WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Развитие методов оптической томографии для медицинских и биологических применений

На правах рукописи

Каменский Владислав Антониевич

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОПТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ
ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ
ПРИМЕНЕНИЙ

03.01.02 – биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Саратов
2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук
Институте прикладной физики РАН


Официальные оппоненты:


доктор биологических наук, академик РАМН
Владимиров Ю.А., Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (г. Москва);

доктор физико-математических наук Зимняков Д.А., Саратовский государственный
технический университет (г. Саратов);

доктор биологических наук Моничев А.Я.,
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (г. Нижний Новгород);

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт

биохимической физики им. Н.И. Эммануэля РАН

Защита состоится " 04 "октября 2011 г. в 15.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.243.05 в 3-м корпусе СГУ в аудитория №34.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке им. В.А. Артисевич Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского

Автореферат разослан "__" 2011 г.

Ученый секретарь
диссертационного совета

д. ф.-м. н., профессор В.Л. Дербов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность темы


Сложноорганизованная структура биологических объектов, сложность химического состава и отклика организма на воздействие, которое может значительно изменить физические характеристики биоткани, еще недавно практически не позволяли изучать динамику процессов внутри биоткани.

Аналитическое рассмотрение процессов взаимодействия излучения с веществом и распространения излучения в таких сложных комплексных средах началось с появлением численных методов, вызвавших резкий рост публикаций, посвященных построению математических моделей биообъектов.
В то же время, измерять характеристики in vivo можно только методами, которые не нарушают относительного динамического постоянства состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций организма (гомеостаза), или же исследовать биоткань ex vivo. Следует отметить, что оптические характеристики в in vivo и ex vivo исследованиях часто кардинально отличаются. При этом разрешение методов должно позволять наблюдать структуру ткани на клеточном уровне или хотя бы на уровне слоев или групп клеток. Поэтому, с появлением новых оптических технологий, таких как волоконная оптика и фемтосекундные лазеры, усилия ученых были направлены на создание новых методов диагностики. Всем этим требованиям отвечают методы оптической визуализации, которые открыли принципиально новые возможности для мониторинга большинства биологических процессов. Осуществляя мониторинг лечебного процесса, можно своевременно корректировать его, вмешиваясь и управляя переходным состоянием, т.е. судьбой биологического организма.

Созданные за последнее время методы оптической визуализации [1] можно разделить на методы, позволяющие наблюдать микроструктуру ткани – оптическую томографию, и методы, регистрирующие биохимические изменениям, прежде всего спектроскопические и флуоресцентные методы.

Фундаментальной исследовательской задачей оптической томографии является получение изображений структуры живых биологических объектов на тканевом, клеточном и субклеточном уровнях на различных глубинах неинвазивным образом в реальном времени, а прикладной целью – создание новых методов диагностики и контроля процессов (например, процесса лечения больного).

Для зондирования в оптической томографии используется излучение ближнего инфракрасного диапазона, в так называемом "терапевтическом окне прозрачности", которое может сравнительно глубоко (до нескольких десятков сантиметров) проникать в биоткань и одновременно является неинвазивным вследствие малой величины энергии оптического кванта и малой мощности (сравнимой с солнечным излучением) источника излучения. В данном диапазоне длин волн внутренняя микроструктура биологических объектов имеет отличающиеся на несколько порядков оптические коэффициенты рассеяния и поглощения, что является принципиальным фактором формирования контраста. Рассеяние излучения в биотканях обусловлено пространственным распределением показателя преломления и зависит от особенностей строения биоткани. В свою очередь, данное распределение определяет макроскопические оптические параметры: коэффициент рассеяния s, коэффициент поглощения a и фактор анизотропии g (средний косинус угла рассеяния). Изменяя распределение показателя преломления внутри биоткани можно управлять ее оптическими характеристиками. Такое управление может быть осуществлено с помощью компрессии, а также применения просветляющих [2] или контрастирующих агентов [3].

В этой работе акцент делается на мониторинг процессов при наблюдении методами ОКТ и его модификаций – оптической когерентной микроскопии (ОКМ), кросс-поляризационной ОКТ (КП ОКТ) [4], оптической диффузионной томографии ОДТ [5] и кросс-поляризационной отражательной спектроскопии (КПОС) [6].

ОКТ – метод построения изображений внутренней структуры рассеивающих объектов, основанный на низкокогерентной интерферометрии с широкополосными источниками излучения видимого или ближнего инфракрасного диапазона длин волн. Благодаря успехам в оптике рассеивающих сред, появлением фемтосекундных и фемтокоррелированных источников излучения, оптоволоконных элементов и достижениям в вычислительной технике удалось разработать и создать оптические когерентные томографы, позволяющие получать прижизненную информацию о внутренней структуре поверхностных биотканей, в том числе слизистых оболочек, с пространственным разрешением до 1 микрона на глубину до 2 мм.

ОДТ основана на получении информации с помощью сильно рассеянной, диффузной компоненты, способной проникать в биоткань на глубину до десяти сантиметров. ОДТ позволяет обнаружить, идентифицировать, определить параметры поглощающих и рассеивающих неоднородностей внутри биоткани на основе обработки сигнала от прошедшего через ткань лазерного излучения. Как и для любого трансмиссионного метода, задача сводится к реконструкции распределения поглощения и рассеяния по измеренному набору интегралов по траекториям. В отличие от рентгеновской просветной томографии, где можно считать трассы лучей прямыми, здесь этого сделать нельзя из-за сильного рассеяния.

КПОС основана на поляризационном зондировании покровных биотканей, состоящих из эпителия и стромы. Биоткань зондируется линейно поляризованным широкополостным излучением ближнего ИК диапазона. Прием обратно рассеянного излучения от биоткани осуществляется одновременно в двух взаимно ортогональных поляризациях. Использование поляризационного приема позволяет выделить информативную компоненту излучения, которой является слабое упругое рассеяние от эпителия, на фоне мощного диффузного фона, состоящего из излучения, претерпевшего рассеяние в подлежащей строме. Физический принцип выделения рассеяния от эпителия основан на существенном различии оптических свойств эпителия и подлежащей стромы.

Основное содержание диссертации связано с экспериментальными исследованиями возможностей использования новых методов оптической диагностики для изучения процессов при разнообразных воздействия на биологические объекты и создания методов контроля и лечения.

Целями настоящей диссертационной работы

являются:


Главными исследовательскими целями диссертации является создание методов динамического наблюдения процессов в биотканях с использованием устройств оптической томографии, создание и модернизация самих устройств. Основной прикладной целью – создание новых методов для исследования физических и биологических процессов в живых системах в биологии и способов диагностики и контроля лечения в клинической практике.

Работа была направлена на решение следующих задач:

  • Разработать методы измерения параметров биоткани для создания медицинской диагностики неопластических процессов с помощью оптической когерентной томографии, оптической диффузионной томографии, кросс-поляризационной отражательной спектроскопии.
  • Развить методы КП ОКТ и КПОС для исследования деполяризации света при рассеянии на коллагеновых волокнах и на клетках. Создать прототип кросс-поляризационного отражательного спектрометра на поляризационно-сохраняющем анизотропном волокне для мониторинга границы злокачественных новообразований.
  • Развить метод проекционной ОДТ для определения компонентного состава биологических тканей.
  • Провести исследование возможности дифференциации слоев биоткани, отличающихся различной компрессией, в том числе для диагностики неопластических изменений.
  • Исследовать возможность дифференциации слоев биоткани, отличающихся различными диффузионными свойствами при использовании контрастирующих агентов – наноразмерных коллоидных частиц.
  • Показать возможность проведения органосохраняющих операций при определении границ злокачественной опухоли методом ОКТ.
  • Исследовать возможности методов ОКМ и ОКТ для мониторинга восстановления растительной ткани при различном водоснабжении.
  • С использованием ОКТ провести in situ наблюдение процессов модификации биоткани при воздействии излучения лазеров среднего ИК диапазона. Сравнить ИК лазерное и ВЧ воздействие на биоткани in vitro при мониторинге методом поляризационно-чувствительной оптической когерентной томографии.

