Содержание
Введение 5
Глава 1. Применение метода оптической когерентной томографии для диагностики покровных тканей (Обзор литературы) 16
1.1 Развитие методов оптической визуализации 16
1.2 Актуальность разработки неинвазивных методов оптической диагностики 17
1.3 Основной принцип метода оптической когерентной томографии 19
1.4 Исследование биотканей методом ОКТ 21
1.5 Использованная ОКТ-установка 25
1.6 Основные методики повышения информативности метода ОКТ 27
1.6.1 Использование иммерсионных и просветляющих агентов 27
1.6.2 Использование наночастиц для повышения контраста структур биоткани на ОКТ-изображениях 29
1.6.3 Использование механической компрессии 32
1.7 Описание распространения света в рассеивающих средах 34
1.8 Моделирование возможности управления оптическими
свойствами биоткани методом Монте-Карло 37
Глава 2. Управление оптическими свойствами биоткани с помощью наноразмерных коллоидных частиц для повышения чувствительности ОКТ 39
2.1 Оценка возможности применения суспензии наночастиц для управления оптическими свойствами биоткани 39
2.2 Результаты численного моделирования контрастирования границ
слоев и включений при использовании наночастиц 42
2.3 Методика проведения экспериментального исследования влияния контрастирующих агентов на формирование ОКТ-изображепий 47
2.3.1 Методика исследования на фантомах биоткани 47
2.3.2 Методика исследования на коже животных in vivo 49
2.3.3 Определения контраста структурных элементов ОКТ-изображения 50
2.4 Экспериментальное исследование влияния контрастирующих агентов на формирование ОКТ-изображеиий модельных сред
2.5 Экспериментальное исследование влияния контрастирующих агентов на формирование ОКТ-изображений биотканей in vivo
2.6 Основные выводы
Глава 3 Управление оптическими свойствами биоткани с помощью механической деформации для повышения чувствительности метода ОКТ
3.1 Методика проведения эксперимента по исследованию влияния механической деформации на формирование ОКТ-изображений
3.1.1 Методика исследования механической компрессии на образцах биоткани ex vivo
3.1.2 Методика исследования механической компрессии на образцах биоткани in vivo
3.1.3 Методика исследования поперечной деформации на образцах биоткани in vivo
3.2 Экспериментальное исследование влияния компрессии биоткани на формирование ОКТ-изображений
3.2.1 Влияние силы давления на биоткань на формирование ОКТ-
изображений
3.2.2 Численное моделирование влияния силы давления на биоткани на формирование ОКТ-изображений
3.2.3 Влияние времени компрессии на формирование ОКТ-изображений
3.3 Экспериментальное исследование влияния поперечной деформации на формирование ОКТ-изображений
3.4 Основные выводы
Глава 4 Использование просветляющих агентов для повышения чувствительности метода ОКТ
4.1 Основные принципы управления оптическими параметрами биоткани с помощью просветляющих и иммерсионных средств.
4.1.1 Методика проведения эксперимента по исследованию влияния иммерсионных жидкостей на ОКТ-изображения 83
4.1.2 Методика проведения эксперимента по исследованию влияния просветляющих веществ на ОКТ-изображения 84
4.2 Актуальность исследования фармакодинамических свойств и мониторинга эффективности увлажняющих средств 85
4.3 Методика проведения эксперимента по исследованию применения метода ОКТ для исследования фармакодинамических свойств и мониторинга эффективности увлажняющих средств 86
4.4 Экспериментальное исследование влияния иммерсионных жидкостей
на глубину визуализации биоткани методом ОКТ 86
4.5 Экспериментальное исследование влияния просветляющих жидкостей на глубину визуализации биоткани на ОКТ-изображении 88
4.6 Экспериментальное исследование применения ОКТ для прижизненного определения фармакодинамических свойств и мониторинга эффективности увлажняющих средств 90
4.7 Основные выводы 93
Заключение 96
Литература 98
Список публикаций по диссертации 107
4
Введение
Создание и совершенствование оптических методов неинвазивиой визуализации внутренней структуры биотканей (без нарушения целостности покровных тканей и введения токсичных контрастных агентов) является актуальной задачей на стыке современной лазерной физики, биологии и медицины. Данные методы предназначены как для диагностики в медицине, так и наблюдения динамики изменения структурных свойств ткани под влиянием различных внешних факторов. В настоящее время в связи с интенсивным развитием оптических технологий происходит создание новых методов, в частности, оптической томографии, исследования биотканей и их активное применение для решения медицинских задач [1-4].
