Разработка системы для оптической визуализации церебрального кровотока при проведении нейрохирургических вмешательств

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 проекта 22-65-00096

НазваниеРазработка системы для оптической визуализации церебрального кровотока при проведении нейрохирургических вмешательств

Руководитель Кузнецов Сергей Львович, Доктор медицинских наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Министерства здравоохранения Российской Федерации (Сеченовский Университет) , г Москва

Конкурс №75 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (междисциплинарные проекты)

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

Ключевые слова церебральный кровоток, гистофизиология ЦНС, нейрохирургия, лазерная спекл-контрастная визуализация

Код ГРНТИ76.13.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Исследование микроциркуляции кровотока ЦНС и ее отклонений от нормы является одной из важнейших проблем современной нейронауки. Во многом это обусловлено тем, что многие заболевания центральной нервной системы вызывают функциональные и моpфологические изменения в микроциркуляторном русле. Такие повреждения составляют основу развития стресс-индуцированных заболеваний, таких как острое нарушение мозгового кровообращения (ОМНК) по ишемическому и геморрагическому типам. В настоящее время изучение особенностей микроциркуляции представляет собой сочетание морфологических и функциональных методов анализа. Инвазивные методы, в том числе на аутопсийном и биопсийном матеpиалах, имеют ряд недостатков, связанных с определением состояния интрамуральных сосудов преимущественно на поперечных и косых срезах, а также трудностями пpи исследовании одновременно сосудов гемо- и лимфоциpкуляции. Морфологические исследования микроциркуляции отражают ее состояние только в конкретной точке без динамики процесса. К наиболее эффективным неинвазивным методам определения основных параметров микpоциркуляции относятся методы, основанные на динамическом рассеянии света (доплеровская флоуметpия, интpавитальная микpоскопия, диффузионно-волновая спектроскопия, спекл-визуализация и др.), и методы оптической когерентной томографии. Многие перечисленные методы имеют существенные ограничения: недостаточно высокое пространственное и временное разрешение, ограниченность информации о потоке частиц, особенно по глубине биоткани, инвазивность измерений и др. Совмещение методов динамического рассеяния света и микроскопии позволяет получить эффективный инструмент для определения параметров микpоциркуляции. Предполагая анализ флуктуационной составляющей интенсивности лазерного излучения, рассеянного зондируемым объектом, эти методы базируются на совокупности результатов, полученных в статистической оптике и оптике случайно-неоднородных сред. На сегодняшний день остро стоит вопрос о создании системы визуализации, которая была бы удобна в обращении и могла быть адаптирована к рутинным процедурам нейрохирургии. Одним из методов, который мог бы лечь в основу системы, является лазерная спекл-контрастная визуализация (ЛСКВ). Развитие этого метода в нейрохирургии происходит на уровне доклинических и пробных клинических экспериментов без включения в процесс операции, формализации протоколов и обоснования предикторов осложнений при ОНМК на основе измеренных параметров. Технология ЛСКВ последние годы получает распространение при проведении исследования в различных областях медицины, начинают появляться опытные образцы ЛСКВ систем. В значительной степени данные системы направлены на анализ перфузии кожи. Проведены исследования по применению ЛСКВ для анализа церебрального кровотока, значительная часть которых проведена исключительно на модельных животных, а системы визуализации находятся на разных стадиях реализации. В связи с этим на данный момент системы ЛСКВ далеки от внедрения в практику нейрохирурга. В рамках реализации проекта будет предложена конструкция и технология микрофлюидной системы, используемой в качестве фантома биоткани. Он будет имитировать процессы гемодинамики, а также оптические свойства. Научная новизна проекта состоит в создании технического комплекса, протоколов применения и методов обработки сигнала для интраоперационной визуализации церебрального кровотока на основе лазерной спекл-контрастной визуализации, которая предоставит хирургу возможность непрерывно получать тактическую информацию о кровотоке без необходимости внесения контрастных препаратов и длительных перерывов на диагностические процедуры. Актуальность проекта обуславливается необходимостью развития методов анализа церебрального кровотока с целью снижения риска инвалидизации и смертности в нейрохирургии.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ставцев Д.Д., Коновалов А.Н., Блинова Е.В., Пьявченко Г.А., Голоднев Г.Е., Залогин С.Д., Горина А.В., Лапин К.Н., Вагнер С.А., Гребенев Ф.В., Меглинский И.В., Герасименко А.Ю., Телышев Д.В., Кузнецов С.Л. Laser Speckle Contrast Imaging for Intraoperative Monitoring of Cerebral Blood Flow Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Vol. 86, Suppl. 1, pp. S229–S233 (год публикации - 2022)
10.3103/S1062873822700733

