Мультимодальный ОКТ комплекс для лабораторных и клинических применений

В.М. Геликонов, Г.В. Геликонов, А.А. Моисеев, С.Ю. Ксенофонтов, П. А. Шилягин, Д.В. Шабанов (3 Отделение ИПФ РАН)
В.Ю. Зайцев, Л.А. Матвеев, А.Л. Матвеев, А.А. Советский (2 Отделение ИПФ РАН)
М.А. Сироткина, Е.В. Губарькова, Н.Д. Гладкова, Е.В. Загайнова, Л. Снопова, С.С. Кузнецов, Н.Л. Буянова, В.В. Елагин, Е. Киселева, А.Виткин  (НижГМА)

В результате проводившихся в 2013-2017 годах исследований междисциплинарным коллективом, включающим сотрудников Института прикладной физики  (ИПФ) и биологов и медиков из Института биомедицинских технологий  (НИИ БМТ) Приволжского медицинского университета  создан аппаратно-программный комплекс, реализующий так называемую мультимодальную Оптическую Когерентную Томографию (ОКТ) биологических тканей  для использования в лабораторных и клинических условиях.
В последние десятилетия методы ОКТ активно развиваются в мире, находя все новые применения ввиду уникальных особенностей этого метода, позволяющего визуализировать не только пространственное распределение уровня обратного рассеяния оптического сигнала (структурные изображения), но и открывающего возможности картирования таких свойств тканей, которые на структурных изображениях непосредственно не видны. На 10-15 лет ранее аналогичное развитие в сторону мультимодальной визуализации происходило в ультразвуковой диагностике. Первоначально там также использовались лишь структурные изображения, характеризующие интенсивность обратного рассеяния ультразвуковых зондирующих волн, которые затем были дополнены возможностями картирования кровотока (ангиография) и оценивания жесткостных свойств биотканей (эластографии).
ОКТ по  разрешению и размерам обследуемой области занимает промежуточное положение между методами высокоразрешающей микроскопии и медицинским ультразвуком. При этом сами структурные изображения ОКТ во многом напоминают УЗИ сканы, но ввиду значительно более высокого разрешения (до единиц микрометров) размеры обследуемой области также оказываются меньше (типично - до 2-3мм в глубину ткани и 2-10мм в поперечном направлении). Такое сочетание характеристик ОКТ оказалось очень востребованным в ряде важных биомедицинских приложений, среди которых можно, прежде всего, отметить офтальмологию, потребностям которой характеристики ОКТ по разрешению и размерам области визуализации хорошо соответствуют. В связи с этим ОКТ визуализация в офтальмологии фактически уже стала стандартным методом обследования. Уникальные возможности ОКТ также оказались востребованы и в других областях, например, в отоларингологии, где ОКТ открывает новые диагностические возможности для неинвазивного обследования и диагностики ряда воспалительных процессов в области барабанной перепонки уха или различных патологий слизистых тканей в ротовой полости. Большой интерес представляет использование диагностических возможностей ОКТ в дерматологии, гинекологии, при проведении хирургических вмешательств, связанных с  удалением опухолей мозга или раковых опухолей груди для уточнения границ таких опухолей. При использовании эндоскопического варианта ОКТ зондов открывается большое число других применений, в том числе и внутрисосудистого обследования.  
