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 19-75-10055

НазваниеПортативный оптико-акустический микроскоп для клинической ангиографии

РуководительСубочев Павел Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук", Нижегородская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2024 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (41).

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

Ключевые словаОптоакустика, растровое сканирование, клиническая ангиография, портативный микроскоп, сердечно-сосудистые заболевания, микроциркуляторное русло.

Код ГРНТИ29.31.41

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Оптоакустические методы становятся все более востребованным инструментом для получения данных о структурном и функциональном состоянии циркуляторного русла органов и тканей человека in vivo. Наиболее широкое применение данное направление нашло в области доклинических и клинических исследований при разработке новых методов диагностики ангиопатий и оценки эффективности разных схем лечения. Одним из наиболее быстро развивающихся направлений является разработка методов исследования состояния сосудов, прилежащих к коже человека, так как их морфологические и функциональные патологические изменения несут диагностическую информацию как о дерматологических и системных заболеваниях, так и о локальных изменениях кровеносного русла. Целью настоящего проекта РНФ является создание нового подхода к медицинской диагностике сосудистых патологий, основанного на разработке и клиническом применении новых технологий сканирующей оптико-акустической визуализации, активно развиваемых группой П.Субочева в ИПФ РАН (www.photoacoustics.ru ). В рамках проекта 2022 года проектная команда разработает новый темнополный вариант портативного ОА микроскопа (рис. 1), предназначенный для разномасштабной (15 мкм - 1 мм) объемной (25x25x3 мм3) визуализации кровеносных сосудов. Компактный темнопольный зонд нового ОА микроскопа будет проектироваться на основе результатов численного моделирования и будет состоять из кастомизированной конической системы лазерной засветки в волоконно-оптическом исполнении и короткофокусной ультразвуковой антенны с рекордной полосой приемных частот в 2 декады (1-100 МГц). Ожидается, что новый темнопольный вариант портативного ОА микроскопа будет существенно превосходить ранее разработанный светлопольный аналог (рис. 1) по ангиографическим возможностям (рис. 2-3). Численные значения параметров, характеризующие преимущественные ангиографические возможности нового темнопольного микроскопа, будут установлены по результатам фантомных экспериментов, а также в результате прямого сравнения темнопольного и светлопольного вариантов при in vivo ОА ангиографии одних и тех же участков поверхностных тканей человека. Будет разработан протокол проведения новых ангиографических ОА исследований с использованием позиционных проб и осуществления динамического ОА наблюдения на фоне лечения. Для обеспечения возможности проведения таких исследований, будут произведены технические усовершенствования роботизированного манипулятора, заключающиеся в разработке дополнительного поворотного устройства (рис.1) и датчика силы с цифровым индикатором. Будет проведена оценка возможности устройства для визуализации периферических сосудов разного калибра. Будут получены количественные данные о нормальных значениях кровенаполнения сосудов, а также их изменениях при выполнении позиционных проб в норме и при ангиопатиях, в т.ч. развившихся на фоне перенесенного COVID-19. Будет проведена оценка таких параметров, как плотность, диаметр, степени извитости и ветвления сосудов. В группы ангиопатий войдут артериальная и венозная недостаточность разной этиологии, синдром Рейно, а также постковидные изменения сосудов до и после лечения.