Ученые России и Великобритании разработали инновационный подход, позволяющий без инвазивного вмешательства улучшить визуализацию кровеносных сосудов, расположенных под кожей и другими тканями. Новый метод преодолевает ограничения традиционных технологий, обеспечивая независимую от глубины оценку кровотока с высокой точностью – до 96 %, если речь идет о глубоких сосудах. Возможность наблюдать и контролировать кровоток в сложных условиях открывает новые горизонты в нейрохирургии, трансплантации и диагностике сосудистой патологии, где высокая точность мониторинга кровотока имеет решающее значение. Так медики смогут повысить качество диагностики и лечения. Научная статья о результатах исследования опубликована в журнале Frontiers of Optoelectronics (Q1) издательства Springer Nature.
В основе метода – лазерная спекл-визуализация (ЛСВ), улучшенная с помощью фильтрации анализа главных компонент (АГК). В ходе лазерной спекл-визуализации изображение, полученное с помощью обратно рассеянного лазерного излучения (спекл), используется, чтобы отличить движущиеся объекты (красные кровяные тельца) от неподвижных объектов (окружающая биоткань). Это дает возможность визуализировать кровеносные микрососуды.
Одним из ключевых применений ЛСВ в медицине является хирургия, где визуализация микроциркуляции крови играет решающую роль в оценке жизнеспособности тканей. Например, во время процедур по пересадке органов или тканей визуализация кровотока в реальном времени позволяет хирургам своевременно выявлять потенциальные проблемы прохождения жидкости через кровеносную или лимфатическую систему к органу или ткани. В зависимости от ситуации медики корректируют положение лоскута или пересматривают хирургический подход. В нейрохирургии ЛСВ – особенно ценный диагностический инструмент, он позволяет визуализировать микроциркуляцию крови в мозге во время операции.
Традиционная ЛСВ хорошо работает для визуализации поверхностных сосудов и широко используется благодаря своей доступности и простоте. Но когда сосуды скрыты под слоями тканей, например, под эпидермисом или костной тканью черепа, возникают определенные трудности. Так, наличие статического рассеивающего слоя над кровеносным сосудом неизбежно влияет на спекл-сигнал от сосуда. Это приводит к снижению контрастности и разрешения «картинки» или даже может затруднить обнаружение кровотока. Кроме того, изменения оптических свойств эпидермиса или костей черепа, например, из-за применения методов оптического просветления к биологическим тканям, также отразятся на измененных зарегистрированных спекл-паттернах.
Чтобы преодолеть эти ограничения, авторы исследования разделили спекл-паттерны на статические и динамические компоненты рассеянного лазерного света.
– 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, – рассказывает профессор кафедры оптики и биофотоники СГУ и главный научный сотрудник лаборатории лазерного молекулярного имиджинга и машинного обучения ТГУ, доктор физико-математических наук Элина Генина.
Метод был протестирован и на оптических фантомах, имитирующих биологические ткани, и на живых лабораторных мышах.
Как основа для оптического фантома использовалась эпоксидная смола, содержащая в качестве рассеивателей микрочастицы диоксида титана (TiO2). Для имитации сосуда в фантом был вмонтирован стеклянный капилляр. Располагая стеклянную трубку под определенным углом, ученые эффективно моделировали различные глубины сосудов – от 0,6 до 2 мм. Для моделирования рассеивающих свойств крови использовался 3% водный раствор интралипида.
И эти эксперименты, и исследования in vivo на ухе лабораторной мыши показали, что четкость изображений сосудов по сравнению с традиционными подходами значительно улучшилась. Эти результаты подтверждают надежность и потенциал метода для клинического использования.
– Наша научная группа 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. Такой прорыв в лазерной биомедицинской визуализации может сделать диагностику более доступной и точной, улучшая качество медицинской помощи во всем мире, – отмечает Элина Генина.
Новый метод разработали ученые лаборатории лазерного молекулярного имиджинга и машинного обучения Томского государственного университета, Института физики Саратовского государственного университета, Научно-медицинского центра Саратовского государственного университета, Института бионических технологий и инжиниринга Первого Московского государственного медицинского университета им. И.М. Сеченова, Института биомедицинских систем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Зеленоград, Москва), Института клинической медицины им. Н.В. Склифосовского и Научно-исследовательского института нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко (Москва), Института исследований материалов Астона и факультета инженерии и прикладных наук Университета Астона (Бирмингем, Великобритания).
Исследование проводится в рамках гранта РНФ №22-65-00096.
Иллюстрации – из статьи в журнале Frontiers of Optoelectronics.
