Разработка ученых поможет неинвазивно наблюдать кровоток в глубоких сосудах
Инновационный неинвазивный метод, улучшающий визуализацию кровеносных сосудов, расположенных под кожей и другими тканями, разработала международная команда ученых, 17 февраля сообщает пресс-служба Томского государственного университета (ТГУ).
Если существующие методы визуализации кровеносных сосудов имеют ограничения на глубину расположения сосуда в теле пациента, то новый метод их преодолевает, обеспечивая высокую точность (до 96%) оценки кровотока, независимо от его глубины.
Такая возможность наблюдать и контролировать кровоток дает мощный инструмент специалистам в нейрохирургии, трансплантации и диагностике сосудистой патологии, то есть в таких областях медицины, где высокая точность мониторинга кровотока очень важно. Используя новый метод, врачи смогут повысить качество диагностики и лечения.
Результаты исследования метода его разработчики представили в статье «Лазерная спекл-контрастная визуализация с энтропийным анализом главных компонент: новый подход к оценке кровотока, не зависящей от глубины кровотока» (Laser speckle contrast imaging with principal component and entropy analysis: a novel approach for depth-independent blood flow assessment), опубликованной в журнале Frontiers of Optoelectronics (Q1) издательства Springer Nature.
Лазерная спекл-визуализация (ЛСВ), которая легла в основу метода, была улучшена за счет фильтрации анализа главных компонент (АГК). При лазерной спекл-визуализации в изображении, которое получают с помощью обратно рассеянного лазерного излучения (спекл), можно отличить движущиеся объекты (в случае кровеносных сосудов это красные кровяные тельца) от неподвижных (окружающая их ткань). Это позволяет визуализировать в том числе кровеносные микрососуды.
В медицине ЛСВ используется в хирургии, где микроциркуляция крови играет определяющую роль в оценке жизнеспособности тканей. Так, при пересадке органов или тканей визуализация кровотока в реальном времени позволяет хирургам быстро выявлять потенциальные проблемы прохождения жидкости через кровеносную или лимфатическую систему к этому органу или ткани.
Анализируя ситуацию, которую они видят с помощью ЛСВ, хирурги корректируют положение имплантата или изменяют хирургический подход. В нейрохирургии ЛСВ позволяет во время операции увидеть микроциркуляцию крови в мозге.
Однако современная ЛСВ, широко используемая из-за своей доступности и простоте применения, хорошо показывает врачу только поверхностные сосуды. Но если они находятся под слоями тканей, такими как эпидермис или костная ткань черепа, то на спекл-сигнал от сосуда влияет наличие статического рассеивающего слоя над ним.
Это дополнительное фоновое рассеяние снижает контрастность и разрешение изображения и даже способно затруднить обнаружение кровотока. Кроме того, изменения оптических свойств эпидермиса или костей черепа, например, из-за применения методов оптического просветления к биологическим тканям, когда в ткани вводятся специальные жидкости, также отразятся на измененных зарегистрированных спекл-паттернах.
Чтобы исключить эти явления в ЛСВ, исследователи разделили спекл-паттерны на статические и динамические компоненты рассеянного лазерного света. Главный научный сотрудник лаборатории лазерного молекулярного имиджинга и машинного обучения ТГУ, профессор кафедры оптики и биофотоники Саратовского государственного университета (СГУ), доктор физико-математических наук Элина Генина пояснила суть нового метода:
«С помощью нового подхода мы научились „фильтровать“ сигналы, отделяя полезную информацию о кровотоке от статического фонового шума — биотканей, где кровоток отсутствует. Это повышает четкость изображения и позволяет точно оценить скорость кровотока даже в сложных условиях. При этом новый метод сохраняет все преимущества традиционной лазерной спекл-контрастной визуализации (ЛСКВ): простоту, экономичность и отсутствие необходимости модифицировать оптические схемы».
Предложенный метод исследователи протестировали, используя как оптические фантомы, имитирующие биологические ткани, так и живых лабораторных мышей.
Оптический фантом изготовлялся из эпоксидной смолы, в которой рассеивателем служили микрочастицы диоксида титана (TiO₂), а кровеносным сосудом служил вмонтированный в него стеклянный капилляр.
Моделирование различной глубины этого сосуда — от 0,6 до 2 мм, достигалось за счет поворота трубки под определенным углом. Рассеивающие свойства крови моделировались 3-процентным водным раствором интралипида (жировая эмульсия).
In vivo эксперименты и исследования проводились на ухе лабораторной мыши. Они показали, что по сравнению с традиционными подходами четкость изображений сосудов значительно улучшилась, что показало надежность и потенциал метода для использования его в клинических условиях.
«Наша научная группа, — поделилась Элина Генина, — планирует дальнейшие исследования, чтобы адаптировать технологию для оценки изменений микроциркуляции крови при развитии сахарного диабета, визуализации мозгового кровотока и сосудов опухоли. В перспективе этот метод может лечь в основу новых медицинских приборов, которые позволят врачам получать четкие изображения сосудов без инвазивных вмешательств».
Она считает, что их коллектив добился прорыва в лазерной биомедицинской визуализации, который способен увеличить доступность и точность диагностики, что позволит повысить качество медицинской помощи в мире.
В научную группу по разработке нового метода вошли ученые лаборатории лазерного молекулярного имиджинга и машинного обучения ТГУ, Института физики СГУ, Научно-медицинского центра СГУ, Института бионических технологий и инжиниринга Первого Московского государственного медицинского университета им. И. М. Сеченова, Института биомедицинских систем Национального исследовательского университета «МИЭТ», Института клинической медицины им. Н. В. Склифосовского и Научно-исследовательского института нейрохирургии им. Н. Н. Бурденко, а также Института исследований материалов Астона и факультета инженерии и прикладных наук Университета Астона в Бирмингеме, Великобритания.
