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 19-79-10212
НазваниеМультиспектральные методы контроля процесса криодеструкции биологических тканей на основе использования сапфировых аппликаторов
РуководительДолганова 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
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 09 - Инженерные науки, 09-609 - Автоматизированные комплексы для биологии и медицины
Ключевые словаКриохирургия; криоаппликаторы и криозонды; поверхностная и внутритканевая криодеструкция; профилированные кристаллы сапфира; оптические методы визуализации; упругое светорассеяние в биологических тканях
Код ГРНТИ29.03.31
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Одним из методов разрушения патологических и аномальных участков биологических тканей, в том числе злокачественных новообразований, является их криодеструкция за счет использования низкотемпературного воздействия, которое сопровождается заморозкой ткани и последующим образованием некроза. Криодеструкция предполагает использование специальных охлаждаемых инструментов (криоаппликаторов и криозондов), контактирующих с тканью, а также осуществление контроля процесса за счет визуализации границ области заморозки или за счет анализа температуры в различных точках ткани. Контроль за зоной воздействия необходим для предотвращения разрушения окружающих тканей и для обеспечения полной заморозки требуемой области. В современной криохирургии он осуществляется с помощью дополнительных методов и оборудования (магнитно-резонансной и компьютерной томографии, использования ультразвукового имиджинга, термометрии ткани и инструмента). С одной стороны, эти методы усложняют проведение процедуры и повышают ее стоимость, с другой стороны, не позволяют оценить эффективность криовоздействия, поскольку не дают информацию об изменении состояния ткани (возникновение некроза, отека и состояний, приводящих впоследствии к некрозу) в процессе и после применения холода. Поэтому проблема контроля процесса криодеструкции и анализ изменений состояния и структуры биологической ткани в процессе воздействия является актуальной для современных методов криохирургии.
Для решения указанной проблемы предлагается использовать методы оптической диагностики в комбинации с криоаппликаторами на основе профилированных кристаллов сапфира. В ходе выполнения Проекта 2019 было показано, что наиболее перспективным оптическим методом для мониторинга криодеструкции является анализ диффузно рассеянного излучения с пространственным разделением положений источника и детектора. Применение такого подхода для оценки глубины промерзания ткани успешно продемонстрировано в результате выполнения Проекта 2019. Однако, определение поглощающих и рассеивающих свойств среды, диэлектрических параметров, которые можно реализовать с помощью данного метода и решения обратной задачи, открывают новые возможности по контролю состояния ткани в процессе криодеструкции. Преимуществами такого подхода является неинвазивность диагностики и возможность проведения анализа с использованием только аппликатора непосредственно в области контакта. Эту возможность обеспечивают сапфировые аппликаторы, прозрачные для оптического излучения и соответствующие всем требованиям, предъявляемым к инструментам для криохирургии. Такой подход позволяет разработать компактные инструменты, которые совмещают функцию криовоздействия, мониторинг глубины промерзания ткани и контроль ее состояния.
Целью проекта является разработка метода мониторинга процесса криодеструкции и анализа изменений состояния и структуры биологической ткани в процессе воздействия и непосредственно после него с помощью криоаппликаторов на основе профилированных кристаллов сапфира. Ее достижение предполагает решение ряда теоретических, технических и экспериментальных задач и включает работы в направлениях:
1) разработки метода исследования и оценки изменений оптических свойств тканей, происходящих в процессе и по завершении приложения к ним низких температур, на основе сапфирового аппликатора с функцией оптического мониторинга;
2) разработки конструкции и электронной оснастки сапфирового аппликатора с оптическим мониторингом процесса криодеструкции и состояния объекта.
Решение задач Проекта позволит повысить управляемость метода криодеструкции и криохирургии в целом, поскольку позволит не только определять глубину промерзания, но и эффективность приложения низких температур с помощью одного инструмента. Результаты проекта в виде метода мониторинга состояния ткани и криоаппликатора, реализующего этот метод, будут способствовать развитию криохирургии и более широкому применению ее методов в клинической практике.
Ожидаемые результаты
В результате решения задач в рамках обозначенных направлений будут получены научные результаты, включающие новые методы и инструменты для проведения и мониторинга процесса криодеструкции биологических тканей.
1. В направлении разработки метода исследования и оценки изменений оптических свойств тканей, происходящих в процессе и по завершении приложения к ним низких температур, на основе сапфирового аппликатора с функцией оптического мониторинга планируется получить следующие результаты:
1.1. Будет определена связь оптических параметров тканей с их некрозом, образованным в результате кридеструкции.