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта 2022 будет создан первый в мире портативный темнопольный оптоакустический микроскоп, представляющий собой серьезный технологических задел в области экспериментальной медицины и биологии. Темнопольный зонд портативного ОА микроскопа (рис. 1), предназначенный для трехмерной (25x25x3 мм3) разномасштабной (15 мкм - 1 мм) сканирующей ангиографии, будет спроектирован основываясь на результатах численного моделирования и будет состоять из: - короткофокусной ультразвуковой антенны с рекордной приемной шириной полосы частот в 2 декады (1-100 МГц) по сравнению с коммерческим аналогом iThera RSOM С50; - конической системы волоконно-оптической засветки, которая позволит уменьшить количество когерентных фотонов в зоне чувствительности ультразвуковой антенны и гомогенизировать пространственное распределение освещенности. Новый темнопольный вариант портативного ОА микроскопа (проект 2022 года) будет существенно превосходить свой ранее разработанный светлопольный аналог (проект 2019 года) по ангиографическим возможностям, представленным следующими параметрами: - отношение сигнала к шуму; - максимальная глубина диагностики; - пространственное разрешение при ангиографии; - контрастность изображения периферических сосудов. Конкретные численные значения параметров, характеризующие преимущественные ангиографические возможности нового темнопольного микроскопа, будут установлены по результатам фантомных экспериментов, а также в результате прямого сравнения темнопольного и светлопольного вариантов при in vivo ОА ангиографии одних и тех же участков поверхностных тканей человека. Будет разработан протокол проведения новых ангиографических ОА исследований с использованием позиционных проб и динамического наблюдения на фоне лечения. Для обеспечения возможности проведения новых ангиографических ОА исследований с использованием позиционных проб, будут произведены технические усовершенствования роботизированного манипулятора, заключающиеся в разработке дополнительного поворотного устройства и датчика силы с цифровым индикатором. Клинические возможности темнопольного короткофокусного портативного ОА микроскопа будут исследованы в группе здоровых добровольцев без ангиопатий и группах пациентов с подтвержденными сосудистыми патологиями, включая состояния, развившиеся после перенесенного COVID-19. Будут получены данные об изменении кровенаполнения в ходе позиционных проб, а также плотности, диаметра, ветвления и извитости периферического сосудистого русла на фоне проводимого лечения. Заявленные результаты будут соответствовать мировому уровню исследований, иметь важную научную и социальную значимость. Областью практического применения заявленных результатов проекта является медицинская диагностика. Результаты проведенных работ могут быть использованы: - научными организациями для исследования микроциркуляции тканей, а также создания новых методик биомедицинской диагностики; - государственными и коммерческими структурами, работающими в области разработки и внедрения в производство новых исследовательских или медицинских диагностических устройств; - государственными и частными клиниками для диагностики сосудистых патологий и оценке эффективности лечения пациентов с ангиопатиями.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках численного моделирования оптимизированы частотно-геометрические характеристики ультразвуковой антенны нового темнопольного оптоакустического зонда, предназначенного для разномасштабной оптоакустической визуализации кровеносных сосудов. Разработан новый компактный темнопольный оптоакустический зонд, состоящий из короткофокусной ультразвуковой антенны с широкополосным усилителем и системы конической волоконно-оптической засветки. На фантомах, имитирующих акустические и оптические свойства реальных биологических тканей, измерены достигнутые технические характеристики нового компактного темнопольного оптоакустического зонда: эффективная приемная полоса частот, пространственное разрешение, глубина диагностики. Для обеспечения возможности проведения новых ангиографических оптоакустический исследований с использованием позиционных проб, произведены технические усовершенствования роботизированного манипулятора, заключающиеся в разработке дополнительного поворотного устройства и датчика силы с цифровым индикатором. В in vivo эксперименте продемонстрированы возможности оптоакустической визуализации структурно-функциональных изменений сосудистых сплетений кожи человека. Разработан протокол проведения новых ангиографических оптоакустических исследований. Информационные ресурсы в сети Интернет, посвященные лаборатории ультразвуковой и оптоакустической диагностики ИПФ РАН и проекту РНФ: https://photoacoustics.ru/ и ютюб канал https://www.youtube.com/@photoacoustics

 

Публикации

1. Курников А.А., Волков Г.П., Орлова А.Г., Ковальчук А.В., Хоченкова Ю.А., Разанский Д., Субочев П.В. Fisheye piezo polymer detector for scanning optoacoustic angiography of experimental neoplasms Photoacoustics, - (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.pacs.2023.100507

