Надо ли доказывать, что правильно и вовремя поставленный диагноз — залог успешного лечения? Поэтому практическая медицина, располагая уже сегодня огромным арсеналом средств, с удовольствием пополняет его новыми, более эффективными методами распознавания болезней. Среди тех, кто помогает ей в этом, — научный сотрудник Института прикладной физики (ИПФ) РАН кандидат физико-математических наук Лев Матвеев. В нынешнем году исследования, которые он ведет, поддержаны грантом Президента РФ. Вместе с коллегами из других подразделений института молодой ученый разрабатывает направление диагностики, связанное с применением оптической когерентной томографии (ОКТ).
— Метод ОКТ, как и УЗИ, основан на приеме “эхосигнала”, только не акустических, а оптических волн, — рассказывает в интервью “Поиску” Лев Александрович. — Это позволяет получить изображения структуры биоткани на глубине до нескольких миллиметров и с высоким разрешением (до единиц микрон), а также заглянуть внутрь нее. Способ уже хорошо зарекомендовал себя в офтальмологии, а также в диагностике покровных тканей в дерматологии, отоларингологии, гастроэнтерологии, стоматологии, гинекологии.
Рассеивающие свойства ткани, благодаря которым происходит формирование оптических изображений в ОКТ, не связаны непосредственно с их упругостью. Однако именно этот параметр представляет практический интерес из-за большого числа имеющихся данных о сильных его изменениях при патологиях, например, появлении раковых клеток в тканях. Методы визуализации упругих свойств различных частей биоткани называются эластографией. По аналогии с пальпацией (прощупыванием) она позволяет определить наличие плотных и жестких включений, скажем, опухолей. В последние годы во многих УЗИ-сканерах уже есть режим эластографии, он достаточно широко и успешно применяется, в частности, для обнаружения уплотнений в молочной железе. В ОКТ-диагностике создание такой методики только начинается.
— Почему вы, физик по специальности, решили заняться разработками для медицины?
— Мой путь в этой области начался после защиты кандидатской диссертации, часть которой посвящена развитию новых методов акустической диагностики упругих сред. Эти работы были связаны с геофизическими задачами и неразрушающим контролем. Но в нашей группе (под руководством доктора физико-математических наук Владимира Зайцева) возникла идея о возможности применения накопленного опыта для решения кардинально иных проблем, например, эластографического исследования биотканей в ОКТ, подобных тем, что делаются при УЗИ-диагностике. В 2011 году мы обратились с этой идеей к Валентину и Григорию Геликоновым — руководителям одной из групп в ИПФ, где занимаются подобными методами. Они поддержали наш замысел.
Поставленная цель требовала решения ряда научных задач, так как непосредственный перенос используемых в УЗИ-эластографии принципов здесь невозможен. Нужно было учесть специфику ОКТ, изучить физические особенности формирования изображений. В 2012 году мы разработали и апробировали оригинальный подход к введению режима эластографии, отличный от общепринятого. Но для полноценной его реализации необходимо провести еще ряд исследований. Результаты необходимы для построения оптимальных алгоритмов регистрации и обработки ОКТ-сигналов и формирования на их основе эластографических изображений. Научно-исследовательская часть этой задачи особенно важна и интересна для меня, способствует моему научному росту.
— В чем достоинства развиваемого вами метода?
— Разрешение ОКТ-приборов — около 10 микрометров. Это на порядки выше, чем в УЗИ, и позволит выделять микромасштабные неоднородности, недоступные для ультразвуковых приборов. Благодаря этому появится возможность обнаруживать контрастные по жесткости неоднородности размером всего несколько десятков микрон, что важно для раннего обнаружения злокачественных образований. Удастся также более аккуратно их оконтуривать для последующего лечения или удаления (не задевая здоровую ткань). Откроются предпосылки и для того, чтобы сделать более направленной и потому менее болезненной биопсию, при которой берется фрагмент ткани пациента, чтобы определить тип опухоли — злокачественная или доброкачественная. Многие, кому делали обычную биопсию, знают, что это неприятная и не всегда безопасная для здоровья процедура, к которой сейчас, однако, прибегают часто. Если удастся разработать способ классификации патологии, исключающей (или почти исключающей) инвазивное исследование ткани, это станет большим достижением.
— Расскажите о вашей “мастерской”.
— Нашу работу можно назвать междисциплинарной. В ней сочетаются как различные физические, так и медицинские задачи, что привело к объединению нескольких научных групп. Поэтому исследуемые проблемы можно рассматривать с разных позиций.
“Медицинская точка зрения” подразумевает разработку основ новых методов дифференциации (определения типов) патологий в различных биотканях, которые удовлетворяли бы запросам клиницистов. Например, нужно увидеть участок, пораженный раковыми клетками (как правило, более жесткими, чем окружающая их здоровая ткань), причем желательно в наиболее ранней стадии и при наименьших размерах области поражения.
