CC BY
14
УДК 681.787
Б01: 10Л7277/уез1тк.2021.01 .рр.042-049
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕТРИИ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АТЕРОСКЛЕРОТИЧЕСКИХ БЛЯШЕК НА СТЕНКАХ СОСУДОВ МЕТОДАМИ ИНТРАВАСКУЛЯРНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ
С. В. Фролов, А. Ю. Потлов, Т. А. Фролова, С. Г. Проскурин
Кафедра «Биомедицинская техника», [email protected];
ФГБОУ ВО «ТГТУ», г. Тамбов, Россия
Ключевые слова: атеросклеротические бляшки; биомеханические свойства; внутрисосудистые применения; глубина когерентного зондирования; оптическая когерентная томография; пульсовая волна; сегментация изображения; церебральная аневризма.
Аннотация: Предложен метод исследования атеросклеротических бляшек на стенках крупных кровеносных сосудов, который позволяет учитывать не только оптические, но и механические свойства исследуемого объекта. Отмечены его главные особенности. Сведения о геометрических характеристиках и внутренней структуре атеросклеротических бляшек могут быть полезны для определения их стабильности. Данный метод предполагается использовать не только при проведении научных исследований, но и в реальной клинической практике, в частности нейрохирургических задачах для оценки степени влияния атеросклероза на церебральную аневризму.
Введение
Атеросклероз является наиболее распространенной формой «артериосклероза». Термин «артериосклероз» при дословном переводе означает «затвердевание артерии», в медицине ассоциируется с ситуацией утолщения артериальной стенки и потери эластичности кровеносного сосуда [1].
Атеросклероз - в первую очередь поражение внутренней оболочки кровеносного сосуда, то есть интимы. Причем области атеросклеротического поражения практически всегда выступают в просвет кровеносного сосуда. Выступающую часть обычно называют атеросклеротической бляшкой. Опасность атеросклеротической бляшки заключается:
- в механическом препятствии кровотоку вследствие снижения внутреннего просвета кровеносного сосуда;
- значительной вероятности отрыва части атеросклеротической бляшки с последующей закупоркой кровеносного сосуда;
- ослаблении стенки кровеносного сосуда с последующим образованием аневризмы.
Вышеперечисленные факторы позволяют косвенно ассоциировать атеросклероз со смертностью от инфаркта или инсульта, что делает его одним из наиболее опасных патологических состояний.
Медико-техническая база для диагностики атеросклероза недостаточно развита [2]. Пространственное разрешение систем компьютерной и магнитно-резонансной ангиографии позволяет фиксировать наличие и примерную геометрию относительно крупных атеросклеротических бляшек. Интраваскулярные УЗИ-зонды также не отличаются высоким пространственным разрешением и позволяют оценивать геометрию, а главное состав атеросклеротических бляшек лишь приближенно. Биопсия атеросклеротических бляшек имеет высокую информативность, но довольно опасна. Прогнозы по развитию атеросклероза в медицине чаще всего делают на основе анализа факторов риска (возраста, пола, генетической предрасположенности, сахарного диабета, курения, повышенного уровня холестерина, артериальной гипертензии и т.п.).
Цель проводимых исследований - создание метода оценки геометрических характеристик и состава атеросклеротических бляшек на основе сочетания интраваску-лярной оптической когерентной томографии (ОКТ) [3, 4] и компрессионной эласто-графии.
Материалы и методы
Последовательность действий по оценке геометрических характеристик и идентификации структурных составляющих схематично показана на рис. 1.
Первым действием в составе представленного метода является считывание исходных данных. В частности, проводится получение массивов структурных изображений интраваскулярной ОКТ, а также актуальных сведений о кровяном давлении и скорости кровотока в исследуемом участке кровеносного сосуда.
Последовательность структурных ОКТ-изображений подвергается анализу с учетом величины систолического и диастолического артериального давления. Первое и второе структурные ОКТ-изображения выделяются из последовательности, при этом первое соответствует моменту диастолы в исследуемом сосуде, а второе -моменту систолы [5]. Данные ОКТ-изображения подвергаются цветовой сегментации по методу водоразделов, который чувствителен к шумам, поэтому для снижения количества ложных срабатываний оба ОКТ-изображения предварительно очищаются от шумов. Маркеры на обрабатываемых изображениях могут использоваться в качестве альтернативы предварительной обработке.
