больница» (в частности в эндокринологическое отделение), а также в Научно-клиническом многопрофильном центре медицинской помощи матерям и детям им. З.И. Круглой (г. Орёл). Результаты данного проекта планируется внедрить также в учебный процесс для подготовки бакалавров и магистров по направлению «Биотехнические системы и технологии». Проведение предложенных фундаментальных научных исследований позволит получить и развить компетенции, способные в дальнейшем обеспечить развитие высокотехнологичного конкурентоспособного медицинского оборудования в РФ. Более того, демонстрация рабочей установки может создать прочную основу для нового поколения оптических технологий для многочисленных приложений, например, в области материаловедения, биосенсинга, цитологии, фармакологии и др.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
За отчетный период получены следующие результаты: 1. Проведен анализ алгоритмов для моделирования распространения поляризованного света в сильно рассеивающих мутных средах. Выделены их сильные и слабые стороны в зависимости от конкретного приложения. 2. Монте-Карло моделирование и программная среда для оптических расчетов TracePro адаптированы для задач проекта, а именно теоретического расчета оптической схемы разрабатываемой установки и анализа результатов измерений. 3. Разработана установка для Стокс-поляризационной визуализации на основе суперконтинуумного лазера и акустооптического фильтра, что позволяет реализовать гиперспектральный подход при регистрации данных. 4. Разработана автоматическая система сканирования, включающая программный модуль контроля, обработки и визуализации результатов измерений. 5. Показана чувствительность метода к распознаванию патологических тканей печени мышей с инокулированной гепатоцеллюлярной карциномой. При этом была продемонстрирована разница между гепатокарциномой, здоровой тканью и метастазами в различные органы. 6. Показана возможность использования разработанного метода для гистологического анализа раковых образцов молочной железы без процедуры изготовления срезов и их окрашивания. Продемонстрирована чувствительность к распознаванию клеток протоковой карциномы in situ и инвазивной протоковой карциномы. 7. Показана чувствительность метода к распознаванию ex vivo образцов тканей рака толстой кишки (аденокарцинома G2) с использование сферы Пуанкаре, пространственного сканирования и матриц Мюллера с симметричным разложением. 8. Разработан оптический фантом и модель Монте-Карло для верификации измерений матриц Мюллера. По результатам работ в первый год проекта опубликовано 7 работ, в том числе 4 публикации из баз данных Scopus и Web of Science, 2 из которых в журналах уровня Q1. Результаты работы докладывались на 4 международных конференциях: V Summer School “Photonics meets Biology” (Крит, Греция, 16-20 сентября, 2019 г.), 23nd Annual Conference Saratov Fall Meeting (Саратов, Россия, 23-27 сентября, 2019 г.), Topical Problems of Biophotonics and Biomedical Imaging (Оулу, Финляндия, 17-18 октября, 2019), SPIE Photonics Europe Digital Forum 2020 (Страсбург, Франция, 6-10 апреля, 2020). Все заявленные в проекте работы выполнены в полном объеме: выбрано и закуплено необходимое оборудование; осуществлена командировка в Университет Оулу и успешный обмен знаниями между научными группами; проведен анализ алгоритмов для моделирования распространения поляризационного излучения, адаптированы существующие подходы для задач данного проекта; разработана экспериментальная установка, проведено тестирование созданной установки на фантомах, парафиновых гистологических блоках и ex vivo образцах рака. В 2019-2020 году командой проекта выполнены заявленные показатели по публикационной активности и сделан существенный задел для работ 2020-2021 годов. Сведения о данном проекте (объявления, новости, опубликованные статьи, постеры, фотографии экспериментальных исследований и т.д.) публикуются на сайте научно-технологического центра биомедицинской фотоники ФГБОУ ВО «Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева», а также в соответствующих аккаунтах Instagram и YouTube по адресам: http://www.bmecenter.ru https://www.instagram.com/biomedical_photonics https://www.youtube.com/user/BmeCenterOrel Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет, посвященные проекту: Участие сотрудников центра в V-й летней научной школе «Photonics Meets Biology» (Ираклион, Греция): http://www.bmecenter.ru/ru/node/533 Успешное выступление на XXIII-й международной школе для студентов и молодых ученых по оптике, лазерной физике и биофотонике «Saratov Fall Meeting 2019»: http://www.bmecenter.ru/ru/node/535 Участие в международном форуме в области фотоники и оптики SPIE Photonics Europe 2020: http://oreluniver.ru/media/news/show/1/9157

 

Публикации

1. Дрёмин В., Анин Д., Серый А., Боровоква М., Напанкангас Ю., Меглинский И., Быков А. Imaging of early stage breast cancer with circularly polarized light Proceedings of SPIE, Tissue Optics and Photonics, 11363, 1136304 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1117/12.2554166

2. Дрёмин В., Жеребцов Е., Быков А., Попов А., Доронин А., Меглинский И. Influence of blood pulsation on diagnostic volume in pulse oximetry and photoplethysmography measurements Applied Optics, Vol. 58, No. 34, 9398-9405 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1364/AO.58.009398

3. Иванов Д., Дрёмин В., Быков А., Борисова Е., Генова Т., Попов А., Осиковски Р., Новикова Т., Меглинский И. Colon cancer detection by using Poincare sphere and 2D polarimetric mapping of ex vivo colon samples Journal of Biophotonics, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1002/jbio.202000082

4. Дрёмин В., Жарких Е. Математическое моделирование взаимодействия поляризованного света с биологическими тканями Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, №2(340), 136-137 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.33979/2073-7408-2020-340-2-136-147

5. Е. Потапова, В. Дрёмин, Е. Жеребцов, А. Мамошин, А. Дунаев Multimodal optical diagnostic in minimally invasive surgery Springer International Publishing, XXVIII, 599, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1007/978-3-030-44594-2_11