1.2. На основе метода численного решения уравнения переноса излучения будет получена оценка диффузно рассеянного излучения в условиях наличия областей некроза, отека, частичной заморозки и других неоднородностей.
1.3. Будет разработан алгоритм определения наличия или отсутствия некроза, а также обратимых и необратимых изменений в тканях по регистрируемым значениям интенсивности диффузно рассеянного излучения.
1.4. Будет разработан метод оптического мониторинга состояния ткани в процессе криодеструкции с помощью сапфировых аппликаторов.
2. В направлении разработки конструкции и электронной оснастки сапфирового аппликатора с оптическим мониторингом процесса криодеструкции и состояния объекта планируется получить следующие результаты:
2.1. Будет разработана принципиальная схема оптико-электронного модуля аппликатора для мониторинга процесса криодеструкции, а также получены характеристики основных узлов.
2.2. Будет создана и протестирована программа для управления оптико-электронным модулем для автоматизации измерений интенсивности диффузно рассеянного излучения с помощью сапфирового криоаппликатора.
2.3. Будет разработан экспериментальный образец криоаппликатора для мониторинга состояния ткани в процессе криодеструкции.
2.4. Будет разработан и апробирован алгоритм и его программная реализация для обработки регистрируемых сигналов оптического отклика анализируемой среды.
НАУЧНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И НОВИЗНА ЗАЯВЛЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
В результате выполнения Проекта 2019 было проведено сравнение различных методов исследования биологических тканей на основе оптического излучения с точки зрения их применимости и эффективности для анализа глубины промерзания тканей в процессе их криодеструкции. Разработанный метод анализа диффузно рассеянного излучения при многоканальной реализации в комбинации с криоаппликатором на основе профилированного сапфира продемонстрировал наибольшую эффективность с точки зрения возможной глубины зондирования, быстродействия, а также возможности его реализации в виде компактной установки. Более того, данный метод мониторинга можно реализовать непосредственно с помощью криоаппликатора, если в качестве него использовать специально разработанные аппликаторы на основе профилированных кристаллов сапфира. При этом альтернативные методы мониторинга процесса криодеструкции на основе магнитно-резонансной и компьютерной томографии, ультразвуковой визуализации и термометрии, которые применяются в настоящее время [1-10] уступают разработанному методу, поскольку требуют использования дополнительных датчиков, дорогостоящего оснащения медицинских учреждений, использование дополнительного персонала, а также не всегда обеспечивают нужную точность визуализации айсбола (ледяного шара).
Как показали результаты Проекта 2019, актуальны несколько направлений развития и модификации данного метода, которые и будут рассмотрены в Проекте 2022.
Во-первых, как известно, эффективность криодеструкции как метода разрушения аномальных участков ткани зависит от области формирования крионекроза, которая должна включать полностью патологический участок и максимально не затрагивать окружающие интактные ткани [11-16]. При этом процесс формирования крионекроза в настоящее время не контролируется, а все применяющиеся методы мониторинга криодеструкции подразумевают лишь визуализацию границ области айсбола [11,17]. Часто такой визуализации бывает не достаточно, поскольку на образование крионекроза влияет не только объем замороженной ткани, но и скорость роста айсбола, величина которой которой зависит от конкретных особенностей ткани. Оценка эффективности криодеструкции либо может включать инвазивный гистологический анализ ex vivo, либо визуализацию последствий образования айсбола через некоторое время (дни и недели). В то же время, в процессе воздействия низких температур происходит ряд изменений в ткани: образование льда в межклеточном и внутриклеточном пространстве, отека, изменения содержания воды и размеров клеток и др. Эти изменения непосредственно влияют на оптические параметры среды – показатель преломления, коэффициенты поглощения и рассеяния, параметр анизотропии рассеяния [18]. Анализ диффузно рассеянного излучения позволяет проводить оценку не только глубины замороженного слоя, но и изменения оптических параметров среды [19-21]. Поэтому на его основе можно разработать метод мониторинга состояния ткани, определив набор маркеров для оценки изменений и реализовав их измерение в процессе криоаппликации.
Таким образом, будет разработан новый неинвазивный метод мониторинга состояния ткани, который будет способствовать повышению управляемости метода криодеструкции и криохирургии в целом, поскольку позволит не только определять глубину промерзания, но и эффективность приложения низких температур. Стоит также отметить новизну результатов в области связи оптических параметров среды с возникающим в ней крионекрозом (оптические маркеры крионекроза), которые могут лечь в основу других методов и подходов для медицинской диагностики и терапии, а также использованы в исследовательских и прикладных целях.