Помимо структурной визуализации биотканей большое значение в ряде бимедицинских приложений  представляет возможность визуализации микрокровотока без использования контрастных агентов, вплоть до самых тонких капилляров диаметров порядка 10-20 микрон, для исследования которых разрешения УЗИ-ангиографии оказывается совершенно недостаточно. За последние 10-15 лет в ОКТ были приложены большие усилия для обеспечения возможности такого картирования микрокровотока, хотя на структурных ОКТ-изображениях такие сосуды непосредственно не выделяются. По аналогии с УЗИ-ангиографией, использующей эффект Доплера, в ОКТ также было предложено использовать движение самих рассеивающих частиц крови для их выделения на фоне "твердой" ткани, однако скорость кровотока в капиллярных сосудах (порядка единиц мм/сек и менее) гораздо меньше скорости кровотока в визуализируемых в УЗИ более крупных сосудах. Более того, в живой ткани практически всегда имеют место естественные движения (например, связанные с дыханием и сердцебиением), при этом скорость движения рассеивателей в крови часто оказывается даже ниже скорости таких маскирующих движений биоткани. Поэтому проблема создания ОКТ-ангиографии, не использующей контрастных агентов, оказалась весьма нетривиальной, и ее решение потребовало значительных  усилий. В лабораторных исследованиях с животными для стабилизации биоткани использовали специальные окна-камеры, приживляемые непосредственно на исследуемую область, при этом ОКТ-зонд использовался в бесконтактном режиме. Конечно, для работы с пациентами такие методы иммобилизации совершенно неприемлемы, поэтому в ходе проведенных в ИПФ РАН исследований был предложен оригинальный вариант ОКТ-ангиографии, использующий контактный режим, при котором удается эффективно стабилизовать крупномасштабные относительные движения ткани и зонда, хотя платой за это является создание в ткани других деформационных движений, которые также маскируют выделяемые движения рассеивателей в крови. Тем не менее, удалось предложить оригинальные методы компенсации таких деформационных движений уже при обработке ОКТ-сигнала, отличающиеся от традиционно используемой компенсации более простых трансляционных движений. Это позволило  реализовать такой вариант ОКТ ангиографии, который оказался  работоспособным не только в условиях лаборатории, но и в клинике при работе с пациентами. Более того, микроангиографические изображения стало возможным получать в реальном времени. На основе предложенных аппаратно-программных решений в ИПФ РАН был создан ОКТ прибор, позволяющий  выполнять микроангиографическое картирование и, конечно, получать обычные структурные изображения, в сочетании с оригинальным вариантом формирования поляризационо чувствительных изображений (для построения которых производится прием сигнала как в исходной, так и в ортогональной поляризации). Сочетание таких сущестенно различных модальностей открыло совершенно новые диагностические возможности ОКТ.
На основе исследований, проведенных сотрудниками НИИ БМТ с использованием разработанного  в ИПФ РАН многоункционального ОКТ-прибора,  как в  лабораторных экспериментах на животных, так и ходе  исследований на добровольцах и пациентах в условиях клиники уже были получены новые результаты, представленные в нескольких статьях в ведущих международных журналах (такие как J. Biophotonics или Nature-Scientific Reports). В частности, был предложен новый оперативный критерий оценки эффективности процедуры фотодинамической терапии раковой опухоли, позволяющий по изменениям визуализируемого микровотока в первые 24 часа после процедуры судить об успехе лечения (т.е. с высокой достоверностью предсказать, погибнет ли опухоль или ее рост возобновится). В качестве другого примера можно назвать исследования влияния радиотерапии опухолей в ротовой полости на изменения микрокровотока в облучаемой области и ее окрестности.  По этим изменениям оказывается возможным судить о ранних признаках развития вызванных радиотерапией осложнений (мукозитов) и предпринять соответствующие предупреждающие меры еще до того, как станут проявляться явные симптомы мукозитов.
Кроме развития перечисленных выше ОКТ модальностей - получения структурных (как двумерных, так и трехмерных), поляризационно-чувствительных и ангиографических изображений), реализованных в уже созданном образце прибора, предназначенного для клинических применений,  в ходе проведенных работ были разработаны и апробированы в лабораторных условиях принципы картирования деформаций на основе обработки серий ОКТ-сканов деформируемой ткани. Таким образом заложена основа для реализации еще одной важной ОКТ модальности - эластографии, т.е. картирования пространственного распределения сдвигового упругого модуля ткани, характеристики, определяющей "жесткость" биоткани, которую субъективно определяют древнейшим методом пальпации. Среди созданных в последние десятилетия объективных методов исследования жесткостных свойств биотканей можно отметить реализацию картирования пространственного распределения модуля сдвига в ряде современных ультразвуковых сканеров,  в том числе с возможностью его количественного оценивания. Несмотря на уже отмечавшееся подобие УЗИ и ОКТ сканов, попытки получения эластографической информации в ОКТ с конца 1990х по последнего времени не привели к созданию коммерциализированных ОКТ сканеров с эластографическим режимом. Основная сложность прямого переноса успешно применяемых в УЗИ-эластографии корреляционных принципов в ОКТ была связана с очень высокой чувствительностью спекловой структуры ОКТ сканов к создаваемой в ткани деформации и вызванными ей интенсивным "миганием" и "кипением" спеклов, хорошо знакомых каждому, кто пользовался лазерной указкой. Эти эффекты вызывают значительную декорреляцию сравниваемых изображений деформируемой ткани и не позволяют достичь достаточной точности построения полей смещений и деформаций методами корреляционного сравнения сканов. Только за последние годы в реализации ОКТ-эластографии произошел значительный прогресс в связи с переходом к анализу вариаций фазы сигнала в сравниваемых ОКТ-сканах. В этом направлении в ИПФ РАН были разработаны оригинальные, обладающие повышенной устойчивостью как к декорреляционным искажениям, так и другим измерительным шумам методы оценивания градиентов межкадровых вариаций фазы, позволяющие обеспечить достаточное для практических применений  качество построения межкадровых деформаций, что открыло возможность визуализировать пространственное распределение относительной  жесткости в пределах кадра. Более того были предложены оригинальные варианты количественного оценивания жесткости ткани на основе использования в качестве сенсора предварительно откалиброванных по жесткости слаборассеивающих слоев из мягкого биоподобного пластика (силикона). Развитый эластографический подход успешно апробирован в лабораторных условиях в экспериментах с животными и выделенными образцами ткани, что позволяет рассчитывать в ближайшие годы и на возможность реализации такой эластографической модальности в ОКТ приборах, предназначенных для работы и в условиях клиники. Пока имеются лишь единичные работы по исследованию перспектив ОКТ-эластографии для биомедицинских применений, однако уже можно говорить об уникальных новых возможностях именно ОКТ-эластографии по сравнению с возможностями других эластографических подходов.  