2. Вагнер С.А., Горина А.В., Коновалов А.Н., Гребенев Ф.В., Телышев Д.В. Моделирование гемодинамики в гигантской церебральной аневризме Медицинская техника, № 6 (336), стр. 22-25 (год публикации - 2022)

3. Коновалов А.Н., Гаджиагаев В.С., Гребенев Ф.В., Ставцев Д.Д., Пьявченко Г.А., Герасименко А.Ю., Телышев Д.В., Меглинский И.В., Элиава Ш.Ш. Laser Speckle Contrast Imaging in Neurosurgery: A Systematic Review World Neurosurgery, Volume 171, March 2023, Pages 35-40 (год публикации - 2023)
10.1016/j.wneu.2022.12.048

4. Кудрявцева В.А., Кузьмин Е.А., Моисеева А.В., Обельчакова М.С., Синицына П.А., Филистович Т.И., Карташкина Н.Л., Пьявченко Г.А., Голубев А.М., Кузнецов С.Л. Молекулярные и морфологические маркеры гибели нейронов при острых нарушениях мозгового кровообращения Сеченовский вестник, Том 13, № 4, стр. 18-32 (год публикации - 2023)
10.47093/2218-7332.2022.13.4.18-32

5. Галястов А.А., Ставцев Д.Д., Козлов И.О., Коновалов А.Н., Герасименко А.Ю., Телышев Д.В. Определение параметров потока рассеивающей жидкости в микрофлюидном фантоме кровеносных сосудов на основе лазерной спекл-контрастной визуализации Медицинская техника, № 2, с. 36-39 (год публикации - 2023)
10.1007/s10527-023-10283-x

6. Коновалов А.Н., Гребенев Ф.В., Савинков Р.С., Гребенников Д.С., Желткова В.В., Бочаров Г.А., Телышев Д.В., Элиава Ш.Ш. Mathematical Analysis of the Effectiveness of Screening for Intracranial Aneurysms in First-Degree Relatives of Persons with Subarachnoid Hemorrhage World Neurosurgery, Volume 175, July 2023, Pages e542-e573 (год публикации - 2023)
10.1016/j.wneu.2023.03.138

7. Сдобнов А., Пьявченко Г.А., Быков А., Меглинский И.В. Advances in Dynamic Light Scattering Imaging of Blood Flow Laser & Photonics Reviews, 2300494 (год публикации - 2023)
10.1002/lpor.202300494

8. Соколов А.Ю., Волынский М.А., Потапенко А.В., Юркова П.М., Зайцев В.В., Нипполайнен Э.А., Камшилин А.А. Duality in response of intracranial vessels to nitroglycerin revealed in rats by imaging photoplethysmography Scientific Reports, 13, 11928 (год публикации - 2023)
10.1038/s41598-023-39171-w

9. Подолян Н.П., Агафонова И.Г., Нипполайнен Э.А., Ромашко Р.В., Кузнецов С.Л., Завестовская И.Н., Камшилин А.А. Imaging Photoplethysmography in Green Light for Assessment of Cerebral Hemodynamics Through an Intact Skull Bulletin of the Lebedev Physics Institute (год публикации - 2024)