Во-вторых, существует возможность модификации использованной в Проекте 2019 схемы для реализации метода мониторинга криодеструкции. Переход к стационарному режиму, при котором не используется модуляция источника в области МГц частот, позволит существенно упростить оптико-электронную оснастку, отказаться от использования системы Oxiplex TS (ISS), сохраняя возможность анализа оптических параметров среды на основе регистрации интенсивности диффузно рассеянного отклика среды [19]. Разработка альтернативной схемы и ее реализация в комбинации с сапфировым криоаппликатором позволит не только сократить стоимость криоаппликатора в целом, но и приблизит разработанный метод и инструмент к созданию прототипа, доклиническим и клиническим исследованиям с последующим внедрением в практику. Отдельно стоит отметить, что разрабатываемая схема сможет найти свое применение и в других задачах, в основе которых лежит метод анализа диффузно рассеянного отклика среды. Использование сапфира в качестве материала для аппликатора определяет не только возможность проведения измерений оптических параметров непосредственно через контактную поверхность аппликатора, но и значительно улучшает эксплуатационные характеристики инструмента, поскольку сапфир по сравнению с металлическими аппликаторами обладает большей механической прочностью, химической и термической стойкостью, обеспечивает при прочих равных условиях более низкие температуры ткани и большую скорость охлаждения [22]. В итоге будет разработан экспериментальный образец нового медицинского инструмента для криохирургии, возможности которого будут превосходить существующие аналоги.
ВОЗМОЖНОСТЬ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ
В результате выполнения Проекта 2022 будет изготовлен прототип криоаппликатора на основе профилированного кристалла сапфира, который в перспективе может способствовать решению важных проблем современных методов криохирургии и повысить их эффективность и дальнейшее внедрение в практику. Результаты Проекта позволят приблизить разработку сапфировых криоаппликаторов к исследованиям в условиях клиники, их дальнейшей сертификации. Создание альтернативной схемы для реализации измерений диффузно рассеянного отклика среды может быть использована не только для анализа процесса криодеструкции тканей, но и иметь более широкое применение для целей разработки методов оптической диагностики злокачественных новообразований. Это подтверждает практическую и социальную значимость проекта.
ПРЕДПОСЫЛКИ УСПЕШНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА
Задачи проекта носят междисциплинарный характер, поэтому коллектив исполнителей включает специалистов в области физики, технических наук, биологии и медицины. Молодежный коллектив имеет опыт опубликования работ в высокорейтинговых изданиях из перечня Q1 и Q2 по данным Web of Science / Scopus, в том числе 4 научные статьи в журналах из перечня Q1 были опубликованы в результате выполнения Проекта 2019 [23-26], одна работа подготовлена и находится на рассмотрении [27]. Результаты проекта будут соответствовать современному мировому уровню в рассматриваемой области знаний.
[1] R. C. Ward, A. P. Lourenco, M. B. Mainiero, American Journal of Roentgenology 2019, 213, 3 716.
[2] I. G. Berim, A. I. Saeed, A. Awab,et al. Journal of Bronchology & Interventional Pulmonology 2017, 24, 2 170.
[3] M. Ahmed, J. Weinstein, J. Hussain, et al. Cardio Vascular and Interventional Radiology 2018, 41 298.
[4] J. Tokuda, L. Chauvin, B. Ninni, T. Kato, F. King, K. Tuncali, N. Hata, Physics in Medicine & Biology 2018, 63, 8 085010.
[5] K. Zhou, Z. Zhang, M. Figini, et al. Am. J. Transl. Res. 2018, 10, 5 1531.
[6] J. Pohlan, W. Kress, K.-G. Hermann, et al. Journal of Computer Assisted Tomography 2020, 44, 5 744.
[7] Y. Yang, Y. Li, Y. Wu, et al. Cryobiology 2020, 92 203.
[8] I. Jankovic, F. R. Poulsen, C. B. Pedersen, et al., Scientific Reports 2022, 12 1977.
[9] W. Fan, L. Niu, Y. Wang, et al. Oncotarget 2016, 7, 27 42639.
[10] T. Tokiwa, L. Zimin, H. Ishiguro, et al. IEEE Transactions on Biomedical Engineering 2019, 66, 11 3168.
