Способ неинвазивного определения кислородного статуса тканей

Способ неинвазивного определения кислородного статуса тканей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к медицине, а именно к медицинской диагностике, и может быть использовано для оценки кислородного статуса тканей, различных по структуре и составу, в том числе для тканей опухоли, методом оптической диффузионной спектроскопии.

Кислородный статус определяется как уровень насыщения крови кислородом, выражается в процентах и рассчитывается как отношение концентраций окисленного гемоглобина и общего гемоглобина (суммы окисленного и восстановленного). Снижение кислородного статуса (гипоксия) тканей сопутствует ряду заболеваний, в том числе онкологических. Кислородный статус опухолевой ткани рассматривается в настоящее время как ключевой фактор, определяющий прогноз заболевания и эффективность лечебных воздействий. Состояние хронической гипоксии, которое является характерной физиологической особенностью солидных опухолей, возникает в результате несовершенного по сравнению с нормальными тканями ангиогенеза. Возникшее микроциркуляторное русло является примитивным и хаотичным и не в состоянии удовлетворить потребности в кислороде быстро растущей опухолевой паренхимы. При наличии обширных зон гипоксии химиотерапия злокачественных новообразований становится менее эффективной вследствие невозможности доставки лекарственного средства к неадекватно кровоснабжаемым опухолевым клеткам, эффективность лучевой терапии снижается за счет феномена репарации сублетальных повреждений, которая становится возможной вследствие отсутствия фиксации кислородом однонитевых разрывов ДНК. Объем гипоксических зон и степень выраженности гипоксии не могут быть прогнозированы в зависимости от размера, стадии, гистологического строения, степени дифференцировки и локализации опухоли. Прижизненное изучение динамики кислородного статуса опухоли до настоящего времени тормозилось отсутствием доступных методов получения информации о размерах и местоположении зон гипоксии в опухолевой ткани.

«Золотым стандартом» для решения данной задачи в течение многих лет было и остается прямое полярографическое исследование с использованием микроэлектродов. Известен способ определения кислородного статуса тканей (патент US 4741343, МПК⁴ A61N 1/40, опубл. 03.05.88), включающий в себя введение тонкого полярографического датчика в исследуемую ткань, регистрацию электрических сигналов от датчика, их использование для определения парциального давления кислорода в тканях. Такой метод является точным и дает полное представление о содержании молекулярного кислорода в ткани, однако он является инвазивным, может быть применен только для легко доступных поверхностных опухолей, позволяет измерить концентрацию кислорода только в определенных точках и не дает картины общего распределения гипоксичных и оксигенированных участков внутри исследуемой области.

Оптические методы (ИК-спектроския, оптическая диффузионная томография) дают возможность неинвазивного определения кислородного статуса тканей на основе информации о локальных изменениях оптических параметров (поглощение и рассеяние) и визуализации локальных метаболических процессов в исследуемой области. Данные методы позволяют определять концентрации окисленного и восстановленного гемоглобина и, соответственно, выделять участки с различным насыщением крови кислородом.

Ближайшим аналогом разработанного способа неинвазивного определения кислородного статуса тканей является способ неинвазивного определия кислородного статуса тканей мозга, известный по патентой заявке US 2008/0139908, МПК⁶ А61В 5/1455 опубл. 12.06.2008).

Излучение первой длины волны ближнего инфракрасного диапазона от источника направляется на ткань мозга. Измеряется первый набор трех интенсивностей первой длины волны ближнего инфракрасного диапазона, которая прошла через ткань мозга, тремя фотодидными приемниками излучения, расположенными в одном датчике с источником излучения, но на расстоянии от него. Затем от источника направляется излучение второй длины волны ближнего инфракрасного диапазона на ткань мозга. Измеряется второй набор трех интенсивностей излучения второй длины волны, прошедшей через ткань мозга, тремя фотодиодными приемниками излучения. После этого от источника направляется излучение третьей длины волны ближнего инфракрасного диапазона на ткань мозга и измеряется третий набор интенсивностей излучения третьей длины волны, прошедшей через ткань мозга, тремя фотодиодными приемниками излучения. Вычисление кислородного статуса ткани мозга производится из алгоритма, основанного на одном или более отношениях измеряемых интенсивностей двух или более длин волн ближнего инфракрасного излучения и одном или более отношениях измеряемых интенсивностей на двух или более фотодиодных приемниках. Длины волн излучения выбираются таким образом, что первая длина волны излучения является изобестической точкой для окисленного и восстановленного гемоглобина, вторая длина волны имеет меньшую длину, чем первая, а третья длина волны имеет длину большую, чем первая.