Научная новизна диссертационной работы

Первые клинические ОКТ изображения нормальных и патологически измененных тканей в эндоскопии, гинекологии, отоларингологии, стоматологии показали различия в структуре их ОКТ образов. Создана методика проведения органосохраняющих операций гортани с определением границ злокачественной опухоли методом ОКТ и бескровной лазерной резекции на длинах волн 1.44 мкм и 1.32 мкм.

Для диагностики злокачественных опухолей разработан и создан новый эндоскопический прибор на основе метода кросс-поляризационной отражательной спектроскопии на оптическом волокне, сохраняющем поляризацию.

Впервые проведено систематическое исследование возможностей нового метода диагностики биологических сред – оптической когерентной томографии – для мониторинга взаимодействия лазерного излучения с биотканями. Впервые детально исследован процесс свеллинга биотканей под действием импульсно-периодического лазерного излучения с наблюдением динамики формирования вздутия.

Получены одни из первых ОКТ и ОКМ изображений семян и растительных тканей. Впервые создана методика определения засухоустойчивости растений при помощи мониторинга восстановления растительной ткани при различном водоснабжении при помощи метода ОКТ.

Практическая значимость работы

Высокая потребность в новых методиках и приборах оптической томографии объясняется широкой областью их применения. По результатам исследования разработаны и модифицированы установки для ОКТ, КП ОКТ, КПОС и ОДТ. В ходе исследования проведена оптимизация параметров лазерных установок, использующихся для воздействия на биоткани. На основе разработанных установок созданы методики для использования в биологии и практической медицине. Методики апробированы в модельных экспериментах, лабораторных животных, а также в клинических условиях.

Показаны варианты использования разработанных устройств и методик:

- в мониторинге жизнедеятельности растений;

- в диагностике функциональных и морфологических изменений живых объектов (в том числе и лабораторных животных) в экспериментальной биомедицине;

- в контроле различных видов воздействия на живые системы, в том числе в клинической практике;

- в диагностике патологических процессов (в том числе и неоплазии) в клинической практике.

На защиту выносятся основные положения:

1. Различие оптических свойств нормальных и патологически измененных покровных тканей позволяют разработать критерии интерпретации клинических изображений, полученных с использованием эндоскопической ОКТ установки.

2. Методика проведения органосохраняющий операции гортани при злокачественной опухоли может быть создана на основе метода диагностики границы методом ОКТ с точностью нескольких сотен микрон и бескровной лазерной резекцией на длинах волн 1.44 мкм и 1.32 мкм.

3. КП ОКТ позволяет дифференцировать здоровую, неопластическую слизистую и метаплазию на основе резкого различия в деполяризации света при рассеянии на коллагеновых волокнах и на клетках.

4. Метод кросс-поляризационной отражательной рефлектометрии позволяет в режиме реального времени, неинвазивно определять границы злокачественных образований.

5. Использование компрессии позволяет контрастировать ОКТ-изображения слоев биоткани с различными механическими свойствами. Компрессия с силой более 1 Н (при площади щупа 5 мм2) позволяет выделить особенности на ОКТ-изображениях, которые отличаются при воспалении и карциноме прямой кишки при диагностике в экспериментах ex vivo.

6. Контрастирование структурных элементов ОКТ-изображений покровных тканей животных in vivo может быть основано на различии диффузионных свойств ткани для наночастиц c плазмонным резонансом на длине волны зондирующего излучения. Максимальный контраст между слоями (10 дБ, на глубине 500-700 мкм) при сравнении эффективности применения различных наночастиц в качестве контрастирующих агентов достигается при использовании золотых нанооболочек, обладающих плазмонным резонансом на частоте локации.

7. В широком диапазоне параметров ИК лазерного излучения, поглощаемого в биовеществе, в основном, водой, оптическая когерентная томография позволяет наблюдать динамику процессов фотоденатурации, свеллинга (разбухания) и абляции, а также измерять термически пораженную зону в результате лазерного воздействия. Метод ОКТ может быть успешно использован для диагностики процессов лазерной модификации биотканей в реальном времени.

8. При локации поглощающих и рассеивающих включений в биоткани оптический диффузионный томограф, основанный на регистрации сильно рассеянной (диффузной) компоненты излучения методом волн фотонной плотности, позволяет определять компонентный состав (окси - и дезоксигемоглобина) биоткани, и может быть применен для мониторинга лечения злокачественных опухолей молочной железы.

Апробация работы

Работы, представленные в диссертации, осуществлялись по программам Президиума РАН «Фундаментальные науки – медицине», «Фемтосекундная оптика и новые оптические материалы» и «Поддержка инноваций и разработок»; по госконтрактам Министерства промышленности и науки РФ (контракт № 2/1 от 24 декабря 1998 г. "Оптический томограф для построения изображений живых биотканей",  контракт №  4/2000 от 15 сентября 2000 г. "Микроскоп для визуализации трехмерной структуры оптически непрозрачных объектов") и Министерства образования и науки РФ (контракт № 02.522.11.2002 «Разработка технологий оптической томографии и выпуск опытных партий приборов для диагностики биологических тканей»; контракт № 02.435.11.3004 "Разработка методов прижизненного мониторинга молекулярных процессов в живых организмах на основе принципов флуоресцентной томографии"; контракт № 40.018.1.1.1312 “Развитие новых методов оптической томографии для диагностики биологических структур”); по грантам РФФИ (№ 04-02-16748-а «Исследование процессов распространения и взаимодействия оптического излучения в сильнорассеивающих средах методами светодиффузионной томографии и оптоакустики», № 05-08-50276-а «Разработка опытного образца автоматизированного медицинского диагностического комплекса на основе метода оптической диффузионной томографии», № 07-02-01127- «Поляризационная оптическая спектроскопия»); по международным грантам ИНТАС (97-1430 «Towards controlled laser physics and engineering of proteoglycan based tissues») и СRDF (№ RB2-2389-NN02 “Development of methods for early diagnostics of neoplasia using optical coherence tomography).