Сегменты подвергаются группировке на основе сходства в интенсивности сигнала, яркости и текстуре. Объединенные сегменты по сути становятся пространственными аналогами структур исследуемого биообъекта или его фантома [6].
Центроиды вычисляются для каждого из объединенных сегментов. Абсолютные смещения структур исследуемого объекта (ОКТ-изображение в момент систолы относительно ОКТ-изображения в момент диастолы) находятся по смещениям вышеуказанных центроидов.
Посредством учета длин проекций векторов смещений на соответствующие координатные оси вычисляются продольные и поперечные размеры деформируемой области.
Величина деформирующей силы рассчитывается для множества точек в составе анализируемых ОКТ-изображений на основе сведений о разности кровяного давления в исследуемом сосуде. Модуль Юнга определяется по формуле
Е „ ^погт РГЬ81
~ М1 '
где &погш - коэффициент нормальной составляющей деформирующей силы пульсовой волны, &погт = УПТ , ипогт - компонента вышеуказанного вектора,
И
направленная по нормали к исследуемой поверхности, И - вектор скорости потока
Начало
Визуализация результатов вычислений
Считывание последовательности структурных изображений интраваскулярной ОКТ и массива с данными об актуальных кровяном давлении и скорости кровотока в исследуемом сосуде
Из последовательности ОКТ-изображений выбираются два, в частности В-сканы, соответствующие минимальному уровню деформаций (1-е изображение) и моменту максимальной сдвиговой деформации (2-е изображение)
Ее и 2-е структурные ОКТ-изображения подвергаются гментации
Основные структуры в составе атеросклеротической бляшки идентифицируются по интенсивности сигнала
Сегменты группируются в пары исходя из сходства в геометрическом расположении, текстуре и интенсивности сигнала. Абсолютные смещения для всех сегментов оцениваются по векторам смещения соответствующих центроидов. Продольные и поперечные размеры деформируемой области вычисляются в результате объединения длин сегментов по соответствующим координатным осям. Величина деформирующей силы пульсовой волны вычисляется исходя из сведений об актуальном кровяном давлении и нормальной составляющей вектора скорости кровотока
Биомеханические параметры (в первую очередь модуль Юнга) для исследуемого участка, пораженного атеросклерозом кровеносного сосуда, оцениваются с использованием классических формул
Информация о биомеханических свойствах используется для уточнения результатов первичной идентификации (по интенсивности сигнала) структур в составе атеро-склеротической бляшки
Картограмма и таблица, характеризующие структуру исследуемой атеросклеротической бляшки, выводятся конечному пользователю
Конец
Рис. 1. Ключевые этапы алгоритма оценки геометрических характеристик и внутренней структуры атеросклеротической бляшки
крови в исследуемом участке кровеносного сосуда; Ppls - кровяное давление, PPLS = PSYS - PDIA ; PSYS , PDIA - систолическое и диастолическое давление соответственно; l - продольные размеры деформируемой области; Д/ - продольные смещения.
Границы сегментов исследуемого биообъекта уточняются с использованием полученных сведений о величине модуля Юнга. Идентифицированные структуры ставятся в соответствие анатомическим структурам исследуемого биообъекта [7]. Результаты вычислений сохраняются. Картограмма, характеризующая строение и геометрию атеросклеротической бляшки, визуализируется [8].
Результаты и обсуждение
Представленный метод оценки геометрических характеристик и внутреннего строения атеросклеротических бляшек реализован практически в среде Lab VIEW [5, 9]. Тестирование метода осуществлено с использованием гидродинамических фантомов. Примеры структурных ОКТ-изображений до обработки показаны на рис. 2.
Гидродинамический фантом представляет собой полую трубку, напечатанную на SD-принтере из фотополимера [9]. Для имитации атеросклеротической бляшки на часть внутренней поверхности фантома нанесен двухкомпонентный прозрачный
в)
Рис. 2. Структурные изображения турбулентностей в потоке кровеимитирующей жидкости, вызванных атеросклеротической бляшкой, при скорости потока, мм/с:
а - 25; б - 50; в - 75
Рис. 3. Результат идентификации атеросклеротической бляшки по предложенному методу
силикон со специальными добавками [10]. Для нанесения состава применялась иголка с широким наконечником. Мелкодисперсные порошки диоксида титана TiO2 и спектрального красителя «Indian Ink» использованы соответственно в качестве рассеивающих и поглощающих добавок. В качестве кровеимитирующей жидкости брали взвесь из частиц диоксида титана в воде [3, 6].