[11] А.В. Шакуров и др., “Предпосылки для создания нового поколения криохирургического оборудования,” Современные технологии в медицине 2017, 9, 2 178-189.
[12] J. G. Baust, A. A. Gage, BJU International 2005, 95, 9 1187.
[13] A. A. Gage, J. Baust, Cryobiology 1998, 37, 3 171.
[14] A. Gage, J. Baust, J. Baust, Cryobiology 2009, 59, 3 229.
[15] K. F. Chu, D. E. Dupuy, Nature Reviews Cancer 2014, 14, 3 199.
[16] F. Yuan, G. Zhao, F. Panhwar, Oncotarget 2017, 8, 54 92561.
[17] N. N. Korpan, editor, Basics of Cryosurgery, Springer, Vienna, 2001
[18] V. V. Tuchin. Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical
Diagnostics, 3rd ed., vol. PM 254. Bellingham: SPIE Press; 2015.
[19] B. Hallacoglu, A. Sassaroli, S. Fantini, PLOS ONE 2013, 8, 5 1.
[20] S. Fantini, M. A. Franceschini, E. Gratton, J. Opt. Soc. Am. B 1994, 11, 10 2128.
[21] S. Y. Lee, C. Zheng, R. Brothers, E. M. Buckley, Biomed. Opt. Express 2019, 10, 10 5362.
[22] G. Katyba, K. Zaytsev, I. Dolganova, et al. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials 2018, 64, 4 133.
[23] A.K. Zotov, A.A. Gavdush, G.M. Katyba, et al., Journal of Biomedical Optics 2021, 24, 4 043003.
[24] G.M. Katyba, K.I. Zaytsev, I.N. Dolganova, et al., Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials 2021, 67, 100523.
[25] I.N. Dolganova, D.A. Varvina, I.A. Shikunova, et al. Lasers in Surgery and Medicine 2022, 54, 4 611-622.
[26] I.N. Dolganova, I.A. Shikunova, A.K. Zotov, et al., Journal of Biophotonics 2020, 13, 10 e202000164.
[27] I.N. Dolganova, A.K. Zotov, L.P. Safonova, I.V. Reshetov, K.I. Zaytsev, V.N. Kurlov, “Feasibility test of a sapphire cryoprobe with optical monitoring of tissue freezing,” Advanced Optical Materials, 2022 submitted.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
На первом этапе проекта, посвященного разработке метода мониторинга процесса криодеструкции и анализа изменений состояния и структуры биологической ткани в процессе криовоздействия с помощью аппликаторов на основе профилированных кристаллов сапфира, были выполнены работы по двум направлениям.
В направлении разработки конструкции и электронной оснастки сапфирового аппликатора с оптическим мониторингом процесса криодеструкции и состояния объекта была разработана функциональная схема сапфирового многоканального криоаппликатора. Оптический мониторинг объекта обеспечивается за счет анализа оптических параметров среды и их изменения во времени, для чего был выбрана методика, основанная на регистрации интенсивности диффузно рассеянного излучения и применения диффузионного приближения теории переноса излучения для анализа сигналов в стационарном режиме.
Разработанная схема предполагает четыре канала подсветки объекта, излучение источника вводится в каналы последовательно с помощью акустооптического дефлектора. Оптический отклик среды регистрируется с помощью одного приемного канала и детектора излучения – лавинного диода. Анализ сигнала осуществляется с помощью программируемой ПЛИС-платы. Излучение доставляется к объекту и регистрируется с помощью оптических волокон, расположенных внутри сапфирового зонда. Зонд частично располагается внутри резервуара с жидким азотом. Сапфировые криозонды обеспечивают высокую скорость охлаждения ткани и большой объем замороженной области (айсбола – ледяного шара). Для реализации концепции оптического мониторинга объекта непосредственно через контактную площадку криозонда без потери теплофизических свойств, зонд должен иметь сложный профиль сечения, что достигается за счет использования методик роста профилированных кристаллов из расплава на основе концепции Степанова – вариационного формообразования Edge-defined Film-fed Growth (EFG) и некапиллярного формообразования Non-Capillary Shaping (NCS). Макет аппликатора, реализующий данную схему, находится в процессе сборки.