Основные результаты, изложенные в диссертации, неоднократно докладывались на семинарах в Институте прикладной физики РАН, а также на следующих конференциях: Оптика лазеров' 93 (Ленинград), IX-th Conference on Laser Optics, (S.-Petersburg), the Workshop on Optical Technologies in Biophysics & Medicine (Saratov Fall Meeting 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, на 6 международной конференции Лазерные Технологии ILLA' 98 (Шатура, Московская область), Фундаментальные и прикладные исследования в медицине (конференция РАЕ); 2003, Греция, Лутраки, I-II Троицкая конференция «Медицинская физика и инновации в медицине» (г. Троицк), международные; International Simposium on Intensive Laser Actions and their Applications IllA и Conference on Laser Application Engineering LAE-8 (Сан-Петербург-96); Exhibition presentation at 10 Conference on Laser Optics, St. Petersburg, 2000, CLEO' 96, 98, BiOS Europe'96 of Conference Photonics West (Вена), Fourth International Conference on Laser Ablation COLA' 97 (Monterey), BiOS of Conference Photonics West 94, 96, 97, 98, 99, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2008 (San-Jose), 17th International Cancer Congress, (Brasil), Annual Meeting of the Americal Society for Laser Medicine and Surgery (San-Diego) 98, 99, RGLS’2000, 21.09.00-26.09.00, Suzdal, 11th International Laser Physics Workshop. Bratislava, Slovac republic, 2002, of International Quantum Electronics Conference & Conference on Lasers, Applications, and Technologies. June 24-27, 2002, OSA Technical Digest, Marwood N. Ediger, ed. (Optical Society of America, Washington, D.C., 2002), IQEC/LAT 2002, Восьмая Российская гастроэнтерологическая неделя, Москва, 2002, OSA Biomedical Topical Meeting. Miami Beach, FL, USA. 14–17 апреля 2004, EUROGIN 2004 International Expert Meeting,. Российско-германский лазерный симпозиум (RGLS-2005). Нижний Новгород, Россия. 1–7 октября 2005 г., (ICONO/LAT 2005), Eurobios 2005, (LPHYS’05) St. Petersburg, the 10th Int. Congress on Oral Cancer, Crete, Greece 2005, European Cancer Conference of Oncology-13, Paris, France, October 2005, Китайско-российский семинар по биофотонике (BBO, Вухань, 2006). Международная школа Saratov Fall Meeting 1998-2009, «Отечественные противоопухолевые препараты» 2008-2009, Всероссийская конференция Нелинейная динамика в когнитивных исследованиях, Нижний Новгород 2009, Biophysics & bioelectrochemistry for medicine 2009, 6-10 May, Cisnadioara, Romania, (2009), ECBO 2009, Topical Problems of Biophotonics-2007, 2009 и другие.

За установку кросс-поляризационной отражательной спектроскопии получена золотая медаль на международной выставке «Инновация-2008» в Брюсселе.

За установку оптический диффузионный томограф получена золотая медаль по международной программе «Golden Galaxy» в 2009 г.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, двух приложений и списка литературы. Общий объем, включая 187 страницы основного текста с 68 рисунками, 2 приложениями на 38 страницах и списка литературы из 232 наименований на 32 страницах, составляет 259 страниц.

Основное содержание диссертации опубликовано в 53 печатных работах, включая 22 статью в журналах, входящем в перечень ВАК, 20 статей в зарубежных журналах, входящих в международные системы цитирования 5 глав в книгах, 5 патентов и заявок на патенты и один препринт.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и практическая ценность работы, сформулированы цели диссертации.

Первая глава посвящена обзору литературы и истории применения методов оптической томографии в широком круге биологических и медицинских приложений метода.

Рассмотрены вопросы развития методов и приборов оптической томографии, роли оптических технологий, на основе которых стало возможным создание оптической томографии и оптической диффузионной томографии. Рассмотрены возможности ОКТ для мониторинга процессов модификации и абляции биоткани. Для сравнения приведены параметры созданных в отделе приборов (см. Приложение I).

Во второй главе описаны проведенные исследования морфо-функционального состояния покровных битканей методом ОКТ.

Рис. 1. Слизистая оболочка гортанной поверхности надгортанника в исследовании post mortem: ОКТ изображение (слева) и гистологическое изображение (справа); окраска гематоксилином и эозином, 100. Масштабный отрезок на ОКТ-изображении равен 1 мм.

На рис. 1 и 2 приведены результаты первых клинических исследований, выполненных совместно с коллегами из Нижегородской государственной медицинской академии по сопоставлению ОКТ изображений тканей человека in vivo и параллельных гистологических исследований.

Как пример практического применения, описана методика проведения органосохраняющих операций при определении границ злокачественной опухоли методом ОКТ с бескровной лазерной резекцией. Показано, что оптимальный режим при полном отсутствии кровотечения для длины 1.32 мкм с плотностью мощности 200 Дж/см2 формирует зону денатурации соприлегающих тканей не превышающую 300 мкм, для 1.44мкм с плотностью мощности 70 Дж/см2 формирует зону денатурации соприлегающих тканей не превышающую 150 мкм.

Рис. 2. ОКТ изображение тяжелой дисплазия эпителия слизистой оболочки полости рта (слева) и гистологический препарат (справа); окраска гематоксилином и эозином, 100. Масштабный отрезок на ОКТ-изображении равен 1 мм.

В третьей главе показано, что КП ОКТ позволяет дифференцировать здоровую, неопластическую слизистую и метаплазию, используя резкое различие в деполяризации света при рассеянии на коллагеновых волокнах и на клетках. Ткани злокачественных опухолей, имеющие в основном клеточное строение, слабо визуализируются в ортогональном КП ОКТ изображении, в отличие от тканей рубца и метаплазии, сигнал в ортогональном КП ОКТ изображении определяется сильной деполяризацией на анизотропных рассеивателях, коллагеновых волокнах. Характер КП ОКТ образов не зависит от органной принадлежности слизистой (гортань, шейка матки).

Используя данный эффект для диагностики злокачественных опухолей разработан эндоскопический прибор на основе метода кросс-поляризационной отражательной спектроскопии на оптическом волокне, сохраняющем поляризацию. Функциональная схема приведена на рис. 3.

 Функциональная схема эндоскопического кросс-поляризационного-5

Рис. 3. Функциональная схема эндоскопического кросс-поляризационного спектрометра на сохраняющем поляризацию волокне.

Проведено исследование метода кросс-поляризационной отражательной рефлектометрии для мониторинга границы злокачественных образований (рис. 4). Созданный оптический зонд 1.4 мм совместим с рабочими каналами стандартных эндоскопов, что делает слизистые оболочки полых органов, эндотелий сосудов, серозные оболочки полостей и суставов доступными для исследования их методом КПОС и позволяет использовать данный метод в бронхоскопах и артероскопах.



Рис. 4. Отнормированная амплитуда прямой и ортогональной составляющей принимаемого сигнала в зависимости от координаты вдоль образца (выполнена на установке с длиной волны 1.3 мкм на образце злокачественной опухоли гортани – нормальная ткань). Стрелкой указана гистологическая граница. Справа гистологическое изображение данного участка.

В четвертой главе исследуется управление оптическими характеристиками биотканей, которое сводится к изменению их рассеивающих или поглощающих характеристик с помощью компрессии и наноразмерные частиц.

Проведено статистическое исследование изменения структурных характеристик кожи по измерению оптических слоев на ОКТ-изображениях у 43 здоровых добровольцев в возрасте от 4 до 74 лет от возраста. Параллельно ОКТ-обследованию с помощью многофункционального прибора Multi Skin Test Center® MC 750 измерялись функциональные характеристики кожи, такие как жирность, увлажненность, эластичность, пигментация, кислотно-щелочной баланс, барьерные свойства кожи (ТЭПВ - трансэпидермальная потеря воды). Результаты исследования обработаны по корреляционному анализу (Спирмена) и выявлены статистически значимые корреляции возраста с толщиной клеточных слоев эпидермиса (p=0,035), с уровнем пигментации (p=0,044) и эластичностью (p=0,00012).