Пример идентификации атеросклеротической бляшки в фантоме кровеносного сосуда показан на рис. 3. Дополнительная цветовая шкала применена для характеристики состава атеросклеротической бляшки. В конкретном примере градации серого цвета показывают области с однотипной концентрацией специальных добавок [11].
Рассмотрим сильные и слабые стороны предложенного метода. Двухступенчатая идентификация структур в составе атеросклеротической бляшки позволяет добиться высокой точности получаемых результатов. В рассмотренном примере геометрию бляшки удалось описать с достоверностью выше 95 %. Методы-аналоги, как правило, базируются на анализе только оптических свойств исследуемого биообъекта или его фантома, поэтому дают более низкую эффективность. Быстродействие в методах ин-траваскулярной диагностики ключевой роли не играет, так как процесс проведения зонда через артерии является довольно опасным. Экономия времени ценой повышения вероятности случайного повреждения сосуда неприемлема. В рассмотренном примере анализ данных (без учета времени на доставку зонда и сканирование) осуществлен менее чем за 0,72 секунды. Пульсовая волна используется в качестве единственного деформирующего воздействия, что повышает безопасность предложенного метода. В качестве основного недостатка следует отметить невысокую глубину когерентного зондирования исследуемого биообъекта [12].
Заключение
Предложен оригинальный подход к оценке геометрии и внутреннего состава атеросклеротических бляшек. Метод позволяет учитывать не только оптические, но и механические свойства исследуемого объекта.
Главные особенности предложенного метода:
- предварительная идентификация структур атеросклеротической бляшки на основе цветовой сегментации по алгоритму водоразделов;
- уточнение полученных данных с использованием результатов компрессионной эластографии;
- использование пульсовой волны в качестве единственного деформирующего воздействия;
- использование сведений о скорости кровотока и величине кровяного давления для расчета величины деформирующей силы и площади ее воздействия;
- расчет продольных и поперечных размеров деформируемой области, а также абсолютных смещений посредством разложения по координатным осям векторов смещения центроидов для всех анализируемых сегментов.
Данный метод может быть использован не только при проведении научных исследований, но и в реальной клинической практике, в частности нейрохирургических задачах для оценки степени влияния атеросклероза на церебральную аневризму [13].
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 16-15-10327).
Список литературы
1. Intravascular Atherosclerotic Imaging with Combined Fluorescence and Optical Coherence Tomography Probe Based on a Double-Clad Fiber Combiner / S. Liang, C. Sun, A. Saidi [et. al] // Journal of Biomedical Optics. - 2012. - Vol. 17 (7). -P. 070501.
2. Frolova, M. S. Regulations on Medical Devices in Different Countries / M. S. Frolova, S. V. Frolov, I. A. Tolstukhin // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2014. -Т. 20, № 4. - С. 726 - 733.
3. Recent Progress in Tissue Optical Clearing for Spectroscopic Application / A. Yu. Sdobnov, M. E. Darvin, E. A. Genina [et. al] // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. - 2018. - Vol. 197. - P. 216 - 229.
4. Compression Elastography and Endoscopic Optical Coherence Tomography for Biomechanical Properties Evaluation of Cerebral Arteries Walls with Aneurysm and their Phantoms / S. V. Frolov, A. Yu. Potlov, T. A. Frolovа, S. G. Proskurin // AIP Conference Proceedings. - 2019. - Vol. 2140. - P. 020020.
5. Potlov, A. Yu. Numerical Simulation of Photon Migration in Homogeneous and Inhomogeneous Cylindrical Phantoms / A. Yu. Potlov, S. V. Frolov, S. G. Proskurin // Optics and Spectroscopy. - 2020. - Vol. 128. - P. 835 - 842.
6. Bashkatov, A. N. Optical Properties of Skin, Subcutaneous, and Muscle Tissues: a Review / A. N. Bashkatov, E. A. Genina, V. V. Tuchin // Journal of Innovative Optical Health Sciences. - 2011. - Vol. 4, No. 1. - P. 9 - 38.
7. Frolov, S. V. An Endoscopic Optical Coherence Tomography System with Improved Precision of Probe Positioning / S. V. Frolov, A. Yu. Potlov // Biomedical Engineering. - 2019. - Vol. 53 (1). - P. 6 - 10.
8. Localized Compliance Measurement of the Airway Wall Using Anatomic Optical Coherence Elastography / R. Bu, S. Balakrishnan, H. Price [et al.] // Optics Express. - 2019. - Vol. 27, No. 12. - P. 16751 - 16766.