6. Дрёмин В., Быков А., Алексеев А., Меглинский И. Ex vivo detection of hepatocellular carcinoma by polyrized light utilizing mouse model Proceedings of Saratov Fall Meeting 2019, - (год публикации - 2019)

7. Иванов Д., Борисова Е., Осиковски Р., Быков А., Дрёмин В. A full Mueller matrix measurement of ex vivo colon samples with Stokes polarimeter Proceedings of V Summer School “Photonics meets Biology”, - (год публикации - 2019)

8. - Участие сотрудников центра в V-й летней научной школе «Photonics Meets Biology» (Ираклион, Греция) Научно-технологический центр биомедицинской фотоники, - (год публикации - )

9. - Успешное выступление на XXIII-й международной школе для студентов и молодых ученых по оптике, лазерной физике и биофотонике «Saratov Fall Meeting 2019» Научно-технологический центр биомедицинской фотоники, - (год публикации - )

10. - Участие в международном форуме в области фотоники и оптики SPIE Photonics Europe 2020 ОГУ имени И.С. Тургенева, - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
За отчетный период получены следующие результаты: 1. Произведены оптические и числовые расчеты для оптимизации параметров разработанной экспериментальной системы для Стокс-поляризационной визуализации. 2. Разработаны оптические фантомы для верификации измерений экспериментальной системы. 3. Проведены измерения образцов рака молочной железы, продемонстрировавшие способность экспериментальной системы дифференцировать различные ткани и стадии рака. 4. Оптимизировано разрешение системы, позволяющее получать поляризационные изображения, близкие по разрешению к гистологическим снимкам. 5. На основе трех параметров Стокса разработан алгоритм сегментации регистрируемых изображений. 6. Разработана реализация программного обеспечения, позволяющая проводить мульти- и гиперспектральные измерения. 7. Для повышения качества дифференциации патологических и здоровых тканей предложена дополнительная поляризационная метрика. По результатам работ во второй год проекта опубликовано 4 работы, в том числе 2 публикации из баз данных Scopus и Web of Science. Результаты работы докладывались на 4 международных конференциях: 24 Annual Conference Saratov Fall Meeting (Саратов, Россия, 29 сентября-02 октября, 2020 г.); XXXIII Всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов БИОМЕДСИСТЕМЫ-2020 (Рязань, Россия, 09-11 декабря, 2020 г.); SPIE Photonics West (Сан-Франциско, США, 6-11 марта 2021 г.); European Conferences on Biomedical Optics (Мюнхен, Германия, 20-24 июня 2021 г.). Все заявленные в проекте работы выполнены в полном объеме: оптимизирована и верифицирована экспериментальная система; проведены исследования раковых образцов; разработаны методики и рекомендации по применению технологии. Выполнены заявленные показатели по публикационной активности и сделан существенный задел для дальнейшего развития проекта. Сведения о данном проекте (объявления, новости, опубликованные статьи, постеры, фотографии экспериментальных исследований и т.д.) публикуются на сайте научно-технологического центра биомедицинской фотоники ФГБОУ ВО «Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева», а также в соответствующих аккаунтах Instagram и YouTube по адресам: http://www.bmecenter.ru https://www.instagram.com/biomedical_photonics https://www.youtube.com/user/BmeCenterOrel Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет, посвященные проекту: Участие в XXIV международной конференции «Saratov Fall Meeting 2020»: http://bmecenter.ru/ru/node/635

 

Публикации

1. Дрёмин В., Серый А., Боровокова М., Напанкангас Ю., Меглинский И., Быков А. Histological imaging of unstained cancer tissue samples by circularly polarized light Proceedings of European Conferences on Biomedical Optics, - (год публикации - 2021)

2. Иванов Д., Дрёмин В., Борисова Е., Быков А., Меглинский И., Новикова Т., Осиковски Р. Symmetric decomposition of Mueller matrices reveals a new parametric space for polarimetric assistance in colon cancer histopathology Proceedings of SPIE, Polarized Light and Optical Angular Momentum for Biomedical Diagnostics, 11646, 1164614 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1117/12.2578090

3. Дрёмин В.В., Жарких Е.В. Оптическое моделирование поляризационной системы визуализации Сборник материалов XXXIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «БИОТЕХНИЧЕСКИЕ, МЕДИЦИНСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ» (БИОМЕДСИСТЕМЫ - 2020), 354-356 (год публикации - 2020)

4. Дрёмин В.В., Жарких Е.В., Быков А.В. Optical simulation and analysis of a circularly polarization imaging system Proceedings of Saratov Fall Meeting 2020, - (год публикации - 2020)

5. - Участие в XXIV международной конференции «Saratov Fall Meeting 2020» Сайт НТЦ биомедицинской фотоники, - (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
Предложенная методика демонстрирует большой потенциал для разработки нового диагностического протокола для рутинной клинической практики. Было показано, что циркулярно поляризованный свет, рассеянный в образах биотканей, чувствителен к наличию раковых клеток и дает информацию, близкую к той, которая получается при стандартном гистологическом исследовании. Однако предложенный метод не требуется ни окрашивания, ни изготовления гистологических срезов. Предлагаемая методика демонстрирует высокий потенциал для изменения рутинных процедур, используемых в настоящее время при проведении гистологических исследований в повседневной клинической практике. В ходе всего выполнения проекта велась непрерывная работа по проработке вопросов возможности коммерциализации разрабатываемой технологии с целью их скорейшего внедрения непосредственно в клиническую практику. В настоящее время продолжается активная работа по подготовке к коммерциализации основных результатов завершенного проекта РНФ, ведутся соответствующие переговоры и консультации с экспертами, поиск инвесторов, заинтересованных в развитии данных продуктов для здравоохранения.