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В рамках последнего года проекта по разработке темнопольного варианта портативного оптико-акустического микроскопа (ОАМ) для клинической ангиографии выполнялись работы по аппаратным усовершенствованиям микроскопа и роботизированного манипулятора, осуществлялась разработка новых методов обработки трехмерных ангиографических данных, а также проводились клинические исследования с помощью разработанного ОАМ. 1) В рамках усовершенствования роботизированного манипулятора была добавлена функция поворота ОА сканера вокруг оси Y, расширяющая область применимости ОАМ микроскопа. В иммерсионную камеру был интегрирован датчик силы прижима с цифровым индикатором, позволяющий обеспечивать акустический контакт ОАМ микроскопа с человеком, дозируя силу механического воздействия на исследуемый кровоток в диапазоне 0.01-1Н. Было разработано устройство для электронной регулировки положения акустического фокуса с шагом 100 мкм, упрощающее процесс ангиографического ОАМ сканирования. 2) Осуществлена сборка нового портативного оптоакустического микроскопа на базе темнопольного оптоакустического зонда с диапазоном сканирования 25x25 мм^2 и весом менее 1 кг. В ходе настройки и наладки микроскопа реализована возможность сканирования объема 3x3x3 мм^3 (100x100x100) в горизонтальной плоскости за время не более 30 секунд. В экспериментах по визуализации микронных волокон и in vivo ангиографии тканей продемонстрированы преимущественные возможности нового темнопольного ОАМ сканера по сравнению с ранее разработанным светлопольным вариантом: увеличенная глубина клинической ангиографической ОА диагностики (более 1 мм) и улучшенное пространственное разрешение (менее 50 мкм). 3) Реализован новый подход к квантификации локальных параметров кровотока по трехмерным оптоакустическим изображениям кровеносных сосудов. Вместо предыдущей методики квантификации двумерных оптоакустических ангиограмм, была создана универсальная программа для обработки и анализа трехмерных оптоакустических томограмм на основе программного обеспечения Avizo и пользовательских скриптов на Python. Разработанная программа включает в себя такие этапы, как повышение резкости сосудов, адаптивный пересчет пороговых интенсивностей, интерактивная бинаризация, скелетонизация трехмерных ангиографических изображений. Ключевой особенностью программы является возможность квантификации трехмерных ангиографических данных в полуавтоматическом режиме, используя дескрипторы сосудов, выбранные пользователем, с поддержкой комплексного визуального представления количественных данных и проведения статистического анализа. Программа была протестирована на фантоме кровеносных сосудов и в in vivo экспериментах, демонстрируя свою эффективность и точность в визуализации и квантификации параметров кровотока. По мере опубликования полученных результатов, проектная команда планирует обнародовать разработанную программу на GitHub под названием SKYQUANT 3D. 4) Получены оптоакустические изображения сосудистой сети поверхностных тканей в норме и при ангиопатиях (сахарный диабет, хроническая венозная недостаточность, хроническая артериальная недостаточность, синдром Рейно). Выявлены различия в реакции сосудистого русла здоровых и патологических тканей на лечение, а также на функциональные пробы в виде изменения положения конечности относительно горизонта. На основе сравнительного анализа данных о структурных параметрах сосудов в норме и при патологиях определены дескрипторы сосудов, обладающие наибольшим диагностическим потенциалом: глубина расположения сосудов относительно поверхности кожи, взвешенные средний радиус и объем сосудов, интенсивность ОА сигналов от сосудов и окружающих сосуды тканей, общее количество сосудов и степень их ветвления. Результаты проекта докладывались на крупной (более 600 докладов) международной конференции "2023 Asia Communications and Photonics Conference (ACP/POEM)" в г. Ухань, Китай (устный доклад руководителя проекта П.Субочева, стендовые доклады аспирантов А.Курникова и Д.Войтович). Доклад аспиранта А.Курникова (https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10369784) был отмечен Оргкомитетом в числе 6 лучших докладов молодых ученых на Конференции, а сам Алексей получил денежный приз и приглашение Оргкомитета на специальную церемонию награждения. Результаты проекта разработки портативного ОАМ также представлены на веб-сайте лаборатории Ультразвуковой и Оптоакустической Диагностики Отдела Радиофизических Методов в Медицине ИПФ РАН (https://photoacoustics.ru) и Ютюб канале (https://www.youtube.com/@photoacoustics).