Относительно других тенденций в развитии ОКТ в мире можно отметить, что в самое последнее время значительное внимание в мире стали привлекать исследования по возможности визуализации лимфатических сосудов, в связи с чем также большой интерес представляет использование для решения этой задачи ОКТ, и в этом направлении уже получены очень  обнадеживающие демонстрации в совместных работах ИПФ РАН и НИИ БМТ.    
В целом   можно подчеркнуть, что развитие мультимодальной (многофункциональной) ОКТ является одним из важных трендов развития биофотоники в целом, и в этом направлении междисциплинарный коллектив исследователей из  ИПФ РАН и Приволжского медицинского университета за последние несколько лет стал одним из международно признанных лидеров.   

Рис.1
ОКТ-установка для мониторинга состояния пациентов в клинических условиях, сочетающая получение структурных, поляризационно-чувствительных изображений и визуализации микрососудистой сетки в реальном времени

Рис.2.
Примеры получения  микроангиографических изображений, полученных в Нижегородском онкологическом диспансере с помощью  созданного ОКТ комплекса. Изменение характеристик микрососудистой сетки (плотности и длины капиллярных сосудов) было использовано для диагностики и мониторинга мукозитов, развивающихся как осложнение радиационной терапии (RT) рака в полости рта.

Публикации:
(международные журналы)

  1. M. A. Sirotkina, L. A. Matveev, M. V Shirmanova, V. Y. Zaitsev, N. L. Buyanova, V. V. Elagin, G. V. Gelikonov, S. S. Kuznetsov, E. B. Kiseleva, A. A. Moiseev, S. V. Gamayunov, E. V. Zagaynova, F. I. Feldchtein, A. Vitkin, and N. D. Gladkova, “Photodynamic therapy monitoring with optical coherence angiography,” Sciеntific Reports, vol. 7, no. February, p. 41506, 2017.
  2. A. Moiseev, L. Snopova, S. Kuznetsov, N. Buyanova, V. Elagin, M. Sirotkina, E. Kiseleva, L. Matveev, V. Zaytsev, F. Feldchtein, E. Zagaynova, V. Gelikonov, N. Gladkova, A. Vitkin, and G. Gelikonov, “Pixel classification method in optical coherence tomography for tumor segmentation and its complementary usage with OCT microangiography,” J Biophotonics, 2017.
  3. V. Y. Zaitsev, A. L. Matveyev, L. A. Matveev, E. V. Gubarkova, A. A. Sovetsky, M. A. Sirotkina, G. V. Gelikonov, E. V. Zagaynova, N. D. Gladkova, and A. Vitkin, “Practical obstacles and their mitigation strategies in compressional optical coherence elastography of biological tissues,” J. Innov. Opt. Health Sci., vol. 10, no. 6, p. 1742006, 2017.
  4. V. Y. Zaitsev, A. L. Matveyev, L. A. Matveev, G. V. Gelikonov, A. A. Sovetsky, and A. Vitkin, “Optimized phase gradient measurements and phase-amplitude interplay in optical coherence elastography,” J. Biomed. Opt., vol. 21, no. 11, p. 116005, 2016.
  5. V. Y. Zaitsev, A. L. Matveyev, L. A. Matveev, G. V. Gelikonov, E. V. Gubarkova, N. D. Gladkova, and A. Vitkin, “Hybrid method of strain estimation in optical coherence elastography using combined sub-wavelength phase measurements and supra-pixel displacement tracking,” J. Biophotonics, vol. 9, no. 5, pp. 499–509, 2016.