Исследовались возможности дифференциации слоев биоткани, которые схожи по оптическим свойствам, но отличаются различной упругостью и возможностью сжатия. Исследовано влияние прижима ОКТ зонда на кожу, показано наличие характерных времен контрастирования. Использование компрессии позволяет управлять оптическими параметрами биоткани путем изменения концентрации элементов, рассеяние от которых формирует сигнал ОКТ. Продемонстрировано, что компрессия является эффективным методом при дифференциации воспаления и карциномы прямой кишки при диагностике методом ОКТ ex vivo (рис. 5).

a) б)


c) д)

Рис. 5. ОКТ-изображения участка прямой кишки с воспалением (а) и карциномой (б) без компрессии и (с, д) с компрессией с силой 2.5 Н на площадь поперечного сечения щупа (d =2.7 мм). Масштабный отрезок на ОКТ-изображении равен 1 мм.

Применение устройств, измеряющих силу прижатия зонда, позволяет проводить ОКТ диагностику при стабилизированном сжатии биотканей, что является необходимым условием для получения достоверного результата исследований. Слои и включения на ОКТ изображениях кожи in vivo при стабилизированном сжатии становятся наиболее контрастными через 50-70 секунд после начала прижима при давлениях 1-3 атм.

Проведено исследование возможности дифференциации слоев биоткани, отличающихся различными диффузионными свойствами, при использовании в качестве контрастирующих агентов наноразмерных коллоидных частиц золота и оксида титана. На рис. 6 представлена динамика проникновения золотых нанооболочек в двухслойном фантоме биоткани с более плотным нижним слоем. Через 44 часа концентрация наночастиц вблизи границы слоев становится высокой, что приводит к значительному (более чем в 30 раз) увеличению контрастности границы.

а б
в г

Рис. 6. ОКТ-изображения двухслойного фантома с концентрацией агара 0.3% в верхнем слое, 0.5% в нижнем: а – до наненсения наночастиц, б – через 120 мин, в – через 240 мин, г – через 44 ч после нанесения золотых нанооболочек. Размер изображений 2х2 мм.

Изменения в ОКТ -изображениях исследуемых объектов при применении золотых нанооболочек выражаются в увеличении интенсивности сигнала на ОКТ -изображении в области, соответствующей поверхностной дерме, в которой концентрируются применяемые наночастицы, снижении уровня сигнала в нижних более глубоких плотных слоях дермы и, как результат, контрастировании границы между двумя слоями соединительной ткани кожи, отличающимися морфологической структурой.

Проведено сравнение эффективности применения различных наночастиц в качестве контрастирующих агентов на коже животных in vivo.


Пятая глава посвящена исследованию возможностей использования метода диагностики биотканей - оптической когерентной томографии - для изучения лазерного воздействия на биологическое вещество в режимах фотоденатурации, свеллинга и абляции (рис. 7).



a) При больших значениях плотности энергии F с одного импульса возникал абляционный кратер,



б) При меньших значениях F с одного импульса происходило выдавливание вещества,


в) При самых малых значениях F происходило интенсивное высушивание и формировался прогиб поверхности.

Рис. 7. ОКТ-изображения основных видов реакции биоткани на воздействие в зависимости от величины плотности энергии F.

В этой главе нами впервые показано, что ОКТ позволяет в режиме реального времени проводить мониторинг процесса абляции.

ОКТ может быть успешно использована для диагностики процессов лазерной модификации биотканей в реальном времени. Проведенные экспериментальные исследования показали наличие интересного режима модификации: возникновения выдавливания биовещества-свеллинга, при воздействии излучения лазеров с поглощением в объеме биовеществ. Исследование кинетики свеллинга на поверхности вещества при воздействии лазерного излучения, в основном поглощающегося водой, показало, что высота выдавливания при одноимпульсном воздействии зависит от коэффициента поглощения в веществе.

Свеллинг (разбухание) биотканей под действием лазерного излучения характеризуется сложной динамикой модификации. ОКТ позволяет наблюдать, что в процессе импульсно-периодического воздействия свеллинг характеризуется постепенным накоплением денатурированного вещества в области вспучивания с ее последующим резким разрушением и выбросом газообразных продуктов разложения. Результаты работы показали эффективность сравнительных исследований и возможность оптимизации режимов как лазерного, так и ВЧ воздействий под контролем КП ОКТ. Показано, что КП ОКТ может детектировать особенности ответной реакции биотканей в зависимости от вида воздействия.

Продемонстрирована возможность использования ОКТ для оптимизации режимов излучения Ик лазеров и ВЧ устройств, применяемых в терапевтической медицине. Нами обнаружено принципиальное различие ИК и ВЧ воздействия. Нагрев ВЧ полем, определяемый содержащейся в тканях водой, носит неоднородный характер, масштаб неоднородности нагрева порядка 50 мкм. При высоких мощностях это приводит к изменению характера резекции ткани – разрыв ткани внутренним давлением воды, что было зафиксировано на ОКТ-изображениях и подтверждено гистологическими исследованиями.

Шестая глава посвящена разработке метода и созданию опытного образца прибора оптической диффузионной томографии с программами автоматизации, реконструкции и определения компонентного состава мягких биотканей, позволяющего диагностировать и проводить мониторинг метаболического статуса опухоли на глубину до 80 мм (ОДТ). Функциональная схема приведена на рис. 8.

С использованием ОДТ-установки проведена серия исследований тканей молочной железы в норме. Исследование проводилось с целью определения возможностей ОДТ-установки для оценки оптических свойств глубоко расположенных тканей и выявления их физиологических особенностей. Показано, что ткани в норме характеризуются однородностью и отсутствием каких-либо включений.

Далее проведена апробация данного метода в клинических условиях для диагностики злокачественной опухоли груди на ранних стадиях (рис. 9). В отличие от тканей молочной железы в норме, ОДТ-изображения опухоли характеризуются неоднородностью, присутствием поглощающих и рассеивающих включений. Как видно из приведенных изображений, зона опухоли четко выделяется на фоне окружающих тканей. Для данной зоны характерен пониженный уровень амплитуды сигнала, наблюдаемый на всех длинах волн. Следует отметить, что такие изображения получаются непосредственно во время проведения ОДТ-исследования.

 Функциональная схема прибора ОДТ на волнах фотонной плотности с-23

Рис. 8. Функциональная схема прибора ОДТ на волнах фотонной плотности с частотой 140 Мгц.

Рис. 9. Результаты ОДТ исследования молочной железы пациентки Н. Диагноз: рак правой молочной железы T1N0M0, I ст. Амплитуда сигнала, усл. ед. (а), распределение коэффициентов рассеяния, см-1 (б); двумерное распределение окси- (HHb), дезоксигемоглобина (HbO2), уровня насыщения крови кислородом (StO2). Размер ОДТ-изображения 90х50 мм.

В первом приложении представлены технические параметры устройств, разработанных в отделе 340 ИПФ РАН, используемых в данной диссертационной работе.

Во втором приложении представлен анализ применимости двух оптических методов: оптической когерентной томографии (ОКТ) и оптической когерентной микроскопии (ОКМ) для прижизненной визуализации тканей растений. На основе полученных ОКТ и ОКМ изображений растений показана возможность оценки морфо-функционального состояния тканей растений in vivo. Мониторинг морфофункционального состояния тканей с временным разрешением 1-4 сек можно проводить на интактных растениях, не извлекая их из естественного окружения.