9. High-Precision Evaluation of Stress-Related Properties of Blood Vessel Walls Using In-Travascular Optical Coherence Elastography with Forward-View Probe / A. Yu. Potlov, S. V. Frolov, T. A. Frolova, S. G. Proskurin // Progress in Biomedical Optics and Imaging (Proceedings of SPIE). - 2020. - Vol. 11457, art. No. 11457 1P.
10. Photoacoustic Oximetry Imaging Performance Evaluation Using Dynamic Blood Flow Phantoms with Tunable Oxygen Saturation / W. C. Vogt, X. Zhou, R. Andriani [et al.] // Biomedical Optics Express. - 2019. - Vol. 10, No. 2. - Р. 449 - 464.
11. Wang, R. K. Doppler Optical Micro-Angiography for Volumetric Imaging of Vascular Perfusion in vivo / R. K. Wang, L. An // Optics Express. - 2009. - Vol. 17, No. 11. - P. 8926 - 8940.
12. Common-Path Phase-Sensitive Optical Coherence Tomography Provides Enhanced Phase Stability and Detection Sensitivity for Dynamic Elastography / G. Lan, M. Singh, K. V. Larin, M. D. Twa // Biomedical Optics Express. - 2017. - Vol. 8, No. 11. - P. 5253 - 5266.
13. Sindeev, S. V. Mathematical Modeling of Hemody-Namics in Patient-Specific Model of Cerebral Aneurysm / S. V. Sindeev, S. V. Frolov, J. S. Bauer // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2015. - Т. 21, № 3. - С. 424 - 428. doi: 10.17277/vestnik.2015.03.pp.424-428
The Study of Geometry and Mechanical Properties of Atherosclerotic Plaques on Vessel Walls by Intravascular Optical Coherent Tomography
S. V. Frolov, A. Yu. Potlov, T. A. Frolova, S. G. Proskurin
Department of Biomedical Engineering, [email protected]; TSTU, Tambov, Russia
Keywords: atherosclerotic plaques; biomechanical properties; intravascular applications; coherent sounding depth; optical coherence tomography; pulse wave; image segmentation; cerebral aneurysm.
Abstract: A method for studying atherosclerotic plaques on the walls of large blood vessels is proposed, which allows taking into account not only the optical, but also the mechanical properties of the object under study. Its main features are noted. The information about the geometric characteristics and internal structure of atherosclerotic plaques can be useful in determining their stability. This method is supposed to be used not only in scientific research, but also in real clinical practice, in particular, neurosurgical problems to assess the degree of influence of atherosclerosis on cerebral aneurysm.
References
1. Liang S., Sun C., Saidi A. [et. al] Intravascular Atherosclerotic Imaging with Combined Fluorescence and Optical Coherence Tomography Probe Based on a Double-Clad Fiber Combiner, Journal of Biomedical Optics, 2012, vol. 17 (7), p. 070501.
2. Frolova M.S., Frolov S.V., Tolstukhin I.A. Regulations on Medical Devices in Different Countries, Transactions of the Tambov State Technical University, 2014, vol. 20, no. 4, pp. 726-733. (In Eng., abstract in Russ.)
3. Sdobnov A.Yu., Darvin M.E., Genina E.A., Bashkatov A.N., Lademann J., Tuchin V.V. Recent Progress in Tissue Optical Clearing for Spectroscopic Application, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2018, vol. 197, pp. 216-229.
4. Frolov S.V., Potlov A.Yu., Frolovа T.A., Proskurin S.G. Compression Elastography and Endoscopic Optical Coherence Tomography for Biomechanical Properties Evaluation of Cerebral Arteries Walls with Aneurysm and their Phantoms, AIP Conference Proceedings, 2019, vol. 2140, p. 020020.
5. Potlov A.Yu., Frolov S.V., Proskurin S.G. Numerical Simulation of Photon Migration in Homogeneous and Inhomogeneous Cylindrical Phantoms, Optics and Spectroscopy, 2020, vol. 128, pp. 835-842.
6. Bashkatov A.N., Genina E.A., Tuchin V.V. Optical Properties of Skin, Subcutaneous, and Muscle Tissues: a Review, Journal of Innovative Optical Health Sciences, 2011, vol. 4, no. 1, pp. 9-38.
7. Frolov S.V., Potlov A.Yu. An Endoscopic Optical Coherence Tomography System with Improved Precision of Probe Positioning, Biomedical Engineering, 2019, vol. 53 (1), pp. 6-10.