Недостатками данного способа являются использование только для тканей мозга, которые являются однородными по своему составу и структуре и невозможность использования метода для различных по структуре тканей, например для тканей опухоли, а также малая информативность полученных данных, так как измерения проводятся в одной точке, в результате получают значение кислородного статуса в одной точке или график зависимости насыщения кислородом ткани и отношения интенсивностей длин волн.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа неинвазивного определения кислородного статуса тканей, в результате которого получаем распределение кислородного статуса в ткани различной по структуре и составу в виде двумерного изображения.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что разработанный способ неинвазивного определения кислородного статуса тканей так же, как и способ, который является ближайшим аналогом, включает попеременное направление излучения от набора по меньшей мере трех лазерных источников на ткань, прием излучения от каждого лазерного источника из набора, прошедшего через исследуемую ткань, приемником излучения, измерение интенсивности излучения на приемнике, обработка и визуализация полученных данных.

Новым в разработанном способе неинвазивного определения кислородного статуса тканей является то, что вначале осуществляют амплитудную модуляцию излучения лазерных источников, проводят сканирование исследуемой ткани при синхронном перемещении источника и приемника, определяют показатели поглощения и рассеяния компонентов ткани в каждой точке исследуемой ткани, после чего вычисляют соотношение окисленного и общего гемоглобина в каждой точке ткани и выводят распределение кислородного статуса ткани в виде двумерного изображения.

В первом частном случае реализации разработанного способа неинвазивного определения кислородного статуса тканей лазерные источники используются с тремя длинами волн: 684 нм, соответствующей максимуму поглощения восстановленного гемоглобина, 850 нм, соответствующей максимуму поглощения окисленного гемоглобина, 794 нм - коэффициенты поглощения окисленного и восстановленного гемоглобина совпадают. Данные длины волн используются для определения основных компонентов биоткани (оксигемоглобина, дезоксигемоглобина, воды и жира).

На чертеже представлено двумерное изображение распределения кислородного статуса ткани (%) двух опухолевых моделей: лимфосаркомы Плисса (а) и рака молочной железы крыс (б).

На изображении опухолевой модели лимфосаркомы Плисса (чертеж, а) заметно существенное снижение по сравнению с окружающими тканями уровня насыщения крови кислородом.

На изображение опухолевой модели рака молочной железы крыс (чертеж, б) уровень содержания кислорода в крови в области опухоли и окружающих тканях остается одинаковым.

Использование оптического излучения в широком спектральном диапазоне длин волн 660-940 нм (окно прозрачности биотканей) и измерение разницы в поглощении на разных длинах волн позволяет провести реконструкцию компонентного состава биоткани, например неинвазивно определить кислородный статус, что является важной характеристикой состояния развития опухоли. Определение кислородного статуса биологических объектов оптическими методами основано на различиях спектров поглощения видимого и ближнего инфракрасного излучения гемоглобина в зависимости от его кислородосодержания.

Для неинвазивного определения кислородного статуса тканей использован метод фотонной плотности. Излучение от набора по меньшей мере трех лазерных источников модулируется по амплитуде и попеременно по оптическому волокну направляется на исследуемую ткань. Прошедшее через исследуемую ткань излучение поступает на приемник излучения. На приемнике снимают интенсивность прошедшего через ткань излучения, затем происходит обработка и визуализация полученных данных. Для получения пространственного распределения концентраций хромофоров используется синхронное пошаговое сканирование источником и приемником в конфигурации "на просвет".

Применение метода волн фотонной плотности позволяет однозначно разделить коэффициенты рассеяния и поглощения (для каждой длины волны), равноправно определяющие ослабление прошедшего через исследуемый объект излучения.