Для оценки возможностей метода оптического мониторинга и изучения оптических параметров биологических тканей в процессе криодеструкции был собран упрощенный макет трехканального аппликатора с возможностью детектирования диффузно рассеянного оптического отклика объекта с пространственным разрешением. Макет состоит из источника излучения (лазерный диод, центральная длина волны 530 нм), сменных сапфировых многоканальных зондов двух видов, системы детектирования (два независимых спектрометра видимого диапазона, соединенных с ПК). Разработано оригинальное программное обеспечение для управления оптической частью аппликатора.
С помощью методик роста профилированных кристаллов из расплава изготовлены сапфировые зонды для упрощенного макета. С помощью методики EFG был выращен сапфировый цилиндр длиной 149 мм и диметром 12 мм с 9 сквозными каналами, три из которых используются в качестве рабочих. В них расположены оптические волокна, соединенные с источником и детекторами. Одноканальный зонд второго типа имеет длину 90 мм и внешний диаметр 4.8 мм. Во внутреннем канале зонда расположена цилиндрическая вставка из полилактида (PLA) с тремя сквозными каналами. Вставка изготовлена на 3D принтере и служит в качестве фиксатора оптических волокон на расстоянии 1.5 мм друг от друга. Зонд также изготовлен с помощью методики EFG: в качестве затравки для роста сапфировой трубки была использована сапфировая плоскопараллельная пластина толщиной 1.2 мм (впоследствии - торец зонда).
В направлении разработки метода исследования и оценки изменений оптических свойств тканей, происходящих в процессе приложения к ним низких температур, были получены результаты расчетов влияния оптических параметров ткани (показателя преломления и коэффициента рассеяния ткани в замороженном и незамороженном слое) на интенсивность диффузно рассеянного излучения и эффективные значения коэффициента ослабления двухслойной среды. Для расчета использовалось диффузионное приближение уравнения переноса излучения в рассеивающей среде. Оценка эффективного коэффициента ослабления выполнялась с помощью аппроксимации теоретически рассчитанных значений интенсивности диффузно рассеянного излучения на поверхности среды экспоненциальной зависимостью интенсивности от расстояния между каналами подсветки и детектирования. Продемонстрирован нелинейный характер изменения эффективного коэффициента ослабления излучения в среде от коэффициента рассеяния ткани в области айсбола. Показано, что эффективный коэффициент рассеяния (ослабления) среды является маркером структурных изменений в объеме замороженной ткани.
Были изготовлены фантомы биологических тканей, имитирующие последствия криодеструкции, на основе водного раствора интралипида с добавлением гемоглобина (в различной концентрации для имитации нарушения кровообращения) и воздействующего на белковую составляющую интралипида фермента (для имитации некроза при денатурации и агрегации интралипида). Получены характерные зависимости изменения оптических параметров фантомов при воздействии на них криоаппликатором и при имитации некроза. Показано, что оба процесса ведут к увеличению коэффициента рассеяния среды, что согласуется с появлением структурной неоднородности в объеме фантома. Предложена методика имитации некроза ткани и изменений, вызванных нарушенным кровообращением (гипоксией и ишемией).
Была изучена динамика изменения оптических параметров тканей in vivo в процессе криодеструкции, формирования некроза и отека, а также в результате одного и двух циклов заморозка-оттаивание. Показано, что при одном цикле криодеструкции происходит увеличение эффективного коэффициента рассеяния двуслойной среды, его дальнейший спад и последующее повторное увеличение. Образование двух максимумов связано с увеличение коэффициента рассеяния слоя замороженной среды и прохождением фронта кристаллизации уровня предельной глубины зондирования среды. Показано, что в процессе естественного медленного оттаивания ткани после криовоздействия эффективный коэффициент рассеяния образцов увеличивается, что, в свою очередь, подтверждает неравномерный характер оттаивания и возникновение некроза в ткани. В результате анализа изменения оптических параметров среды при повторном цикле криодеструции обнаружено, что, в отличие от первичного воздействия, эффективный коэффициент рассеяния снижается. Это с большой вероятностью свидетельствует об увеличении коэффициента рассеяния слоя замороженной среды и дальнейшего увеличения гетерогенности структуры ткани. В результате анализа оптических параметров среды при заморозке ткани до температуры выше порога образования крионекроза показано, что значение коэффициента рассеяния ткани меньше, чем при криодеструкции и имеет преимущественно тенденцию к уменьшению. Некроз в такой среде может возникать за счет гиперосмоляльности, однако спад коэффициента ослабления преимущественно обусловлен медленным и равномерным образованием льда в ткани. Все результаты экспериментов получены с помощью сапфировых криоаппликаторов.