8. Bu R., Balakrishnan S., Price H., Zdanski C., Mitran S., Oldenburg A.L. Localized Compliance Measurement of the Airway Wall Using Anatomic Optical Coherence Elastography, Optics Express, 2019, vol. 27, no. 12, pp. 16751-16766.
9. Potlov A.Yu., Frolov S.V., Frolova T.A., Proskurin S.G. High-Precision Evaluation of Stress-Related Properties of Blood Vessel Walls Using In-Travascular Optical Coherence Elastography with Forward-View Probe, Progress in Biomedical Optics and Imaging (Proceedings of SPIE), 2020, vol. 11457, art. no. 11457 1P.
10. Vogt W.C., Zhou X., Andriani R., Wear K.A., Pfefer T.J., Garra B.S. Photoacoustic Oximetry Imaging Performance Evaluation Using Dynamic Blood Flow Phantoms with Tunable Oxygen Saturation, Biomedical Optics Express, 2019, vol. 10, no. 2, pp. 449-464.
11. Wang R.K., An L. Doppler Optical Micro-Angiography for Volumetric Imaging of Vascular Perfusion in vivo, Optics Express, 2009, vol. 17, no. 11, pp. 8926-8940.
12. Lan G., Singh M., Larin K.V., Twa M.D. Common-Path Phase-Sensitive Optical Coherence Tomography Provides Enhanced Phase Stability and Detection Sensitivity for Dynamic Elastography, Biomedical Optics Express, 2017, vol. 8, no. 11, pp. 5253-5266.
13. Sindeev S.V., Frolov S.V., Bauer J.S. Mathematical Modeling of Hemody-Namics in Patient-Specific Model of Cerebral Aneurysm, Transactions of the Tambov State Technical University, 2015, vol. 21, no. 3, pp. 424-428, doi: 10.17277/vestnik. 2015.03.pp.424-428 (In Eng., abstract in Russ.)
Untersuchung der Geometrie und der mechanischen Eigenschaften von atherosklerotischen Plaques an den Wänden von Blutgefäßen durch intravaskuläre optische Kohärenztomographie
Zusammenfassung: Es ist eine Methode zur Untersuchung atherosklerotischer Plaques an den Wänden großer Blutgefäße vorgeschlagen, mit der nicht nur die optischen, sondern auch die mechanischen Eigenschaften des untersuchten Objekts berücksichtigt werden können. Es sind ihre Hauptmerkmale markiert. Informationen über die geometrischen Eigenschaften und die innere Struktur von atherosklerotischen Plaques können bei der Bestimmung ihrer Stabilität hilfreich sein. Diese Methode soll nicht nur in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt werden, sondern auch in der realen klinischen Praxis, insbesondere bei neurochirurgischen Aufgaben, um den Grad des Einflusses von Atherosklerose auf das zerebrale Aneurysma zu bewerten.
Étude de la géométrie et des propriétés mécaniques des plaques d'athérosclérose sur les parois vasculaires par la tomographie par cohérence optique intravasculaire
Résumé: Est proposée une méthode d'étude des plaques athérosclérotiques sur les parois des gros vaisseaux sanguins, qui permet de prendre en compte non seulement les propriétés optiques mais aussi celles mécaniques de l'objet étudié. Sont marquées ses principales caractéristiques. Des informations sur les caractéristiques géométriques et la structure interne des plaques athérosclérotiques peuvent être utiles pour déterminer leur stabilité. Cette méthode peut être utilisée non seulement dans la recherche scientifique, mais aussi dans la pratique clinique réelle, en particulier pour résoudre les tâches neurochirurgicales pour évaluer le degré d'influence de l'athérosclérose sur l'anévrisme cérébral.
Авторы: Фролов Сергей Владимирович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Биомедицинская техника»; Потлов Антон Юрьевич -кандидат технических наук, доцент кафедры «Биомедицинская техника»; Фролова Татьяна Анатольевна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Биомедицинская техника»; Проскурин Сергей Геннадьевич - доктор технических наук, профессор кафедры «Биомедицинская техника», ФГБОУ ВО «ТГТУ», г. Тамбов, Россия.
Рецензент: Немтинов Владимир Алексеевич - доктор технических наук, профессор кафедры «Компьютерно-интегрированные системы в машиностроении», ФГБОУ ВО «ТГТУ», г. Тамбов, Россия.