С “физической точки зрения” цель состоит в разработке методов ОКТ-эластографии, пригодных для использования на практике. Сложность в этом случае связана с большим количеством “помех”. На самом деле имеется в виду ряд факторов, искажающих ОКТ-изображение и делающих невозможным выполнение эластографического исследования. Как правило, это не до конца изученные эффекты, возникающие при формировании сигнала.
Я занимаюсь исследованиями физических особенностей метода. Моя задача — понять, как упомянутые эффекты сделать полезными или устранить. Иногда удается извлечь дополнительную, интересную информацию. Приведу пример с такой особенностью формирования ОКТ-изображения, как спекл. Это пятно, образующееся при интерференции когерентных волн. Его яркость зависит от разности фаз этих волн. Спеклы “покрывают собой” изображения и даже формируют “картины”, поэтому во многих случаях считаются шумом, “маскирующим” полезный сигнал. В первом приближении можно просто отфильтровать (устранить, замыть) эффект вместе с остальными оптическими помехами. Однако при их детальном анализе становится понятно, что исследование их поведения — очень интересная и перспективная область. Например, статистические свойства спеклов могут сказать многое о тех областях, которые они покрывают, в том числе и об их упругих свойствах.
Я представляю группу, которая специализируется на диагностике упругих свойств. Три человека из другой группы заняты оптическими задачами, решение которых необходимо для модернизации ОКТ-приборов. Еще один участник гранта — молодой дерматолог из Нижегородской медакадемии, использующий в своей научной деятельности такие приборы. Сейчас он работает над кандидатской диссертацией. Взаимодействие с медиками позволяет нам выделять наиболее важные и перспективные направления исследований.
— Как строится ваша работа?
— На первом этапе мы занимаемся численным и физическим моделированием. Уже проводили предварительные испытания на живой ткани. При численном моделировании симулируем ОКТ-изображения в неоднородной по упругости биоткани, подвергаемой деформации (аналогично медицинскому “прощупыванию”). Разрабатываем способы их обработки, позволяющие визуализировать эти неоднородности. Используя физическое моделирование, создаем искусственный образец из биоподобных материалов. Записываем последовательность полученных изображений в процессе деформации модели и обрабатываем эту запись разработанными алгоритмами. Особое внимание уделяем тем физическим эффектам, которые возникают во время деформации. Эти эффекты потом исследуем дополнительно, например, изучаем статистические свойства спеклов, о чем я уже упоминал. Затем модернизируем алгоритм с учетом всех результатов.
— На каком этапе вы находитесь сейчас и какие возможности даст президентский грант?
— Мы провели предварительные испытания не только на живой ткани, но и на фантомных образцах. Для случаев, когда на ОКТ-изображении видна структура рассеивателей (если спеклы еще позволяют видеть эту структуру), мы разработали адаптированные к таким ситуациям алгоритмы и определили области их применимости. Кстати, проводя испытания на живой ткани, мы выяснили, что такой способ позволяет по контрасту жесткости выделить, например, волосяную луковицу в коже.
Научная статья с первыми результатами уже опубликована в журнале Laser Physics Letters. Запланированы доклады на Европейской конференции по биомедицинской оптике в Мюнхене.
До середины 2012 года вся работа была лишь инициативной и не имела финансовой поддержки. В марте прошлого года мы представили свои результаты академику Олегу Руденко и профессору Сергею Гурбатову. Заинтересовавшись этим направлением, они оказали нам поддержку из средств своего мегагранта в ННГУ. Получение президентского гранта дало нам собственные деньги и возможность значительно активизировать исследования.
Мы планируем, во-первых, изучить поведение спеклов и провести ряд физических исследований факторов, которые влияют на это поведение. Используя полученные данные, будем модернизировать алгоритм обработки изображений. Результатом станет система визуализации упругих областей в биотканях, полностью сформированных спеклами. Это существенно расширит область применения ОКТ-эластографии.
— Какую цель вы ставите на будущее? Что хотите создать, например, через несколько лет?
— Наша конечная цель — разработка метода ОКТ-эластографии, пригодного для клинического использования. Мы должны построить некую систему, аппаратно-программный комплекс с методикой, используя который клиницисты могли бы проводить научные исследования по обнаружению патологий с высоким разрешением.
Такая технология открывает ряд других перспективных направлений. У нас есть планы адаптировать алгоритм для анализа “текучести” биоткани, картирования циркуляций и потоков жидкостей в ней. Все это поможет открыть новые горизонты в диагностике.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Фото из архива Л.Матвеева
Нет комментариев