Управление оптическими свойствами биотканей для повышения чувствительности оптической когерентной томографии

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.

Создание и совершенствование оптических методов неинвазивной 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 цэ, коэффициент поглощения ¡-аа 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 исследований 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 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.

Научная 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.

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-изображенияхэкспериментальные 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 результата исследований. Слои и включения на ОКТ изображениях кожи in vivo при стабилизированном сжатии становятся наиболее контрастными через 50−70 секунд после начала прижима при давлениях 1−3 атм.

3. Контрастирование структурных элементов покровных тканей животных in vivo реализуется путем диффузии наночастиц с плазмонным резонансом на частоте локации OKT.- применение золотых наооболочек с плазмонным резонансом на длине волны зондирующего излучения позволяет добиться существенного усиления сигнала ОКТ из областиприсутствия наночастиц при меньших концентрациях по сравнению с наночастицами диоксида титана. Экспериментальные результаты находятся в хорошем согласии с результатами численного моделирования методом Монте-Карло.

4. Метод ОКТ позволяет в режиме реального времени контактно проводить мониторинг изменения оптических свойств биоткани при применении глицерина и пропиленгликоля. ОКТ может быть успешно использован для неинвазивной диагностики процесса воздействия наружных лекарственных средств.

Практическая значимость.

Результат работы имеет важное значение при проведении медицинской диагностики покровных тканей методом ОКТ. Метод компрессии позволяет контрастировать ОКТ-изображение, при этом время наступления эффекта существенно меньше, чем при использовании просветляющих веществ или наночастиц, что позволяет использовать его в медицинской диагностике, для повышения чувствительности метода.

Исследование влияния аппликации наночастиц на оптические свойства биоткани позволяет использовать их в качестве контрастирующих агентов, а также проводить мониторинг накопления наночастиц при реализации метода лазерной гипертермии опухолей.

Исследование возможности применения ОКТ для прижизненного определения фармакодинамических свойств и мониторинга эффективности увлажняющих средств позволит более эффективно проводить лечение.

Кроме того, результаты проведенных в диссертации исследований были использованы при создании Методики диагностики и оптимизации терапии дерматозов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и списка работ по диссертации. Общий объем диссертации составляет 111 страниц, включая 44 рисунков, список литературы из 98 наименований, список работ по диссертации из 27 наименований.

4.7 Основные выводы.

В данной главе приведены основные результаты по исследованию возможности управления оптическими параметрами биоткани при-использовании иммерсионных и осмотических просветляющих жидкостей.

Показанавозможность, увеличение глубины визуализации ОКТ-изображений при" использовании эффекта иммерсии рогового слова. В проведенном исследовании наблюдалось увеличение глубины визуализации кожи, свиньи с 600 до 770 мкм. Зависимость глубины визуализации, от времени с момента начала иммерсии имеет характерное время достижения максимальной глубины проникновения зондирующего излучения, которое составляет 90 минут. Данный эффект, предположительно, обусловлен тем, что испарение влаги непосредственно из рогового слоя происходит намного медленнее, чем с поверхности, поэтому эффект наблюдается и после того, как с поверхности испаряется капля воды.

При использовании глицерина в качестве осмотической жидкости наблюдалось возрастание глубины визуализации с 440 до 550 мкм. Характерное время увеличения глубины составило 40−60 минут после нанесения глицирина, что может быть связано с временем вытеснения внутриклеточной жидкости.

Кроме того, было проведено исследование по изучению возможности использования ОКТ для прижизненного определения фармакодинамических свойств (времени проникновения средства внутрь биоткани) и мониторинга эффективности (времени, за которое нормализуется патологическое состояние биоткани), на примере крема «Топикрем». Результаты показали, что ОКТ дает возможность визуализировать динамику проникновения крема в биоткань, а также наблюдать за динамикой изменений, вызванных применением крема с течением времени, что позволяет определить оптимальную схему лечения при терапии.

Метод ОКТ фиксирует изменения контраста между вторым и третьим структурным слоями, изменение яркости ОКТ-изображения, и последовательное изменение высот оптических слоев. В процессе эксперимента зафиксировано возрастание контраста между вторым и третьим структурным слоями на ОКТ-изображении с 9 до 15 дБ за 79 минут с момента начала воздействия. Наблюдаемый эффект предположительно обусловлен движением воды за осмотически активными веществом, входящим в состав крема «Топикрем». Данные параметры могут применяться для прижизненной оценки фармакодинамических характеристик увлажняющих средств.

Кроме того, метод ОКТ позволяет визуализировать изменения, происходящие в биоткани в процессе лечения атопического дерматита, что позволяет использовать метод ОКТ для прижизненной оценки эффективности наружных лекарственных средств. В процессе эксперимента наблюдалась нормализация ткани на ОКТ-изображениях через 14 дней после начала применения крема «Топикрем». Визуализация процесса лечения, становиться возможной благодаря способности метода фиксировать изменения выраженности ОКТ-признаков, отражающих степень структурных и функциональных изменений кожи в процессе терапии.

Заключение

.

Сформулируем кратко основные результаты диссертации.

1. Разработан" метод контрастирования ОКТ-изображений слоистой биоткани, основанный на приложении к ней статическойкомпрессии. Компрессия-1 вызывает неодинаковые деформации слоев, — обладающих различной эластичностью, и, как следствие, по-разному изменяет концентрацию рассеивателей в слоях, повышая контраст границ слоев, оптические характеристики которых в< недеформированном состоянии близки. Показано, что при применении разработанного метода контраст слоев и включений на ОКТ изображениях кожи in vivo увеличивается на величину до 10 дБ через 50−70 секунд после начала прижима при давлениях.

0.1−0.3 Н/мм При использовании контактного ОКТ щупа, для получения достоверного результата исследований необходимо стабилизировать степень компрессии биоткани. Показано, что компрессия с давлением более 0.18 Н/мм позволяет дифференцировать воспаление и карциному прямой кишки при диагностике методом ОКТ в экспериментах ex vivo.

2. Разработан метод контрастирования структурных элементов на ОКТ-изображениях покровных тканей животных in vivo, основанный на различии характера проникновения наночастиц в различные слои и структуры биоткани. Применение золотых наооболочек с плазмонным резонансом на длине волны зондирующего излучения позволяет добиться существенного усиления сигнала ОКТ из области присутствия наночастиц при меньших концентрациях по сравнению с наночастицами диоксида титана.

Показано, что при применении разработанного метода контраст границы слоев эпидермиса и дермы на ОКТ изображениях кожи in vivo увеличивается с 0.78 до 0.92 в период 120−150 минут после нанесения золотых нанооболочек и до 0.86 в период 120−240 минут после нанесения наночастиц диоксида титана.

3. Разработан метод контактного ОКТ наблюдения динамики изменения оптических свойств биоткани при применении глицерина и пропиленгликоля, что позволило создать методику неинвазивного мониторинга воздействия наружных лекарственных средств.

Показано, что при применении разработанного метода происходит увеличение контраста между вторым и третьим структурными слоями с 9 до 15 дБ к 79й минуте. Увеличение контраста возможно обусловлено иммерсионными свойствами наружных лекарственных средств на основе глицерина.