Личный вклад автора

Основные идеи, заложенные в диссертации, принадлежат автору. Основная часть содержащихся в диссертации материалов получена автором самостоятельно, либо под его руководством и при непосредственном участии.

Экспериментальные исследования на животных, вошедшие в данную работу, проведены на кафедре биофизики биологического факультета Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

Клинические исследования, вошедшие в данную работу, проведены на базах Нижегородской Государственной Медицинской Академии (кафедры гинекологии, общей хирургии, урологии, болезней уха, горла и носа, стоматологии) в Нижегородской областной клинической больнице им. Н.А.Семашко и в Нижегородском областном онкологическим диспансере.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

  • На основе различия оптических свойств нормальных и патологически измененных покровных тканей разработаны принципы интерпретации клинических ОКТ изображений, полученных с использованием эндоскопической ОКТ установки.
  • Создана методика определением границ злокачественной опухоли методом ОКТ и бескровной лазерной резекцией на длинах волн 1.44 мкм и 1.32 мкм для проведения органосохраняющих операций на гортани. Оптимальное сочетание режущего и коагулирующего режима с минимальным поражением прилегающих тканей достигается для длины волны 1.32 мкм при плотности энергии 200 Дж/см2 (не более 300 мкм), для 1.44 мкм –
    70 Дж/см2 (не более 150 мкм).
  • Показано, что КП ОКТ позволяет дифференцировать бесструктурные ОКТ изображения за счет различия деполяризующих свойств объектов: ткани злокачественных опухолей, имеющие в основном клеточное строение, слабо визуализируются в ортогональной поляризации; рубцовые и метапластические изменения хорошо визуализируются в ортогональной поляризации за счет эффективной деполяризацией на коллагеновых волокнах.
  • Разработан и создан эндоскопический прототип прибора на основе метода кросс-поляризационной отражательной спектроскопии (КПОС) на одномодовом поляризационно-сохраняющем волокне для диагностики злокачественных опухолей с коэффициентом поляризационной развязки между ортогональными поляризациями не менее 23 дБ и диаметром щупа 1.4 мм. Показано, что гистологическая граница злокачественная опухоль – нормальная ткань более точно определяется по изменению сигнала ортогональной компоненты по сравнению с сигналом исходной компоненты.
  • Разработан метод контрастирования ОКТ-изображений слоев биоткани с различной эластичностью. Использование компрессии позволяет контрастировать ОКТ-изображения слоев биоткани с различными механическими свойствами, изменяя концентрацию объектов рассеяния. Компрессия с силой более 1 Н (при площади щупа около 5 мм2) позволяет дифференцировать воспаление и карциному прямой кишки при диагностике методом ОКТ в экспериментах ex vivo.
  • Разработан метод контрастирования структурных элементов ОКТ-изображений покровных тканей животных in vivo, основанный на различии диффузионных свойств ткани и наночастиц c плазмонным резонансом на длине волны зондирующего излучения. Разработан метод ОКТ наблюдения динамики процессов фотоденатурации, разбухания и абляции биотканей, а также измерения термически пораженной зоны в результате лазерного воздействия. Метод ОКТ может быть успешно использован для диагностики процессов лазерной модификации биотканей в реальном времени.
  • Разработан метод ОКТ наблюдения динамики процессов фотоденатурации, разбухания и абляции биотканей, а также позволяющий измерять термически пораженную зону в результате лазерного воздействия. ОКТ может быть успешно использована для диагностики процессов лазерной модификации биотканей в реальном времени.
  • Показано, что разбухание биотканей под действием лазерного излучения характеризуется сложной динамикой модификации. Метод ОКТ позволяет наблюдать, что в процессе импульсно-периодического воздействия разбухание характеризуется постепенным накоплением денатурированного вещества в области вспучивания, последующим резким разрушением области с выбросом газообразных продуктов разложения.
  • Экспериментально реализован метод проекционной оптической диффузионной томографии на волнах фотонной плотности, позволяющий определять распределение компонентного состава (окси- и деоксигемоглобин) биоткани, с облучением на длинах волн 684, 794 и 850 нм при высокочастотной модуляции на 140 Мгц, что важно при определении метаболического статуса злокачественных опухолей молочной железы при мониторинге лечения.

Общее количество основных результатов 9.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

  1. Tuchin V.V. Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnosis // second edition, Bellingham, WA: SPIE Press, 2007.
  2. Максимова И.Л., Зимняков Д.А., Тучин В.В. Управление оптическими свойствами биотканей: 1. Спектральные характеристики склеры глаза // Оптика и спектроскопия. 2000. Т. 89, №1, С. 86-95.
  3. Загайнова Е.В., Ширманова М.В., Каменский В.А., Кириллин М.Ю., Орлова А.Г., Балалаева И.В., Хлебцов Б.Н., Сергеев А.М., Исследование контрастирующих свойств золотых наночастиц для метода ОКТ // Российские Нанотехнологии, 2007, 2 (7-8), С.135-143.
  4. Optical Coherence Tomography (editor W. Drexler, J.G.Fujimoto) Springer, 2009.
  5. Photon Migration in Tissues, (ed. B. Chance,), Plenum, NewYork, 1988.
  6. Myakov A., Nieman L., Wicky L., Utzinger U., Richards-Kortum R., Sokolov K. Fiber optic probe for polarized reflectance spectroscopy in vivo: Design and performance // Journal of Biomedical Optics 2002, V. 7, № 3, P. 388–397.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Список публикаций в реферируемых журналах, входящих в список ВАК

1. Антипенко А.Г., Аpтемьев Н.В., Бетин А.А., Каменский В.А., Новиков В.П., Плотниченко В.Г, Скpипачев И.В., Снопатин Г.Е., О возможности пеpедачи излучения YAG:Er лазеpа на основе халькогенидного стекла для офтальмологии //Квантовая электpоника, 1995, Т. 22, № 5, C. 523-525.

2. Басков А.В., Шехтер А.Б., Соболь Э.Н., Воробьева Н.Н., Омельченко А.И., Гаврильчак А.В., Басков В.А., Захаркина О.Л., Фельдштейн Ф.И., Каменский В.А., Куранов Р.В., Борщенко И.А., Жевлаков С.В. Влияние лазерного излучения на процессы регенерации хрящевой ткани межпозвоночных дисков. 1. Предварительное сообщение // Лазерная Медицина, 2002, Т.6, № 2, С. 25-31.

3. Большунов АВ, Федоров АА, Соболь ЭН, Свиридов АП, Воробьева НН, Гамидов АА, Бузыканова МА, Родин АС, Шехтер АБ, Каменский ВА, Куранов РВ Неабляционное действие инфракрасного лазерного излучения на склеру глаза. Результаты морфологических исследований обратимых и необратимых изменений структуры / /Рефракционная хирургия и офтальмология, 2002, Т. 2, № 2, С. 33-38

4. Сапожникова В.В., Каменский В.А., Куранов Р.В. Визуализация растительных тканей методом оптической когерентной томографии// Физиология растений, 2003, Т. 250, № 2, С. 282-286.

5. Кутис И.С., Сапожникова В.В., Куранов Р.В., Каменский В.А. Исследование методами оптической когерентной микроскопии и оптической когерентной томографии морфо-функционального состояния тканей высших растений // Физиология растений., 2005, Т. 52, №4, С. 628–634.