Методы оптической томографии, позволяющие исследовать биоткани на уровне слоев клеток, открыли принципиально новую возможность для in situ мониторинга большинства биологических процессов. Осуществляя мониторинг процесса в реальном времени, можно своевременно его корректировать.
Для зондирования биоткани обычно используется излучение ближнего инфракрасного диапазона в так называемом "терапевтическом окне прозрачности" (от 0.6 до 1.3 мкм). Излучение данного диапазона может сравнительно глубоко (до нескольких десятков сантиметров) проникать в биоткань и одновременно обеспечивается неинвазивность методов вследствие малой мощности (сравнимой с солнечным излучением) источника зондирующего излучения.
Одним из перспективных методов исследования биотканей является метод оптической когерентной томографии (ОКТ). ОКТ - метод построения изображений внутренней структуры рассеивающих объектов, основанный на низкокогерентной интерферометрии с использованием широкополосных источников излучения видимого или ближнего инфракрасного диапазона длин волн. Основным элементом установки является интерферометр
Майкельсона. По измеренным значениям фототока, определяемого мощностью рассеянного назад сигнала, можно восстановить одномерное продольное распределение неоднородностей внутри среды по глубине (А-скан). При сканировании в поперечном направлении, из одномерных А-сканов можно получить двумерное визуализированное распределение мощности принятого сигнала — ОКТ-изображение. Поперечное разрешение определяется перетяжкой пучка зондирующего излучения.
В частности, метод ОКТ позволяет получать прижизненную информацию о внутренней структуре поверхностных биотканей, в том числе и слизистых, оболочек с пространственным разрешением до 10-15 микрон на глубинах до 2 мм. Метод позволяет проводить исследования в режиме реального времени, характеризуется простотой в использовании, портативностью и надежностью устройств. Повышенный интерес к данному методу обусловлен возможностью получения прижизненной информации о внутренней структуре биообъектов с высоким разрешением в режиме реального времени. По сравнению с другими методами визуализации биотканей такими как ЯМР томография [5] и высокочастотная ультразвуковая томография [6], ОКТ обладает более высоким разрешением, относительной простотой метода и дешевизной. Совершенствование метода оптической когерентной томографии является одним и наиболее актуальных и интенсивно развивающихся направлений в области оптической биомедицинской диагностики.
Рассеяние излучения в биотканях обусловлено пространственным распределением показателя преломления и зависит от особенностей строения биоткани. В свою очередь, данное распределение определяет макроскопические оптические параметры: коэффициент рассеяния рз, коэффициент поглощения ра и фактор анизотропии g (средний косинус угла рассеяния).
Изменяя распределение показателя преломления внутри биоткани можно управлять ее оптическими характеристиками. Такое управление
может быть осуществлено с помощью компрессии [7,8], а также применения просветляющих [1] или контрастирующих агентов [9-12]. В качестве контрастирующих агентов для ОКТ в ряде исследовании были предложены наночастицы [9-13]. Показано, что после нанесения на поверхность кожи они проникают в ткань и, обладая более изотропной диаграммой рассеяния по сравнению с рассеивающими элементами кожи, повышают обратное рассеяние зондирующего излучения в методе ОКТ [9-12]. Увеличение обратного рассеяния от структурных элементов, содержащих более высокую, по сравнению с окружающими тканями, концентрацию наночастиц приводит к повышению контраста на ОКТ-изображениях объекта исследований.
Ограничения метода ОКТ обусловлены двумя причинами. Во-первых, малым рассеянием назад зондирующего излучения, что дает малую интенсивность ОКТ-сигнала. Вторым ограничением является многократное рассеяние, что приводит к зашумлению полезного сигнала с больших глубин. Перечисленные ограничения ведут к снижению чувствительности и, как следствие, к пониженной информативности метода ОКТ.