Выбор длин волн излучения лазеров определялся окном прозрачности биотканей и спектральной областью, где поглощения окси- (HbO₂) и дезоксигемоглобина (HHb) превалируют относительно других хромофоров (главным образом, это вода и жировая ткань) и сильно различаются между собой (на 684 нм поглощение определяется дезоксигемоглобином; на 850 нм - оксигемоглобином). Третья длина волны 794 нм выбрана таким образом, на которой коэффициенты поглощения окисленного и восстановленного гемоглобина совпадают. Это улучшает точность определения содержания гемоглобина и позволяет определить суммарное содержание других хромофоров (вода и жировая ткань).

Математически восстановление компонентного состава биоткани описывается следующим образом.

Интенсивность и фаза прошедшего (для каждой длины волны) через объект излучения лазера определяется в диффузионном приближении следующим выражением

где I₀ - интенсивность на выходе лазерного источника, I_R - интенсивность излучения, прошедшего через объект, регистрируемая приемником, R - толщина объекта, β - постоянные затухания и h - распространения волны фотонной плотности, К - калибровочный коэффициент.

Измеряемые нами ослабление I_R/I₀~exp(-βR)/R и фаза φ=hR прошедшего через биологический объект излучения определяются как геометрическими факторами (К - калибровочный коэффициент), так оптическими коэффициентами транспортного рассеяния µ′_s и поглощения µ_a, связанными с параметрами распространения волны фотонной плотности следующими выражениями:

где k=2πf/c - волновое число волны фотонной плотности в среде (с - скорость распространения света в среде, f - частота амплитудной модуляции 140 МГц).

Для известной толщины объекта R, решая совместно уравнения для β и h, определяются коэффициенты рассеяния и поглощения в каждой точке для каждой из трех длин волн - и µ_а(λ_i). Поскольку поглощение в биоткани определяется такими основными хромофорами как HHb, HbO₂, вода и жир, коэффициенты поглощения которых в чистом виде экспериментально известны, можно определить их концентрации. Решается следующая система линейных уравнений

µ_a(λ_i)=Σ_j(C_j·µ_j(λ_i)),

где C_j - средние концентрации HHb, HbO₂, Н₂О, µ_j(λ_i) - коэффициенты экстинкции для соответствующих хромофоров. Абсолютные значения µ_j(λ_i) опубликованы и доступны.

Зная концетрации окси- и дезоксигемоглобина, определяем кислородный статус ткани:

Рассчитав кислородный статус биоткани в каждай точке, получаем двумерное изображение распределения кислородного статуса ткани сканируемой области.

В конкретной реализации неинвазивного способа определения кислородного статуса тканей были использованы диодные лазеры с длинами волн 684 нм, 794 нм, 850 нм, модулируемые по амплитуде на частоте 140 МГц. Для увеличения чувствительности использовалось синхронное детектирование, а для точного определении фазы модулируемого сигнала применялось преобразование частоты 140 МГц в промежуточную низкую частоту 1 кГц. Преобразование частоты осуществлялось с использованием опорного кварцевого осциллятора в приемном канале с частотой, отличающейся от частоты амплитудной модуляции на 1 кГц.

Таким образом, разработанный способ позволяет неинвазивно определять кислородный статус тканей, различных по структуре и составу, в том числе для тканей опухоли, и получать распределение кислородного статуса тканей в виде двумерного изображения.

1. Способ неинвазивного определения кислородного статуса тканей, включающий попеременное направление излучения от набора по меньшей мере трех лазерных источников на ткань, прием излучения от каждого лазерного источника из набора, прошедшего через исследуемую ткань, приемником излучения, измерение интенсивности излучения на приемнике, обработку и визуализацию полученных данных, отличающийся тем, что вначале осуществляют амплитудную модуляцию излучения лазерных источников, проводят сканирование исследуемой ткани при синхронном перемещении источника и приемника, определяют показатели поглощения и рассеяния компонентов ткани в каждой точке исследуемой ткани, после чего вычисляют соотношение окисленного и общего гемоглобина в каждой точке ткани и выводят распределение кислородного статуса ткани в виде двумерного изображения.

2. Способ неинвазивного определения кислородного статуса тканей по п.1, отличающийся тем, что лазерные источники используются с тремя длинами волн: 684 нм, соответствующей максимуму поглощения восстановленного гемоглобина, 850 нм, соответствующей максимуму поглощения окисленного гемоглобина, 794 нм - коэффициенты поглощения окисленного и восстановленного гемоглобина совпадают.