  6. L. A. Matveev, V. Y. Zaitsev, G. V Gelikonov, A. L. Matveyev, A. A. Moiseev, S. Y. Ksenofontov, V. M. Gelikonov, M. A. Sirotkina, N. D. Gladkova, V. Demidov, and A. Vitkin, “Hybrid M-mode-like OCT imaging of three-dimensional microvasculature in vivo using reference-free processing of complex valued B-scans,” Opt. Lett., vol. 40, no. 7, pp. 1472–1475, 2015.
  7. V. Y. Zaitsev, A. L. Matveyev, L. A. Matveev, G. V Gelikonov, V. M. Gelikonov, and A. Vitkin, “Deformation-induced speckle-pattern evolution and feasibility of correlational speckle tracking in optical coherence elastography,” J. Biomed. Opt., vol. 20, no. 7, pp. 075006(1–12), 2015.
  8. М. А. Сироткина, Н. Л. Буянова, Т. И. Калганова, М. М. Карабут, В. В. Елагин, С. С. Кузнецов, Л. Б. Снопова, Г. В. Геликонов, В. Ю. Зайцев, Л. А. Матвеев, Е. В. Загайнова, A. Vitkin, and Н. Д. Гладкова, “Разработка методики наблюдения экспериментальных опухолей с помощью многофункциональной оптической когерентной томографии: выбор оптимальной модели опухоли,” Современные технологии в медицине, vol. 7, no. 2, pp. 6–15, 2015.
  9. Matveev, L. A., Zaitsev, V. Y., Matveev, A. L., Gelikonov, G. V., Gelikonov, V. M., & Vitkin, A. (2014). Novel methods for elasticity characterization using optical coherence tomography: Brief review and future prospects. Photonics & Lasers in Medicine, 3(4), 295-309.
  10. V. Y. Zaitsev, L. a Matveev, a L. Matveyev, G. V Gelikonov, and V. M. Gelikonov, “A model for simulating speckle-pattern evolution based on close to reality procedures used in spectral-domain OCT,” Laser Phys. Lett., vol. 11, no. 10, p. 105601, Oct. 2014.
  11. V. Y. Zaitsev, L. A. Matveev, A. L. Matveyev, G. V. Gelikonov, and V. M. Gelikonov, “Elastographic mapping in optical coherence tomography using an unconventional approach based on correlation stability,” J. Biomed. Opt., vol. 19, no. 2, pp. 021107(1–13), 2014.
  12. V. Y. Zaitsev, V. M. Gelikonov, L. A. Matveev, G. V Gelikonov, A. L. Matveyev, P. A. Shilyagin, and I. A. Vitkin, “Recent trends in multimodal optical coherence tomography . I . Polarization-sensitive oct and conventional approaches to oct elastography,” Radiophys. Quantum Eleectronics, vol. 57, no. 1, pp. 52–66, 2014.
  13. V. Y. Zaitsev, I. a. Vitkin, L. a. Matveev, V. M. Gelikonov, a. L. Matveyev, and G. V. Gelikonov, “Recent Trends in Multimodal Optical Coherence Tomography. II. The Correlation-Stability Approach in OCT Elastography and Methods for Visualization of Microcirculation,” Radiophys. Quantum Electron., vol. 57, no. 3, pp. 210–225, Sep. 2014.

(Труды международных конференций, индексируемые WOS и SCOPUS)

  1. M. A. Sirotkina, E. V Gubarkova, E. B. Kiseleva, V. Y. Zaitsev, Y. Kirillin, А. А. Sovetsky, A. L. Matveyev, L. A. Matveev, S. Sergey, E. V Zagaynova, A. Vitkin, and N. D. Gladkova, “MULTIMODAL OCT FOR ASSESSMENT OF VASCULATURE- TARGETED PDT SUCCESS,” in Proc. of SPIE, V. 10047, 2017, pp. 100470Q(1–7).
  2. L. A. Matveev, V. Demidov, A. A. Moiseev, G. V. Gelikonov, A. L. Matveyev, V. M. Gelikonov, M. M. Karabut, E. V. Gubarkova, E. S. Finagina, M. A. Sirotkina, A. V. Maslennikova, N. D. Gladkova, A. Vitkin, and V. Y. Zaitsev, “Vessel-contrast enhancement in label-free optical coherence angiography based on phase and amplitude speckle variability,” in Proc. of SPIE, 2016, vol. 9917, p. 99171S.
