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 24-75-00144
НазваниеТехнология комплексной диагностики патологических состояний слизистой оболочки рта и тканей верхнечелюстных пазух на основе методов флуоресцентной визуализации и цифровой диафаноскопии
РуководительБрянская Екатерина Олеговна, 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 | 07.2024 - 06.2026 |
Конкурс№97 - Конкурс 2024 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-602 - Физические методы медицинской диагностики. Томография
Ключевые словаОптическая диагностика, цифровая диафаноскопия, флуоресцентная визуализация, отоларингология, верхнечелюстные пазухи, картина рассеяния света, стоматология, ротовая полость, машинное обучение, ФАД, флавопротеины, гибель клеток, фибробласты, опухолевые клетки
Код ГРНТИ76.13.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на разработку метода и устройства комплексной оптической диагностики, включающего канал цифровой диафаноскопии для диагностики патологических состояний тканей верхнечелюстных пазух (гнойное содержимое, кистозная жидкость, опухолевые растяжения, и др.) и канал флуоресцентной визуализации для диагностики патологических состояний слизистой оболочки рта (например, плоскоклеточный рак слизистой полости рта, потенциально злокачественные заболевания полости рта и др.). Разработанная в рамках данного проекта технология комплексной диагностики может быть применена как в рамках скрининга здоровья населения (для раннего выявления наличия патологии), так и в рамках диагностики и контроля эффективности назначаемой терапии в отоларингологии, ЛОР-онкологии и стоматологии, а также в телемедицине для диагностики населения удалённых регионов вдали от специалистов высокой квалификации.
Ожидаемые результаты
Результатом проекта станет разработка новой технологии в виде метода и устройства комплексной оптической диагностики патологий слизистой оболочки рта и тканей верхнечелюстных пазух на основе применения двух методов биофотоники – флуоресцентной визуализации и цифровой диафаноскопии, а также формирование методических рекомендаций по осуществлению разработанной скрининг-диагностики в учреждениях практического здравоохранения (стоматологических кабинетах, как в смотровых кабинетах, так и в кабинетах терапевта и гигиениста стоматологического, например в рамках первичного осмотра, а также в онкологических отделениях, например в рамках приёма специалиста ЛОРа-онколога головы и шеи). В ходе реализации проекта будут получены следующие результаты:
1) Проведены исследования интенсивности автофлуоресценции флавинадениндинуклеотида (ФАД) и выявлены внутриклеточные источники высокого уровня автофлуорсеценции в клетках разного типа (здоровые и патологические фибробласты, опухолевые клетки), а также проведена оценка клеточной гибели для верификации дальнейших результатов экспериментальных исследований in vivo слизистой оболочки рта с применением канала флуоресцентной визуализации разрабатываемого устройства;
2) Обоснованы специализированные медико-технические требования (МТТ), предъявляемые к каналу флуоресцентной визуализации разрабатываемого устройства, а именно – длины волн и интенсивности оптического излучения для возбуждения автофлуоресценции ФАД, адаптированному к исследованиям слизистой ротовой полости. При этом, пороговые значения интенсивности излучения будут обоснованы за счёт проведённой оценки автофлуоресценции ФАД клеточных культур в зелёно-синем спектре. В частности, будет проведено сравнение уровня интенсивности автофлуоресценции ФАД клеток разного типа (фибробласты кожи и опухолевые клетки) и в различном физиологическом состоянии. Опираясь на ранее полученные нами результаты и литературные сведения, планируется получить данные, показывающие, что фибробласты кожи, готовящиеся к гибели, обладают интенсивностью автофлуоресценции ФАД выше, чем клетки в нормальном состоянии. При этом известно, что клетки, находящиеся в процессе малигнизации (преобразования из нормального состояния в раковое) характеризуются началом метаболического перепрограммирования и обладают интенсивностью автофлуоресценции ниже, чем здоровые клетки, а опухолевые клетки – сверхнизким уровнем автофлуоресценции ФАД. Таким образом, полученные данные позволят обосновать уровень интенсивности излучения, достаточный для обнаружения опухолевых клеток (с низкой интенсивностью), а также пороговый уровень интенсивности излучения, позволяющий выявлять клетки с нарушениями в метаболизме, готовящиеся к гибели (с высокой интенсивностью).
Кроме того, будет проведено численное моделирование методом Монте-Карло распространения оптического излучения в тканях ротовой полости при возбуждении автофлуоресценции ФАД, что позволит обосновать длины волн зондирования и диагностический объём, а также, опираясь на полученные данные при исследовании клеточных культур, будут подтверждены обоснованные пороговые значения интенсивности оптического излучения с точки зрения безопасности для глаз и кожи пациентов.
Исполнителем проекта будет являться студент бакалавриата специальности 19.03.01 Биотехнология, лаборант Лаборатории клеточной физиологии и патологии НТЦ биомедицинской фотоники ОГУ имени И.С. Тургенева Ветрова Екатерина Александровна. Студент обладает практическими навыками работы с клеточными культурами, тканями и организмами. Е.А. Ветрова являлась победителем регионального этапа Всероссийского конкурса научно-технологических проектов ОЦ Сириус «Большие вызовы 2021», призёром муниципального этапа Всероссийской олимпиады школьников по экологии.
3) Разработано устройство комплексной диагностики патологических состояний слизистой оболочки рта и тканей верхнечелюстных пазух на основе методов флуоресцентной визуализации и цифровой диафаноскопии. При этом будет модернизировано ранее разработанное командой проекта устройство цифровой диафаноскопии. При модернизации устройства дополнительный диагностический канал флуоресцентной визуализации будет включать: микросветодиоды в синем спектре (~450 нм (~0.5 мВт), например, SHANZON SMD 0603 BLUE) в качестве канала зондирования, и микрокамеру (например, LANTRONIX Open-Q IMX258), в качестве канала регистрации. Кроме того, канал цифровой диафаноскопии будет модернизирован с точки зрения уточнения диаграммы рассеяния светоизлучающих диодов.