6. Петрова Г. А., Дерпалюк Е. Н., Петрова К. С., Гладкова Н. Д., Иксанов Р. Р., Каменский В. А. Возможности оптической когерентной томографии в прижизненной диагностике базалиомы // Экспериментальная и клиническая дерматокосметология 2006, №4, С. 2-7.

7. Н.Ю. Игнатьева, О.Л. Захаркина, Э.Н. Соболь, В.В. Лунин, В.А. Каменский, И.В. Андреева, С.В. Аверкиев, А.В. Мяков. Изменение структуры коллагена фиброзного кольца при термическом и ИК лазерном воздействии // Доклады Академии Наук, 2007, Т.413, №6, С..845-847.

8. Е.В. Загайнова, М.В. Ширманова, В.А. Каменский, М.Ю. Кирилин, А.Г. Орлова, И.В. Балалева, Б.Н. Хлебцов. Исследования контрастирующих свойств золотых наночастиц для ОКТ // Российские нанотехнологии. 2007, Т. 2, №. 7-8, С. 135-143.

9. Логунова М.А., Шахова М.А., Андреева И.В., Игнатьева Н.Ю., Каменский В.А., Баграташвили В.Н., Лунин В.В., Стабильность коллагена в системе надхрящница - хрящ на примере щитовидного хряща гортани // Биофизика, 2008, Т.53, № 5, C.202-210.

10. Петрова Г.А., Петрова К.С., Шливко И.Л., Иксанов Р.Р., Каменский В.А. Экспериментальная идентификация компонентов ОКТ изображений тонкой кожи человека // Российский журнал кожных и венерических болезней, 2008, №6, C 53-57.

11. Петрова Г. А., Шливко И. Л., Зорькина М. В., Петрова К. С., Иксанов Р.Р., Каменский В.А. Прижизненный ОКТ-мониторинг морфологических изменений кожи как контроль эффективности лечения дерматозов // Киническая дерматология и венерология, 2008, №1, С.36-39 59.

12. Каменский В.А., Орлова А.Г., Турчин В.И., Фикс И.И., Клешнин М.С., Турчин И.В. Оптическая диффузионная томография для диагностики рака молочной железы //Альманах клинической медицины, 2008. Т. 17, ч. 1. С 61-63.

13. Загайнова Е.В., Ширманова М.В., Сироткина М.А., Орлова А.Г., Балалаева И.В., Каменский В.А. Повышение информативности оптической томографии с использованием металлических и полупроводниковых наночастиц // Альманах клинической медицины, 2008, Т. 17, часть 2, С 333-334.

14. Агрба П.Д, Кириллин М.Ю., Абелевич А.И., Загайнова Е.В., Каменский В.А. Компрессия, как метод повышения информативности ОКТ // Оптика и спектроскопия, 2009, Т. 107, № 6, С. 903-908.

15. Петрова Г.А., Шливко И.Л., Каменский В.А., Иксанов Р.Р., Агрба П.Д., Зорькина М.В., Петрова К.С. Опыт использования ОКТ для исследования фармакодинамических свойств и эффективности увлажняющих свойств in vivo // Современные вопросы дерматовенерологии, иммунологии и врачебной косметологии, 2009, Т. 4, № 4, С. 15-22.

16. Каменский В.А., Морозов А.Н., Мяков А.В., Агрба П.Д., Шахова Н.М. Эндоскопический кросс-поляризационный спектрометр-прибор для пункционной диагностики // Оптика и спектроскопия. 2010. Т. 109. №2. C. 1397-1401.

17. Масленникова А.В, Голубятников Г.Ю., Орлова А.Г., Плеханов В.И., Артифексова А.А., Шахова Н.М., Каменский В.А., Турчин И.В. Неинвазивный оптический метод оценки кислородного статуса новообразований молочной железы // Опухоли женской репродуктивной системы, 2010, № 1, C 5-10.

18. Сироткина М.А., Елагин В.В., Ширманова, М.В., Бугрова, М.Л., Снопова Л.Б., Надточенко В.А., Каменский В.А., Загайнова Е.В. Лазерная гипертермия опухолей с нанотермосенсибилизаторами // Современные технологии в медицине. 2010. № 1. С. 6-11.

19. Голубятников Г.Ю. Шахова М.А., Снопова Л.Б., Терентьева А.Б., Игнатьева Н.Ю.,.Каменский В.А. Сравнительные исследования инфракрасного лазерного и высокочастотного воздействий на биоткани in vitro методом поляризационно-чувствительной оптической когерентной томографии // Радиофизика (Изв. Вузов) ISSN 0021-3462, 2010, Т.53. № 1. C. 41-50.

20. Кириллин M.Ю., Агрба П.Д., Сироткина М.А., Ширманова М.В. Загайнова Е.В., Каменский В.А. Контрастирование структурных элементов кожи наночастицами в оптической когерентной томографии: количественная оценка // Квантовая Электроника, 2010, Т.40, № 6, С. 525-530

21. Морозов А. Н., Турчин И. В., Каменский В. A., Фикс И. И., Лазуткин А. А., Безряднов Д. В., Иванова А. А., Топтунов Д. М.,. Анохин К. В Волоконно-оптическая флуоресцентная микроскопия для исследования биологических объектов // Квантовая электроника, 2010, Т. 40 № 9, С. 842–846.

22. Орлова А.Г., Масленникова А.В., Голубятников Г.Ю., Каменский В.А., Шахова Н.М., Бабаев А.А., Неинвазивное определение кислородного статуса экспериментальной опухоли методом оптической диффузионной спектроскопии // Биофизика, 2011, Т. 56, №. 2, С 349-355.

23. Kamensky V., Feldchtein F., Gelikonov V., Snopova L., Muraviov S., Malyshev A., Bityurin N. and Sergeev A. In sity monitoring of laser modification process in human cataractous lens and porcine cornea using coherence tomography // J. Biomedical Optics, 1999, V. 4, N 1, P 137-143.

24. Kamensky V., Skripatshev V., Snopatin G., Pushkin S., Tshurbanov M. High-power As-S glass fiber delivery instrument for pulse YAG:Er laser radiation // Applied Optics, 1998, V. 37, № 24, P. 5596-5599.

25. Shakhov A.V., Terentjeva A.B., Kamensky V.A., Snopova L. Optical Coherence Tomography Monitoring for Laser Surgery of Laryngeal Carcinoma // Journal of Surgical Oncology, 2001, V. 77, P. 253-259,.

26. Kuranov R. V., Sapozhnikova V. V., Turchin I. V., Zagainova E. V., Gelikonov V. M., Kamensky V. A., Snopova L. B., and Prodanetz N.N. Complementary use of cross-polarization and standard OCT for differential diagnosis of pathological tissues // Optics Express, 2002. V. 10, №. 15, P. 707-713.

27. Shakhova N.M., Gelikonov V.M., Kamensky V.A., Kuranov R.V., Turchin I.V. Clinical Aspects of the Endoscopic Optical Coherence Tomography and the Ways for Improving Its Diagnostic Value // Laser Physics, 2002, V. 12, №4. P. 617-626.

28. Turchin I.V., Sergeeva E.A., Dolin L.S., Kamensky V.A. Estimation of Biotissue Scattering Properties from OCT Images Using a Small-Angle Approximation of Transport Theory // Laser Physics, 2003, V. 13, №. 12, P. 1524-1529.