  3.  Photonic-West San-Francisco 2016 (Гриша)  V.Y.Zaitsev, A.L.Matveyev, L.A.Matveev, G.V.Gelikonov, E.V.Gubar'kova, N.D.Gladkova, Alex Vitkin,   Robust strain mapping in optical coherence elastography by combining local phase-resolved measurements and cumulative displacement trackibg,  Proc. of SPIE 9710, Optical Elastography and Tissue Biomechanics III, Vol. 9710, 97100O-1 - 97100O-9 (March 15, 2016);  doi:10.1117/12.2211117.
  4. L.A.Matveev, A.L.Matveyev, E.V.Gubarkova, G.V.Gelikonov, M.A.Sirotkina, E.B.Kiseleva, V.M.Gelikonov, N.D.Gladkova, A.Vitkin and V.Yu.Zaitsev,  OCT-based approach to local relaxations discrimination from translational relaxation motions, Proc. of SPIE, Biophotonics: Photonic Solutions for Better Health Care V, Vol. 9887, 98870C (C-1 - C-7) (Apr 16, 2016);
        http://dx.doi.org/10.1117/12.2227570
  5. V.Yu.Zaitsev, A.L.Matveyev, L.A.Matveev, G.V. Gelikonov, A.A.Sovetsky, Alex Vitkin
         Optimization of phase-variation measurements in low-coherence methods: implications for OCE, Proc. of SPIE, Biophotonics: Photonic Solutions for Better Health Care V, Vol. 9887, 98871G (G-1 - G-12) (Apr 16, 2016);  http://dx.doi.org/10.1117/12.2228093
  6. L. A. Matveev, V. Y. Zaitsev, G. V. Gelikonov, A. L. Matveyev, A. a. Moiseev, S. Y. Ksenofontov, V. M. Gelikonov, V. Demidov, and A. Vitkin, “Scan-pattern and signal processing for microvasculature visualization with complex SD-OCT: tissue-motion artifacts robustness and decorrelation time - blood vessel characteristics,” in Proc. SPIE vol.9448, 2015, vol. 9448, pp. 94481M1–6.
  7. L. A. Matveev, A. A. M. Grigory V. Gelikonov, Alexandr L. Matveyev, V. M. G. Sergey Ksenofontov, M. A. Sirotkina, N. L. Buyanova, N. D. Gladkova, V. Demidov, A. Vitkin, and V. Y. Zaitsev, “An approach to OCT-based microvascular imaging using reference- free processing of complex-valued B-scans,” in Proc. of SPIE-OSA Vol. 9541, 2015, pp. 954106(1–5).
  8. L.A. Matveev, V. Yu. Zaitsev, A.L. Matveyev, G.V. Gelikonov, and V.M. Gelikonov. "To the problem of stiffness-contrast quantification in the correlation-stability approach to OCT elastography". Proc. SPIE, V. 9031, pp. 093102-(1-6), (2014) [DOI: http://dx.doi.org/10.1117/12.2049516] Proc. SPIE 9031, Saratov Fall Meet. 2013 Opt. Technol. Biophys. Med. XV; Laser Phys. Photonics XIV 9031,
  9. L. A. Matveev, V. Y. Zaitsev, A. L. Matveyev, G. V Gelikonov, and V. M. Gelikonov. "Combining the correlation-stability approach to OCT elastography with the speckle-variance evaluation for quantifying the stiffness differences". Biophotonics: Photonic Solutions for Better Health Care IV, Edited by Jurgen Popp, Valery V. Tuchin, Dennis L. Matthews, Francesco S. Pavone. Proc. SPIE Vol. 9129, Biophotonics: Photonic Solutions for Better Health Care IV, pp. 91290I(1-7) (May 8, 2014); doi:10.1117/12.2052144
  10. V. Y. Zaitsev, L. A. Matveev, A. L. Matveyev, and G. V Gelikonov, "Towards free-hand implementation of OCT elastography: displacement-based approaches versus correlation-stability ones". Biophotonics: Photonic Solutions for Better Health Care IV, Edited by Jurgen Popp, Valery V. Tuchin, Dennis L. Matthews, Francesco S. Pavone, Proc. of SPIE Vol. 9129 (2014), pp. 91290J(1-8). (May 8, 2014); doi:10.1117/12.2052518
  11. V.Y. Zaitsev, L.A. Matveev, A.L. Matveyev, G.V. Gelikonov, and V.M. Gelikonov. Correlation stability elastography in OCT: algorithm and in vivo demonstrations. Proc. SPIE 8802, Optical Coherence Tomography and Coherence Techniques VI, 880208 (pp. 1-11)  (June 18, 2013); doi:10.1117/12.2032631 (based European Conference on Biomedical Optics 2013, Munich, Germany, 12-16 May, 2013).