10. Сурков Ю., Тимошина П., Серебрякова И., Ставцев Д., Козлов И., Пьявченко Г., Меглинский И., Коновалов А., Телышев Д., Кузнецов С., Генина Е., Тучин В. Laser Speckle Contrast Imaging with Principal Component and Entropy Analysis: A Novel Approach for Depth-Independent Blood Flow Assessment Frontiers of Optoelectronics (год публикации - 2024)
10.1007/s12200-024-00143-1

11. Коновалов А., Гребенев Ф., Ставцев Д., Козлов И., Гаджиагаев В., Пьявченко Г., Телышев Д., Герасименко А., Меглинский И., Залогин С., Артемьев А., Голоднев Г., Шумейко Т., Елиава Ш. Real-time laser speckle contrast imaging for intraoperative neurovascular blood flow assessment. Animal experimental study Scientific Reports, 14, 1735 (год публикации - 2024)
10.1038/s41598-023-51022-2

12. Подолян Н.П., Агафонова И.Г., Нипполайнен Э., Ромашко Р.В., Кузнецов С.Л., Завестовская И.Н., Камшилин А.А. Визуализирующая фотоплетизмография в зеленом свете для оценки церебральной гемодинамики через интактный череп Краткие сообщения по физике ФИАН, №1, стр. 22-30 (год публикации - 2024)

13. А. Сдобнов, В. Цицарев, Г. Пьявченко, А. Быков, И. Меглинский Beyond life: Exploring hemodynamic patterns in postmortem mice brains Journal of Biophotonics, Jul;17(7):e202400017 (год публикации - 2024)
10.1002/jbio.202400017

14. Жеребцов Е., Сдобнов А., Сьери О., Каакинен М., Эклунд Л., Мыллыла Т., Быков А., Меглинский И. Enhancing Transcranial Blood Flow Visualization with Dynamic Light Scattering Technologies: Advances in Quantitative Analysis Laser and Photonics Reviews, September, 2401016 (год публикации - 2024)
10.1002/lpor.202401016

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Изучены особенности церебрального кровотока методом интраоперационной ЛСКВ при нарушениях системной гемодинамики. В качестве провоцирующих воздействий было выбрано введение аденозина, модуляция сердцебиения водителем ритма и блокирование кровотока специальными нитями, введёнными в крупные сосуды. Получены данные о патофизиологии нарушения венозного кровоснабжения головного мозга в ходе экспериментов in vivo у лабораторных песчанок и исследованы нарушения в мозговом кровотоке, связанных с падением артериального давления крупного млекопитающего (свиньи). 2. Для изучения гемодинамики сформированы выборки КТ-ангиографии и флуоресцентной ангиографии. Проведено совмещение выборок интраоперационной видеорегистрации и ангиографии для дальнейшего решения задач машинного обучения. Проанализированы результаты КТ-ангиографии пациентов с церебральной аневризмой. Изображения классифицированы на несколько групп для дальнейшего изучения влияния различных факторов на рост и риск разрыва. 3. В результате работы была обучена модель машинного обучения, которая осуществляет совмещение модальности ЛСКВ и видеопотока на основе сегментации операционного поля. С точки зрения скорости регистрации перфузионных карт, программный код был адаптирован для использования технологии CUDA и графического процессора. Это позволило высвободить необходимое машинное время для совмещения ЛСКВ и видеопотока и дополнительной обработки сигнала. Была усовершенствована конструктивная часть прототипа системы ЛСКВ, интегрированной в операционный микроскоп. Все компоненты лазерной системы были размещены в едином корпусе системы, закреплённом на микроскопе, что позволило повысить эргономичность системы, а также удобство её размещения и использования в операционной. 4. Была отработана технология создания фантома реального сосуда с аневризмой из полидиметилсилоксана. Для имитации статического рассеяния в биологических тканях в силиконовую основу добавлялся порошок диоксида титана. Выполнено математическое моделирование в модели сосуда. Проведены стендовые испытания на фантоме методом ЛСКВ. Характер кровотока, полученный методом ЛСКВ и в результате компьютерного моделирования, схож. Отработана технология получения фантома реального сосуда с тонкой стенкой методом послойного погружения.

Публикации