Результаты работ частично освещены в СМИ: <https://nauka.tass.ru/nauka/16946355 >; <https://scientificrussia.ru/articles/sapfirovyj-kriozond-oblegcit-udalenie-zlokacestvennyh-opuholej >; <https://poisknews.ru/themes/medicine/udalenie-zlokachestvennyh-opuholej-oblegchit-sapfirovyj-kriozond/ >; <https://indicator.ru/medicine/sapfirovyi-kriozond-oblegchit-udalenie-zlokachestvennykh-opukholei-02-02-2023.htm >; <https://colab.ws/news/500 >; <https://news.rambler.ru/science/50141136-sapfirovyy-kriozond-oblegchit-udalenie-zlokachestvennyh-opuholey/ >; <https://www.inpharm.ru/novosti/2023/02/03/sapfirovyy-kriozond-oblegchit-udalenie-zlokachestvennyh-opuholey.html >; <https://profile.ru/news/znaj-nashih/rossijskie-uchenye-sozdali-sapfirovyj-kriozond-dlya-udaleniya-zlokachestvennyh-opuholej-1255898/ >.
Публикации
1. Долганова И.Н., Зотов А.К., Сафонова Л.П., Александрова П.В., Решетов И.В., Зайцев К.И., Тучин В.В., Курлов В.Н. Feasibility test of a sapphire cryoprobe with optical monitoring of tissue freezing Journal of Biophotonics, Vol. 16 (Issue 3), e202200288 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1002/jbio.202200288
2. Пушкарев А.В., Рябикин С.С., Зотов А.К., Цыганов Д.И., Курлов В.Н., Долганова И.Н. Comparison of Probe Materials for Tissue Cryoablation: Operational Properties of Metal and Sapphire Cryoprobes Journal of Biomedical Photonics & Engineering, 8(4), 040501 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.18287/JBPE22.08.040501
3. Зотов А.К., Долганова И.Н., Зайцев К.И., Шикунова И.А., Сафонова Л.П., Курлов В.Н. Monitoring of the ice ball formation during tissue cryosurgery using sapphire shaped crystals Abstracts the 29th International Conference on Advanced Laser Technologies, с. 123 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.24412/cl-35039-2022-22-123-123
4. - Создан сапфировый криозонд для удаления злокачественных опухолей ТАСС НАУКА, 02.02.2023 (год публикации - )
5. - САПФИРОВЫЙ КРИОЗОНД ОБЛЕГЧИТ УДАЛЕНИЕ ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ ОПУХОЛЕЙ Портал «Научная Россия», 02.02.2023 (год публикации - )
6. - Удаление злокачественных опухолей облегчит сапфировый криозонд ПОИСК, 02.02.2023 (год публикации - )
7. - Сапфировый криозонд облегчит удаление злокачественных опухолей Indicator, 02.02.2023 (год публикации - )
8. - Новый криозонд заморозит опухоль и позволит точно контролировать процесс CoLab, 02.02.2023 (год публикации - )
9. - Сапфировый криозонд облегчит удаление злокачественных опухолей Рамблер, 02.02.2023 (год публикации - )
10. - Сапфировый криозонд облегчит удаление злокачественных опухолей ИНФАРМ, 02.02.2023 (год публикации - )
11. - Российские ученые создали сапфировый криозонд для удаления злокачественных опухолей Профиль, 02.02.2023 (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
На втором этапе выполнения проекта продолжены исследования различных состояний ткани в результате криодеструкции с помощью сапфировых аппликаторов с функцией оптического мониторинга. Собран экспериментальный образец аппликатора и разработана программа для автоматизированного управления его оптико-электронным модулем, реализующим детектирование диффузно рассеянного от биологической ткани оптического излучения при использовании нескольких пространственно разделенных каналов подсветки и/или детектирования.
Продолжены исследования в области решения задачи получения сапфировых кристаллов для аппликатора. Была оптимизирована методика выращивания полого аппликатора с переходным трубчато-монолитным сечением при использовании автоматизированной системы управления процессом выращивания, для чего были получены аналитические выражения для изменения эквивалентного весового сигнала и его первой производной при использовании методики non-capillary shaping и переходе от трубчатой к монолитной форме сечения кристалла. Также оптимизирована методика получения сапфирового полого аппликатора малого внешнего диаметра (до 5 мм) с плоскопараллельным сапфировым дном для контакта с тканью, результатом применения которого является минимизация искажений оптического пучка при распространении через торец такого аппликатора. Показано, что применение полого аппликатора дает преимущество в скорости и объеме формирования айсбола в ткани по сравнению с монолитными сапфировыми и металлическими аппликаторами такого же внешнего размера.