Решением первой проблемы является использование контрастирующих агентов, коэффициент рассеяния назад которых выше, чем коэффициент рассеяния основных рассеивающих центров биоткани, а также применение компрессии, что позволяет повысить концентрацию рассеивающих центров внутри биоткани. Вторая проблема может быть решена снижением скачков показателя преломления внутри биоткани и, как следствие, снижения рассеяния внутри биоткани.
Применимость метода для визуализации покровных тканей - кожи и слизистых оболочек - широко описана в литературе [11]. Прошедшая этап стремительного развития в оптических лабораториях нескольких стран мира в 90-ые годы, ОКТ постепенно находит нишу для применений в различных областях медицины В настоящее время в нескольких клиниках (Mass General Hospital, Cleveland Clinic Foundation, Anderson Cancer Center in Houston и др.) ведутся клинические исследования по применению ОКТ в
7
гастроэнтерологии, гинекологии, интраваскулярной кардиологии. В России ведущей клиникой по применению ОКТ является Нижегородская областная больница им. Семашко, где уже более 1000 пациентов обследовано с помощью оптических томографов, созданных в Институте прикладной физики РАН.
Цель диссертации
Целью данной работы было исследование возможности повышение чувствительности метода оптической когерентной томографии за счет управления оптическими параметрами биоткани при аппликации наночастиц, компрессии или просветляющих веществ, а также изучение возможности использования ОКТ для исследования фармакодинамических свойств и мониторинга эффективности наружных лекарственных и косметических средств.
Для выполнения данной цели в процессе выполнения работы были решены следующие задачи:
1. Экспериментально исследовано влияние контрастирующих агентов на информативность ОКТ-изображений модельных сред и биотканей in vivo;
2. Экспериментально исследована динамика ОКТ-изображений биоткани при механической деформации биотканей ex vivo и in vivo;
3. Экспериментально исследована возможность использования ОКТ для прижизненного определения фармакодинамических свойств и мониторинга эффективности применения наружных средств в клинической практике.
Научна*! новизна
1. Впервые была проведена количественная оценка контраста границы раздела областей на ОКТ-изображениях (центральная длина волны 0.9 мкм) двухслойных фантомов биотканей при диффузии золотых нанооболочек.
8
2. Впервые была проведена количественная оценка контраста границы структурных элементов на ОКТ-изображениях (центральная длина волны
0.9 мкм) кожи свиньи in vivo при диффузии золотых нанооболочек и частиц диоксида титана.
3. Впервые была проведена количественная оценка контраста слоев биоткани на ОКТ-изображении в зависимости от силы прижатия торцевого ОКТ-зонда.
4. Впервые было проведено исследование влияния непрерывного прижатия торцевого зонда на ОКТ-изображения биоткани in vivo, а также было проведена количественная оценка изменения контраста границы слоев биоткани в зависимости от времени с момента начала воздействия.
5. Впервые проведено исследование влияния поперечной деформации на ОКТ-изображения тонкой кожи человека.
6. Впервые применен метод ОКТ для изучения фармакодинамических свойств и мониторинга эффективности наружных средств.
На защиту выносятся следующие основные научные положения
1. Использование компрессии позволяет управлять оптическими параметрами биоткани путем изменения концентрации элементов, рассеяние от которых формирует сигнал ОКТ. В биотканях состоящих из слоев с различными механическими свойствами применение механической компрессии позволяет повысить контраст границы на ОКТ-изображениях; экспериментальные результаты находятся в хорошем согласии с результатами численного моделирования методом Монте-Карло. Компрессия с давлением более 0.18Н/мм2 на площадь щупа позволяет дифференцировать карциному и воспаление прямой кишки при диагностике методом ОКТ в эксперименте ex vivo.
2. Применение устройств, измеряющих силу прижатия зонда, позволяет проводить ОКТ диагностику при стабилизированном сжатии биотканей, что является необходимым условием для получения достоверного
9
- Київ+380960830922