29. Gelikonov VM, Gelikonov GV, Dolin LS, Kamensky VA, Sergeev AM, Shakhova NM, Gladkova ND, Zagaynova EV Optical Coherence Tomography: physical principles and applications //Laser Physics, 2003, V. 13, № 5, P. 692-702.

30. Sapozhnikova V. V., Kamensky V. A., Kuranov R. V., Kutis I., Snopova L. B., Myakov A. V. In vivo visualization of Tradescantia leaf tissue and monitoring the physiological and morphological states under different water supply conditions using optical coherence tomography // Planta. 2004, V. 219, p. 601–609.

31. Sapozhnikova V.V., Shakhova N.M., Kamensky V.A., Petrova S.A., Snopova L.B., and Kuranov R.V. Capabilities of fluorescence spectroscopy using 5-ALA and optical coherence tomography for diagnosis of neoplastic processes in the uterine cervix and vulva // Laser Physics, 2005, V. 15, № 12, P. 1664–1673.

32. Turchin I.V., Sergeeva E. A., Kamensky V. A.,Dolin L.S., Shakhova N. M., Richards-Kortum R., Novel algorithm of processing Optical Coherence Tomography images for differentiation of biological tissue pathologies // Journal of Biomedical Optics, 2005, 10(6), 064024, November/December

33. Ignatieva N.Yu., Zakharkina O.L., Andreeva I.V., Sobol E.N., Kamensky V.A., Myakov A.V., Averkiev S.V., Lunin V.V.. IR Laser and Heat-induced Changes in Annulus Fibrosus Collagen Structure, Photochem. Photobiol., 2007, V. 83, № 3, P. 675–685.

34. Sobol’ E.N., Baum O.I., Bol’shunov A.V., Sipliviy V.I., Ignat’eva N.Yu., Zakharkina O.L., Lunin V.V., Omel’chenko A.I., Kamenskiy V.A., and Myakov A.V. Eye tissue structure and refraction alterations upon nondestructive laser action // Laser Physics. 2006. V.16, № 5, P.735–740.

35. Orlova A.G., Turchin I.V., Plehanov V.I., Shakhova N.M., Fiks I.I., Kleshnin M.I., Sergeeva E.A., Konuchenko N.Yu., and Kamensky V.A.. Frequency-domain diffuse optical tomography with single source-detector pair for breast cancer detection // Laser Phys. Letters. 2008, V. 5, №. 4, P. 321–327.

36. Ignatieva N., Zakharkina O., Sobol E., Kamensky V. and Lunin V. Effects of lasers irradiation on collagen organization in chemically indused degenerative annulus fibrosus of lumbar intervertabral disc // Lasers in Surgery and Medicine, 2008, V. 40, P. 422-432.

37. Turchin I.V., Balalaeva I.V., Vasil'ev R.B., Zlomanov V.P., Plehanov V.I., Orlova A.G., Zagaynova E.V., Kamensky V.A., Kleshnin M.S., Shirmanova M.V., Dorofeev S.G., and Dirin D.N. Imaging of QDs-labeled tumors in small animals
by fluorescence diffuse tomography // Laser Physics Letters, 2006. V. 3, № 4.
P. 208–211.

38. Zagaynova E.V., Shirmanova M.V., Kirillin M.Yu., Khlebtsov B.N., Orlova A.G., Balalaeva I.V., Sirotkina M.A., Bugrova M.L, Agrba P.D. and Kamensky V.A., Contrasting properties of gold nanoparticles for optical coherence tomography: phantom, in vivo studies and Monte Carlo simulation // Phys. Med. Biol., 2008, V. 53, P 4995-5009.

39. Sirotkina M.A., Zagaynova E.V., Shirmanova M.V., Kirillin M.Yu., Agrba P.D., Kamensky V.A.,.Bugrova M.L Continuous optical coherence tomography monitoring of nanoparticles accumulation in biological tissues // Journal of Nanoparticle Research, 2011, V. 13, Issue 1, P 283 -290.

40. Ignatieva N., Guller A., Zakharkina O., Sandnes B., Shekhter A., Kamensky V., Zvyagin A. Laser-induced modification of the patellar ligament tissue: comparative study of structural and optical changes // Laser Med. Sci., 2011, V. 26, P 401-413.

41. Kirillin M.Yu., Agrba P.D., Kamensky V.A. In vivo study of the effect of mechanical compression on formation of OCT images of human skin // J Biophotonics, 2010. V. 10. P 1-7.

42. Maslennikova A.V., Orlova A.G., Golubiatnikov G.Yu., Kamensky V.A., Shakhova N.M., Babaev A.A.,Snopova L.B., Ivanova I.P., Plekhanov V.I., Prianikova T.I., and Turchin I.V. Comparative study of tumor hypoxia by diffuse optical spectroscopy and immunohistochemistry in two tumor models // J. Biophotonics. 2010. V. 3, № 12. P. 743-751.

Препринты

Малышев А.Ю., Каменский В.А, Битюрин Н.М. Динамика свеллинга мягкой биологической ткани при воздействии ИК-лазеров в доабляционном режиме. Препринт ИПФ РАН г. Нижний Новгород. 2001. № 558.


Главы в книгах

1. Sapozhnikova V.V., Kutis I.S., Kutis S.D., Kuranov R.V., Gelikonov G.V., Shabanov D.V., Kamensky V.A. In vivo monitoring of seeds and plant tissue water absorption using optical coherence tomography and optical coherence microscopy// Chapter 6 in Plant Cell Diagnostics (Images, Biophysical and Biochemical Processes in Allelopathy). Enfield, Jersey, Plymoth: Science Publisher. 2007, P. 71-86.

2. Roshina V.V, Kutis I.S., Kutis L.M., Gelikonov V.M., Kamensky V.A.. Optical coherence microscopy: Study of plant Secretory structure// Chapter 7 in Plant Cell Diagnostics (Images, Biophysical and Biochemical Processes in Allelopathy). Enfield, Jersey, Plymoth: Science Publisher. 2007, P. 86 -92.

3. Балалаева И.В., Турчин И.В. Иксанов Р.Р., Каменский В.А., Геликонов Г.В., Фельдштейн. Ф.И. Методы численного анализа ОКТ-изображений. // В книге: «Руководство по оптической когерентной томографии» М.: Физматлит, Медицинская книга. 2007, С. 274-284.

4. Dolin L.S., Feldchtein F.I., Gelikonov G.V., Gelikonov V.M., Gladkova N.D., Iksanov R.R., Kamensky V.A., Kuranov R.V., Sergeev A.M., Shakhova N.M., Turchin I.V. Fundamentals and Clinical Applications of the PM-Fiber Based Endoscopic OCT // Coherent-Domain Optical Methods Biomedical Diagnostics, Environmental and Material Science./: Kluwer Academic Publishers, 2004, P.- 211-271.

5. Terenteva A.B., Shakhov A.V., Maslenikova A.V., Gladkova N.D., Kamensky V.A., Feldstein F.I., and Shakhova N.M. OCT in Laringology Chapter 36 in Optical Coherence Tomography, Springer,2009, P. 1123-1148.

Патенты

1. Мяков А. В., Каменский В. А. Устройство упругой поляризационной спектроскопии // Патент РФ 2292531.