 

Публикации

1. - Весит около грамма: российские ученые разработали ультраточный микродатчик для изучения сосудов и раковых опухолей РНФ, 27 сентября, 2023 16:38 (год публикации - )

2. Курников А.А., Санин А.Г., Дин-Бен Х.Л., Рязанский Д., Субочев П.В. Ultrawideband sub-pascal sensitivity piezopolymer detectors Ultrasonics, Т.141, С.107349 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1016/j.ultras.2024.107349

3. Казаков В.В., Мухин И.Б., Курников А.А., Субочев П.В. Исследование качества термодиффузионной сварки кристаллов в дисковом оптическом элементе оптоакустическим методом Acoustical Physics, - (год публикации - 2024)

4. Лю Ю-Ханг, Курников А.А., Ли В., Субочев П.В., Рязанский Д. Highly sensitive miniature needle PVDF-TrFE ultrasound sensor for optoacoustic microscopy Advanced Photonics Nexus, Т. 2, № 5, С. 056006-056006 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1117/1.APN.2.5.056006

5. Немирова С.В., Орлова А.Г., Курников А.А., Литвинова Ю.Н., Казаков В.В., Айвазян И.В., Лю Ю.-Х., Рязанский Д., Субочев П.В. Scanning optoacoustic angiography for assessing structural and functional alterations in superficial vasculature of patients with post-thrombotic syndrome: a pilot study Photoacoustics, Volume 38, August 2024, 100616 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1016/j.pacs.2024.100616

6. Тиманин Е.М., Михайлова И.C., Фикс И.И., Курников А. А., Ковальчук А.В., Орлова А.Г., Угарова О.А., Frenz M., Jaeger M., Субочев П.В. Улучшение оптоакустических изображений биотканей методом одномерной обратной свертки с адаптивной самокалибровкой в реальном времени Акустический журнал, Т. 69, № 6, С. 800-807. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0320791923600750

Возможность практического использования результатов
В результате выполнения РНФ проекта был создан первый в России сканирующий оптоакустический микроскоп для клинической ангиографии, представляющий собой серьезный технологических задел в области экспериментальной медицины и биологии. К сожалению, для внедрения прибора в клиническую практику требуются значительно большие объемы финансирования, связанные с затратами на медицинскую сертификацию, конструкторскую документацию и создание мелкосерийного производства. При наличии соответствующего частного или государственного инвестора, представляется интересным организовать российский консорциум, который занялся бы серийным импортонезависимым производством отечественных оптоакустических микроскопов. В качестве потенциальных представителей такого консорциума видятся: (1) ведущие представители российского научного оптоакустического сообщества (группы: А.Карабутова из МГУ им. М.В.Ломоносова, Д.Браташова из СГУ им. Н.Г.Чернышевского, Д.Горина из Сколтеха, Е.Ширшина из МГУ им. М.В.Ломоносова и другие ученые); (2) представители медицины, заинтересованные в широкой клинической доступности оптоакустической ангиографии (группы М.Сироткиной из ПИМУ, С.Гамаюнова из ГБУЗ НООД, Д.Ходченкова из РОНЦ и многие другие); (3) ведущих отечественных производителей импульсных лазеров, систем позиционирования, аналого-цифровой электроники и ультразвуковых антенн (ОА “Швабе”, ООО “ЛАССАРД”, ООО “Л-Кард”, ООО “НТ-МДТ СИ”, ООО “БАРИ-НН”, и другие компании).