CC BY
220
ОПТИЧЕСКАЯ ДИФФУЗИОННАЯ ТОМОГРАФИЯ (ОДТ) ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ РАКА МОЛОЧНОЙ ЖЕЛЕЗЫ
В.А.Каменский. А.Г. Орлова, И.И.Фикс, М.С.Клешнин, В.И. Плеханов, Н.М. Шахова, И.В.Турчин Институт прикладной физики РАН, [email protected]
Создан опытный образец оптической диффузионной томографии с программами автоматизации, реконструкции и определения компонентного состава мягких биотканей, позволяющий диагностировать и проводить мониторинг неоплазии на глубину до 80мм.
Развитие новых биологических и химических технологий в медицине требует создания неинвазивных методик, позволяющих наблюдать за внутренними процессами биоткани.
Визуализация внутренней структуры биотканей обычными оптическими средствами ограничена сильным рассеянием света. Только появление специальных методов наблюдения за процессами в мутных средах [1] - оптической когерентной томографии (ОКТ) [2, 3], оптоакустики (ОА) и оптическая диффузионной томографии (ОДТ) [4, 5], позволило исследовать ткани, не вызывая изменения гомеостаза. ОДТ основана на получении информации с помощью сильно рассеянной, диффузной компоненты, способной проникать в биоткань на глубину до нескольких сантиметров. ОДТ определяет поглощающие и рассеивающие неоднородности внутри биоткани на основе обработки детектированного сигнала от прошедшего через ткань лазерного излучения. При зондировании излучением локация объекта происходит как решение обратной математической задачи, основанное на анализе изображения объекта, полученных при различных положениях источника, т.е. по различным проекциям лоцируемого объекта. Методы, использующие для диагностики рассеянную компоненту света, в основном работают в так называемом «окне прозрачности» (спектральной области 600-1000 нм), где рассеяние существенно превышает поглощение биотканей. Значения поглощения и рассеяния различных компонент в этой области сильно меняются, что позволяет надеяться, что при соответствующей обработке, лоцируя ткань разными длинами волн, можно будет определить компонентный состав биоткани. Предполагается, что оптические свойства определяется в основном четырьмя компонентами; липиды, вода, окси- (02НЬ ) и дезоксигенированный (ННЬ) гемоглобин. В медицине и биологии их концентрация является традиционным клиническим индикатором состояния организма. Суммарная концентрация гемоглобина в крови (1НЬ = ННЬ + 02НЬ), степень оксигенации крови ^02 = 02НЬ / ШЪ), содержание воды и липидов легко связать с патофизиологическими признаками. В частности, в районе опухоли увеличена концентрация оксигемоглобина, в фиброаденомах относительно окружающих тканей содержится больше воды.
Получение спектроскопической информации при ОДТ позволяет не только локализовать неоднородности в биотканях но и определять их компонентный состав. Поскольку эти вещества имеют различную зависимость коэффициента поглощения от длины волны используется одновременное зондирование биоткани несколькими лазерами. Оптимально использовать длины волн 700 нм (основной вклад в поглощение вносит ННЬ), 780 нм ( изобестическая точка с равным поглощением ННЬ и 02НЬ) и диапазона 850-1000 нм (малое поглощение на ННЬ). В результате работы был создан опытный образец оптического диффузионного томографа с программами автоматизации, реконструкции и определения компонентного состава мягких биотканей (рис.1). Были проведены клинические испытания. В исследование были вовлечены 10 добровольцев, из которых 5 не имели никаких заболеваний молочной железы, и 5 являлись пациентами ГУЗ
Нижегородского областного онкологического диспансера после постановки диагноза карциномы молочной железы. Для верификации данных, полученных методом ОДТ, проводилось ультразвуковое исследование и гистологический анализ. На рис. 2 приведены ОДТ изображения нормальной ткани на 3-х длинах волн, все изображения однородны, без наличия каких-либо включений. На рис. 3 приведены ОДТ изображения карциномы. После математической обработки получены карты распределения окси- и дезоксигемоглобина.
Рис.1. Внешний вид
установки и установка в клинических условиях вместе со специально разработанной кушеткой с отверстием.
684 пт
794 пт
850 пт
100
0 100
0 0.08
0.04 10
Рис. 2. ОДТ изображение нормальной ткани на 3 длинах волн; область сканирования 57*46 мм, толщина объекта 80 мм.
684 nm
794 nm
850 nm
Рис. 3. ОДТ изображение карциномы груди; область сканирования 80*60 мм, толщина 80 мм.
Работа выполнена при поддержке Федерального агентства по науке и инновациям, гоконтракт № 02.522.11.2002 и Российского фонда фундаментальных исследований, проект № 08-02-01042-а. Авторы благодарны Нижегородскому областному онкологическому диспансеру за помощь в проведении клинических исследований.
1. A.M.Sergeev, L.S.Dolin, D.H.Reitze, "Review on optical tomography of biotissues Optical tomography of biotissues past, present, and future", Optics & Photonics News. July 2001, 28-353.
2. A.M. Sergeev, V.M. Gelikonov, G.V. Gelikonov, F.I. Feldchtein, R.V. Kuranov, N.D. Gladkova, N.M. Shakhova, L.B. Snopova, A.V. Shakhov, I.A. Kuznetzova, A.N. Denisenko, V.V. Pochinko, Yu.P. Chumakov, O.S. Streltzova, "In vivo endoscopic OCT imaging of precancer and cancer states of human mucosa", Optics Express 1, 432-440, 1997.
3. L.S. Dolin, F.I. Feldchtein, G.V. Gelikonov, V.M. Gelikonov, N.D. Gladkova, R.R. Iksanov, V.A. Kamensky, R.V. Kuranov, A.M. Sergeev, N.M. Shakhova, I.V. Turchin, "Fundamentals of OCT and Clinical Applications of Endoscopic OCT", pp. 211-270 in Coherent-Domain Optical Methods. Biomedical Diagnostics, Environmental and Material Science. Edited by Valery V. Tuchin. Kluwer Academic Publishers, 2004.
4. S. Fantini, E.L. Heffer, H. Siebold and O. Schutz, "Using Near-Infrared Light To Detect Breast Using Near-Infrared Light To Detect Breast Cancer", Optics & Photonics News, November 2003 pp. 24-29, 2003,
5. Chen Yu, Chenpeng Mu, Xavier Intes, Britton Chance, "Signal-to-noise analysis for detection sensitivity of small absorbing heterogeneity in turbid media with single-source and dual-interfering-source", Optics Express, 9, pp. 212-224, 2001.