Были продолжены исследования в направлении создания алгоритма обработки регистрируемых аппликатором пространственно разделенных интенсивностей диффузно рассеянного излучения после взаимодействия с биологической тканью для оценки ее оптических параметров (коэффициентов экстинкции, рассеяния и поглощения) и восстановления глубины замерзания в процессе криоаппликации. Использование анализа сигналов в стационарном режиме позволяет значительно упростить схему аппликатора и его основных узлов, однако накладывает дополнительное ограничение на решение обратной задачи. Получены аналитические выражения для диффузного оптического отклика среды и эффективного коэффициента экстинкции на основе применения диффузионного приближения теории переноса излучения, экспоненциальной аппроксимации пространственно разделенного сигнала интенсивности диффузного рассеяния и использования расширенного граничного условия для источника излучения и плоскопараллельной аппроксимации среды. Теоретически установлены границы применимости разработанного алгоритма. Восстановление параметров среды возможно с определенного уровня глубины ледяного фронта, соответствующего средней длине свободного пробега фотона в рассматриваемой среде. Максимальная глубина восстановления параметров среды связана с расстоянием между каналом источника и наиболее удаленным от него каналом детектора. Экспериментально в ходе апробации алгоритма была продемонстрирована максимальная глубина восстановления параметров среды, равная 8 мм для конфигурации аппликатора с наибольшим удалением между каналом источника и детектора, равным 8 мм.
Для проведения экспериментальных исследований разработаны фантомы биологических тканей и методики их получения. На основе теории эффективной среды были получены значения их оптических параметров, которые потом были подтверждены экспериментально. С помощью таких сред была исследована чувствительность аппликатора к изменению коэффициента поглощения и рассеяния, показателю преломления.
Проведена апробация разработанного аппликатора и алгоритма оценки параметров исследуемой среды. Была получена ошибка определения размера айсбола в ткани, не превышающая 1 мм. Дополнительно была проведена апробация криоаппликатора с использованием лабораторных животных in vivo (ткани печени), в результате которой были получены совпадения восстановленной глубины поражения ткани и измеренной после вывода животных из эксперимента.
Продолжены исследования изменения оптических параметров биологических тканей в результате процессов, вызванных криодеструкцией. Получены результаты анализа одного и двух циклов криодеструкции в тканях печени in vivo. Исследованы характерные временные зависимости изменения коэффициента экстинкции и показано, что второй цикл воздействия характеризуется более медленным характером изменения экстинкции в том же промежутке времени по сравнению с первым циклом. Также получена корреляция между наличием отека в ткани и увеличением показателя преломления в области воздействия. Проведены исследования изменения оптических параметров ткани в результате нарушения микроциркуляции. Применена методика выполнения имитации нарушенного кровообращения в мышечной ткани in vivo. Экспериментально получены значения коэффициента поглощения ткани в различные моменты времени после данного воздействия и сопоставлены с данными гистологических исследований образцов мышечной ткани, которые показали нарастание эффектов исчезновения поперечной исчерченности, появления контрактурных изменений, отёка, полнокровного расширения сосудов, периваскулярного скопления лимфоцитов, гистеоцитов и единичных нейтрофилов, волнообразного хода волокон. Показано, что увеличение коэффициента экстинкции после 15 минут наблюдений связано с ростом коэффициента рассеяния из-за структурных изменений в тканях. Экспериментально исследована связь изменения эффективных оптических параметров среды в случае наличия областей включения коагулированной ткани, характеризующихся уменьшенным коэффициентом поглощения, в зоне контакта аппликатора с тканью. Показана возможность дифференциации ткани в норме и при наличии включения с размерами от 2 мм в диаметре. Полученные результаты подтвердили возможность использования коэффициента экстинкции и поглощения в качестве маркера внутренних изменений тканей, таких как некроз, отек, контрактурные изменения.
В результате проведения численных исследований показано влияние кривизны ледяного фронта на интенсивность диффузно рассеянного излучения, регистрируемого каналами сапфирового аппликатора. В то же время экспериментально установлена зависимость оцениваемого коэффициента экстинкции от положения каналов аппликатора в случае большой кривизны границы айсбола. Также установлена связь между изменением оцениваемого эффективного коэффициента экстинкции и изменением показателя преломления ткани: увеличение показателя преломления в области воздействия приводит к уменьшению эффективного коэффициента экстинкции. В результате сопоставления данных гистологического анализа тканей печени после криовоздействия и решения обратной задачи по восстановлению оптических параметров ткани получена корреляция между наличием отека и увеличением показателя преломления.