  1. Мяков А.В., Каменский В.А. Устройство упругой поляризационной спектроскопии// Патент РФ на полезную модель № 76207 от 05.03 2007
  2. Воробьев В.А, Геликонов Г.В., Геликонов В.М., Каменский В.А., Прудников М.Б., Турчин И.В, Устройство получения контрастных ОКТ изображений // Патент РФ
  3. Загайнова Е.В., Ширманова М.В., Орлова А.Г., Балалаева И.В., Каменский В.А. Способ исследования состояния кожи методом оптической когерентной томографии//. Заявка на изобретение РФ 2007131190
  4. Клешнин М.С., Орлова А.Г., Плеханов В.И., Каменский В.А., Турчин И.В. Устройство диффузионной оптической томографии // Заявка на полезную модель РФ 2008 144279/14.

Содержание диссертации

ОГЛАВЛЕНИЕ 3
ВВЕДЕНИЕ 8
ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ БИОТКАНЕЙ МЕТОДАМИ ОПТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР) 25
1.1 Предпосылки создания оптической томографии 25
1.2 Актуальность разработки неинвазивных методов оптической диагностики 26
1.3 Исследование биотканей методом ОКТ и его модификаций КП ОКТ и ОКМ 28
1.4 Развитие оптической диффузионной томографии 38
1.5 Развитие кросс-поляризационной оптической спектроскопии 41
1.6 Использования наночастиц для контрастирования изображений оптической томографиии 42
1.7 Краткое описание теоретическое исследование рассеяния и распостранения оптического излучения биотканью 45
1.8 Заключение 47
ГЛАВА 2. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ОКТ ИЗОБРАЖЕНИЙ МЯГКИХ ТКАНЕЙ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ НЕОПЛАСТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОКТ НАБЛЮДЕНИЕ ГРАНИЦ ЗЛОКАЧЕСТВЕННОЙ ОПУХОЛИ ГОРТАНИ 49
2.1 ОКТ и ОКМ изображения мягких биотканей 53
2.2 Методика проведения органосохраняющих операций под контролем ОКТ 60
2.2.1 Материалы и методы 62
2.2.2 Определение неопластических изменений 63
2.2.3 Методика маркирования границ опухоли 63
2.2.4 Методика лазерной эксцизии 63
2.3 Заключение 66
ГЛАВА 3. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ КРОСС-ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ ТОМОГРАФИИ И КРОСС-ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ 68
3.1 Исследование биотканей животных и человека методом кросс-поляризационной ОКТ 70
3.2 Развитие метода КП ОКТ для диагностики злокачественных образований 71
3.2.1 Материалы и методы 73
3.2.2 Результаты экспериментального исследования 73
3.3 Развитие метода КПОС для мониторинга границы злокачественных образований 74
3.3.1 Материалы и методы 78
3.3.2 Результаты экспериментального исследования. Схема прибора 81
3.3.3 Результаты экспериментов с модельными средами и биотканями 82
3.3.3.1 Эксперимент на модельной среде 86
3.3.3.2 Эксперимент на ex vivo образцах 87
3.3.3.3 Эксперимент in vivo 90
3.4 Заключение 91
ГЛАВА 4. УПРАВЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ БИОТКАНИ КОМПРЕССИЕЙ И ДИФФУЗИЕЙ НАНОРАЗМЕРНОГО КОЛЛОИДНОГО ЗОЛОТА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИНФОРМАТИВНОСТИ ОКТ 93
4.1 Комплексная оценка возрастных морфофункциональных особенностей кожи 94
4.1 Метод увеличения глубины визуализации и контрастности слоев поверхностных биотканей компрессией 99
4.1.1 Материалы и методы 101
4.1.2 Результаты исследования компрессии на ex vivo препаратах 102
4.1.3 Результаты исследования компрессии in vivo 106
4.2 Метод увеличения контраста слоев и включений с использованием золотых наночастиц и наноразмерных частиц диоксида титанадля метода ОКТ 108
4.2.1 Материалы и методы 111
4.2.2.Результаты исследования на фантомах биоткани 113
4.2.3. Исследование аппликации коллоидного золота на коже животных 116
4.3 Заключение 122
ГЛАВА 5. НАБЛЮДЕНИЕ ПРОЦЕССОВ МОДИФИКАЦИИ БИОТКАНИ ПРИ ПОМОЩИ ОКТ IN SITU ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРОВ И ВЧ ИСТОЧНИКОВ 123
5.1 Материалы и техника эксперимента 126
5.2 Наблюдение зоны воздействия при помощи ОКТ 129
5.3 In situ ОКТ мониторинг воздействия лазерного ИК излучения на биовещество 131
5.3.1 Томограммы кинетики воздействия излучения YAG:Er лазера 131
5.3.2 Томограммы кинетики воздействия излучения YAG:Nd лазера на длине волны 1.32 мкм 132
5.3.3 Томограммы кинетики воздействия излучения KGSS:Er лазера и YAG:Nd лазера на длине волны 1.44 мкм 133
5.4 Исследование процессов фототермической денатурации и cвеллинга биоткани в доабляционном режиме 143
5.4.1 Экспериментальное исследование вздутия при воздействии лазерного излучения 144
5.4.1.1 Исследование кинетики образования вздутия с помощью метода ОКТ 144
5.4.1.2 Исследование временных параметров образования вздутия 146
5.5 Сравнительные исследования ИК лазерного и ВЧ воздействий на биоткани in vitro методом поляризационно-чувствительной оптической когерентной томографии 151
5.5.1 Материалы и методы 153
5.5.2 Результаты исследований 157
5.6 Заключение 163
ГЛАВА 6. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ПРОЕКЦИОННОЙ ОДТ И ДФТ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ ОПУХОЛЕЙ 165
6.1 Развитие метода ОДТ проекций для определения компонентного состава злокачественных опухолей молочной железы 170
6.1.1 Схема установки 170
6.1.2 Объекты исследования 173
6.1.3 Результаты исследования методом ОДТ 174
6.1.3.1. Исследование на модельных средах 174
6.1.3.2 Результаты предклинических экспериментов 175
6.1.3.3 Результаты клинических экспериментов 176
6.2 Метод проекционной ДФТ для диагностики опухолей меченных коллоидными квантовыми точками 183
6.2.1 Материалы и методы 183
6.2.2 Эксперименты на лабораторных животных post mortem 184
6.3 Заключение 187
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 187
ПРИЛОЖЕНИЕ  I. Описание и технические параметры приборов, использованных в диссертации 191
ПРИЛОЖЕНИЕ  II. Исследование возможностей методов ОКМ и ОКТ для оценки морфо-функционального состояния высших растений, и мониторинга восстановления растительной ткани при различном водоснабжении при помощи метода ОКТ 200
П 2.1 Исследование возможностей методов ОКМ и ОКТ для оценки морфо-функционального состояния высших растений 200
П 2.2 Исследование возможностей методов ОКМ и ОКТ для мониторинга восстановления растительной ткани при различном водоснабжении при помощи метода ОКТ 206
П 2.2.1 Материалы и методы 209
П 2.2.2 Результаты ОКТ мониторинга водонаполнения растений 213
П 2.3 Обсуждение и выводы 215
ЛИТЕРАТУРА 225
Публикации автора в реферируемых научных журналах 252



























Каменский Владислав Антониевич

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОПТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ
ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ
ПРИМЕНЕНИЙ

А в т о р е ф е р а т

Подписано к печати..2011 г.

Формат 60 90 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,75.

Тираж 100 экз. Заказ № 54 (2011).

Отпечатано в типографии Института прикладной физики РАН,

603950 г. Н.Новгород, ул. Ульянова, 46




 



<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.