В ИПФ РАН разработан не имеющий аналогов в мире метод оптической когерентной эластографии и на его основе создан прибор для диагностики онкологических заболеваний и оценки эффективности различных препаратов для химиотерапии.
В Институте прикладной физики РАН (Нижний Новгород)
разработан не имеющий аналогов в мире метод оптической
когерентной эластографии и на его основе создан прибор для
диагностики онкологических заболеваний и оценки эффективности
различных препаратов для противораковой химиотерапии.
Эффективность метода подтверждена врачами Приволжского
исследовательского медицинского университета.
Российские исследователи из Института прикладной физики
Российской академии наук (ИПФ РАН) совместно с биомедиками из
Приволжского исследовательского медицинского университета (ПИМУ)
разработали не имеющий аналогов в мире метод сегментирования
морфологических компонент гетерогенных биотканей на основе
оптической когерентной эластографии (ОКЭ).
«На мировом рынке пока недоступны оптические когерентные
томографы подобные разработанному в ИПФ РАН прибору с функцией
ОКЭ. В исследовательских целях за рубежом обычно используют
многократно более дорогие высокоскоростные установки, необходимые
для оценки модуля Юнга по измерению скорости сдвиговых или
поверхностных/изгибных волн; при этом из-за трудностей учета
частотной зависимости данные разных авторов часто расходятся в
разы. Разработанный в ИПФ квазистатический компрессионный подход
исключает частотную зависимость модуля и обеспечивает в несколько
раз более высокое разрешение, чем волновые варианты. Не имеет
аналогов и развитый в ИПФ метод приведения ОКЭ-данных к
стандартизированному давлению, оптическим датчиком которого
является тонкая силиконовая прослойка между зондом и тканью. Без
такой стандартизации невозможно корректно сравнивать результаты
для реальных сильно гетерогенных и нелинейных биотканей,» —
поясняет заведующий лабораторией доктор физико-математических
наук Владимир Юрьевич Зайцев, возглавляющий исследования.
Развитый ОКЭ-метод использует оригинальный алгоритм анализа
изменений фазы серии оптических изображений, получаемых в ходе
деформирования биоткани зондом оптического когерентного
томографа (в пределах биологически безопасного уровня деформации
порядка нескольких процентов) для детального картирования модуля
Юнга в исследуемой области. Ее размеры порядка нескольких
миллиметров латерально и 1-2 мм в глубину сравнимы с размерами
срезов, используемых при гистологическом исследовании,
считающемся в медицине «золотым стандартом». Прицельное
сопоставление стандартных гистологических срезов и
ОКЭ-изображений той же области выявило, что различным
морфологическим компонентам ткани на ее ОКЭ-изображении
соответствуют хорошо разделяющиеся диапазоны характерных значений
упругого модуля. Используя эти характерные диапазоны, удается
автоматизировано выполнять морфологическое сегментирование
ОКЭ-изображений, получая очень высокую (>95%) корреляцию
площадей соответствующих морфологических компонент на
гистологических и сегментированных ОКЭ-изображениях.
Принцип такой сегментации по упругим свойствам можно назвать
«эласто-спектроскопией» по аналогии с термином
«масс-спектроскопия». Новый метод имеет высокую чувствительность
и разрешение, позволяя, например, в области жизнеспособной
опухоли обнаружить небольшие (размером порядка 10 клеток) зоны
раковых клеток с необратимой дистрофией. ОКЭ-сегментация требует
нескольких минут и может выполняться in vivo или
применяться непосредственно к свежеизвлеченным образцам ткани,
тогда как стандартные гистологические исследования требуют взятия
биопсийных образцов с последующим выполнением трудоемких и
времязатратных (обычно более 3 дней) процедур приготовления
срезов и их интерпретаций гистопатологом. В отличие от других
обсуждаемых в качестве альтернативны гистологическому
исследованию методов, предназначенных для выделения 1-2
морфологических компонент ткани (например, коллаген/эластин),
ОКЭ-метод позволяет уверенно сегментировать сразу несколько (4-6
типов) морфологических компонент.
Эффективность нового метода подтверждена проведенным совместно с
исследователями из ПИМУ сравнением с данными гистологии более чем
150 образцов рака груди в контексте определения чистой границы
удаляемой опухоли (одной из важнейших задач в ходе таких
операций) и экспресс-оценивания ее морфологического/молекулярного
статуса, что важно для выбора дальнейшей тактики лечения.
Беспрецедентная чувствительность выполняемой in vivo
ОКЭ-сегментации и высокая корреляция с результатами стандартной
морфометрии гистологических срезов продемонстрированы в
экспериментах на животных в ходе исследований эффективности
различных препаратов для противораковой химиотерапии. Помимо
онкологических и иных применений, где важно выполнять
сегментирование подобное гистологическому, развитые в ИПФ РАН
ОКЭ-технологии открывают недоступные ранее возможности при
исследовании биомеханики тканей (в частности, уже получены не
имеющие аналогов в мире результаты для роговицы глаза и хрящевой
ткани).