Разработан метод классификации тканей на основе коэффициента ослабления и линейного дискриминантного анализа. Он был протестирован на выборке тканей в норме и при наличии патологии (опухоли), которая ведет к увеличению коэффициента экстинкции. Показана возможность дифференциации. Дополнительно метод апробирован на полученной выборке образцов тканей с наличием малых включений коагулированной ткани в зоне анализа.
Полученные результаты показали возможность применения разработанного сапфирового аппликатора для решения клинических задач, в частности, интраоперационного контроля процесса криодеструкции, а также изменения состояния ткани, вызванного как криодеструкцией, так и схожими воздействиями. Дальнейшие исследования разработанных аппликаторов, помимо продолжения исследования применимости их для контроля криодеструкции, будут направлены на создание метода интраоперационного контроля отека и гипоксии, а также определения неоднородностей ткани.
Публикации
1. А.К. Зотов, А.В. Пушкарев, А.И. Алексеева, К.И. Зайцев, С.С. Рябикин, Д.С. Циганов, Д.А. Жидков, И.А. Бурков, В.Н. Курлов, И.Н. Долганова Optical Sensing of Tissue Freezing Depth by Sapphire Cryo-Applicator and Steady-State Diffuse Reflectance Analysis Sensors, 24, 3655 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.3390/s24113655
2. А. С. Кучерявенко, И. Н. Долганова, Н. В. Черномырдин, А.А. Гавдуш, Д.Р. Ильенкова, Д.Д. Рыбников, В.М. Масалов, В.В. Тучин, К.И. Зайцев Фантом мягких тканей человека для терагерцовой визуализации и спектроскопии Оптика и спектроскопия, - (год публикации - 2024)
3. Долганова И.Н., Зотов А.К., Россоленко С.Н., Шикунова И.А., Шикунов С.Л., Долганов К.Б., Зайцев К.И., Курлов В.Н. Manufacturing of Sapphire Crystals with Variable Shapes for Cryosurgical Applications Crystals, vol. 14, No 4, p. 346 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.3390/cryst14040346
4. П.В. Александрова, К.И. Зайцев, П.В. Никитин, А.И. Алексеева, А.А. Небежев, В.И. Польшина, П.А. Каралкин, И.Н. Долганова Методы дифференциации тканей головного мозга крыс и модели глиомы 101.8 ex vivo при помощи оптической когерентной томографии Оптика и спектроскопия, - (год публикации - 2024)
5. Александрова П.В., Зайцев К.И., Никитин П.В., Алексеева А.И., Решетов И.В., Долганова И.Н. Feature analysis of OCT images for the diagnosis of brain glioma Сборник трудов конференции «International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT)», № 23, с. 109 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.24412/cl-35039-2023-23-109-109
6. Долганова И.Н., Зотов А.К., Шикунова И.А., Зайцев К.И., Курлов В.Н. Diffuse reflection based sapphire instruments for tissue characterization during ablation and resection Сборник трудов конференции «International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT)», № 23, с. 100 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.24412/cl-35039-2023-23-100-100
Возможность практического использования результатов
Полученные научные результаты показывают перспективность практического применения сапфировых аппликаторов для проведения контролируемой криодеструкции и оценки изменения состояния биологических тканей. Разработанный аппликатор и метод оптического мониторинга могут найти свое применение в медицине для удаления злокачественных новообразований различных нозологий и локализаций, заменив используемые в настоящее время металлические аппликаторы, а также для интраоперационного контроля нарушения микроциркуляции, возникновения отека, некроза и гипоксии тканей. Таким образом, полученные результаты могут быть использованы в пластической и трансплантационной хирургии, наряду с онкохирургией. Необходимо отметить малоинвазивность и компактность инструмента, что, несомненно, является преимуществом при внедрении в клиническую практику. Принимая во внимание возможность многократной стерилизации, отсутствие дефектов и повреждений поверхности при использовании сапфировых аппликаторов, стоит отметить также возможность многоразового их использования, что напрямую влияет на экономическую эффективность инструмента.
Полученные результаты являются основой для создания прототипа сапфирового криоаппликатора и дальнейших доклинических и клинических испытаний данного медицинского инструмента.