4) Применяя разработанное устройство, включающее в себя два диагностических канала (цифровой диафаноскопии и флуоресцентной визуализации), будет получен массив экспериментальных данных, зарегистрированных с участием условно-здоровых добровольцев (не менее 30 человек, средний возраст около 50 лет) и пациентов стоматологического, онкологического и оториноларингологического профилей (не менее 30 человек, средний возраст около 50 лет). Массив данных будет представлять собой зарегистрированные изображения интенсивности флуоресценции биологических тканей ротовой полости и картины рассеяния света (диафанограммы) верхнечелюстных пазух, а также рассчитанные на их основе комплексные диагностические критерии. Данные с участием пациентов будут набраны на базе оториноларингологического и онкологического отделений, отделения заболеваний слизистой полости рта Университетской клиники Московского государственного медико-стоматологического университета (МГМСУ) имени А.И. Евдокимова, а также бюджетного учреждения здравоохранения Орловской области «Орловский онкологический диспансер» и клинике «Стоматолог 32» города Орла, с которыми у научно-технологического центра биомедицинской фотоники ОГУ имени И.С. Тургенева установлены долголетние партнёрские отношения (оформлены соответствующие Соглашения о сотрудничестве). В отношении планируемых исследований будет получено разрешение локального комитета по этике МГМСУ имени А.И. Евдокимова. При этом консультантом проекта со стороны медицины будет являться к.м.н., член Российского общества оториноларингологов, врач-оториноларинголог, ассистент кафедры оториноларингологии МГМСУ имени А.И. Евдокимова Анна Васильевна Бакотина (https://clinic.msmsu.ru/staff/nashi-sotrudniki/bakotina-anna-vasilevna/), с которой у членов коллектива имеются долгосрочные партнёрские отношения. А именно, совместно с А.В. Бакотиной была проведена апробация метода и устройства цифровой диафаноскопии для диагностики патологий верхнечелюстных пазух (было обследовано 25 пациентов). Полученная диагностическая информация применялась для уточнения диагноза пациентов оториноларингологического отделения. Также совместно с А.В. Бакотиной был опубликован ряд статей в рецензируемых журналах (в том числе Q1).
5) В качестве одного из ключевых результатов проекта будет выступать модель классификации на основе свёрточных нейронных сетей, применённых к изображениям, зарегистрированным с помощью двух диагностических каналов – цифровой диафаноскопии и флуоресцентной визуализации, с целью бинарной классификации состояния слизистой оболочки рта на классы наличия или отсутствия патологии, и дифференциации различных патологий тканей верхнечелюстных пазух. Ранее командой проекта были получены предварительные данные по применению свёрточных нейронных сетей для бинарной классификации состояния тканей верхнечелюстных пазух, показавшие высокие точностные характеристики (чувствительность – 0,82 и специфичность – 0,92), однако в связи с небольшой выборкой экспериментальных данных, в настоящий момент нельзя утверждать об адекватности такой модели классификации. Исходя из этого, будет набраны новые экспериментальные данные как на пациентах ЛОР-профиля с помощью метода цифровой диафаноскопии для дифференциации различных патологий тканей верхнечелюстных пазух, так и на пациентах стоматологического и онкологического профилей с помощью метода флуоресцентной визуализации для бинарной классификации состояния слизистой оболочки рта. Таким образом, результатом настоящего проекта будет являться разработка системы поддержки принятия врачебных решений (СППВР).
Предлагаемые диагностические методы могут быть внедрены в медицинскую практику в стоматологические отделения как в смотровые кабинеты, так и в кабинеты терапевта и гигиениста стоматологического, а также онкологические отделения, например в рамках приёма специалиста ЛОРа-онколога головы и шеи. Также разработанная в рамках данного проекта технология диагностики может быть применена в оториноларингологии, при скрининге здоровья населения, а также в телемедицине при исследовании пациентов удалённых регионов вдали от врачей высокой квалификации. При этом актуальность применения разрабатываемого метода и устройства в условиях телемедицины обусловлена тем, что наблюдается ежегодное увеличение количества телемедицинских комплексов в РФ. Применение разработанного подхода для мониторинга эффективности проводимых терапевтических мероприятий позволит минимизировать риск перехода потенциально злокачественных заболеваний тканей ротовой полости (предраковых заболеваний) в злокачественные заболевания (плоскоклеточный рак слизистой оболочки).
Результаты, которые планируется получить, будут новаторскими и оригинальными, будут представлены на международных конференциях и опубликованы в международных научных журналах с высоким импакт-фактором.
Полученные в ходе осуществления проекта результаты могут быть переданы индустриальным партнерам для совершенствования устройств оптической неинвазивной диагностики, в том числе могут быть внедрены в производство компании ООО «ДиафаноСкан», созданной руководителем проекта в рамках ранее реализованного инновационного проекта СТАРТ-ЦТ (https://rosrid.ru/nioktr/detail/2KD31DJ115OAIRFRBL5CJEKA). Таким образом, будет решена задача импортозамещения и производства передовой медицинской техники для нужд практического здравоохранения. Проведение предложенных научных исследований позволит получить и развить компетенции, способные в дальнейшем обеспечить развитие высокотехнологичного конкурентоспособного медицинского оборудования в РФ.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