Новые ОКТ методы как основа контрольных систем с обратной связью при разработке нового поколения лазерных медицинских технологий для управляемой коррекции формы хрящей и роговицы глаза

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 16-15-10274

НазваниеНовые ОКТ методы как основа контрольных систем с обратной связью при разработке нового поколения лазерных медицинских технологий для управляемой коррекции формы хрящей и роговицы глаза

Руководитель Зайцев Владимир Юрьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук" , Нижегородская обл

Конкурс №13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-601 - Физические воздействия в медицине

Ключевые слова многофункциональная оптическая когерентная томография, лазерное воздействие на ткани, лазерная коррекция зрения, картирование деформаций, хрящевые имплантаты для отоларингологии и челюстно-лицевой хирургии, фазовые методы

Код ГРНТИ76.13.25; 76.03.29; 29.33.47

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение научной проблемы оптического контроля и управления процессами лазерной модификации структуры и формы биологических тканей с целью обеспечения эффективности и безопасности медицинских технологий нового поколения. В отличие от широко распространенных технологий лазерной хирургии, как правило, связанных с разрушением или коагуляцией биоткани лазерным излучением, в проекте будут использоваться выявленные в последние годы более тонкие эффекты воздействия на структуру и механические свойства биотканей (таких как хрящевые ткани и роговица глаза), основанные на возможности временной и обратимой трансформации ткани из нормального упругого состояния в пластичное. Это открывает беспрецедентные перспективы для выполнения некоторых широко распространенных операций, связанных с изменением формы ткани и традиционно считающихся хирургическими, но без хирургического вмешательства в традиционном смысле. При этом возможно исключить биологические повреждения структуры ткани, так что такая нехирургическая процедура может в буквальном смысле выполняться за секунды, причем достигнутый результат становится понятен без традиционно необходимого периода более или менее длительного заживления и других побочных эффектов. Однако, для возможности практического использования уникальных достоинств таких методов модификации биотканей, критически важным является решение проблемы точного контроля параметров лазерного воздействия, поскольку даже сравнительно небольшие превышения оптимальных значений интенсивности и (или) длительности воздействия могут привести к необратимым изменениям структуры и свойств ткани, например, коагуляции и помутнению роговицы глаза или послеоперационному короблению хрящевых имплантатов. Планируемая в рамках данного проекта разработка новых методов оптической когерентной томографии (ОКТ) направлена на решение проблемы создания контрольных систем критически необходимых для обеспечения работоспособности и безопасности нового поколения лазерных медицинских технологий управляемой коррекции формы хрящей и роговицы глаза. Предусмотренное в рамках проекта развитие новых ОКТ методов и средств является сложной научно-инженерной задачей с существенными фундаментальными составляющими. ИПФ РАН является единственным в России центром, где не только проводятся такие физические исследования, но и разрабатываются ОКТ сканеры для медико-биологических применений. Для решения поставленных в проекте задач особенно важным является опыт участников проекта из ИПФ РАН, полученный за последние 2-3 года в ходе разработки оригинальных ОКТ методов визуализации микрокровотока, а также картирования пространственного распределения поля деформаций с качеством, не уступающим мировому уровню исследований по этим направлениям, а в некоторых аспектах и превосходящим его. Планируемые работы по развитию новых модальностей ОКТ для исследования медленных релаксационных явлений и ползучести биотканей в ходе лазерного воздействия также должны способствовать закреплению достигнутых российскими исследователями передовых позиций по развитию новых ОКТ модальностей. Таким образом, предлагаемый мультидисциплинарный проект предполагает решение задач, представляющих высокий научный интерес сразу по нескольким направлениям, сочетая как физические, так и биомедицинские аспекты. Целью проекта является разработка новых ОКТ методов и средств оптического мониторинга и управления процессами лазерной модификации структуры тканей для коррекции формы хрящей при изготовлении имплантатов и нехирургической лазерной коррекции формы роговицы и рефракции глаза. Масштаб проблематики проекта определяется необходимостью решения комплекса сложных, взаимосвязанных конкретных задач, таких как (1) исследование оптических свойств хрящевых тканей (разного типа и состояния) и их изменений в процессе лазерного воздействия и в долгосрочной перспективе; (2) разработка теоретических моделей, позволяющих описать динамику лазеро-индуцированных структурных изменений в неоднородных биополимерах, оптимизировать режимы лазерного воздействия и минимизировать количество экспериментов на живых тканях; (3) разработка новых методов и средств многофункционального ОКТ мониторинга и контроля, обеспечивающих эффективность и безопасность лазерной модификации структуры хрящей и формы роговицы глаза. В ходе выполнения проекта с использованием развиваемых участниками проекта методов многофункциональной оптической когерентной томографии (ОКТ) будут получены новые сведения о фундаментальных особенностях лазерно-индуцированных процессов функциональной модификации хряща и роговицы. По разработке и исследованию таких процессов участники проекта из ИПЛИТ РАН получили ряд пионерских результатов, так что результаты выполнения предлагаемого проекта должны закрепить лидирующие позиции российских исследователей в этом направлении, дальнейшее развитие которого может революционизировать сразу несколько направлений в медицине, что свидетельствует о высокой актуальности тематики проекта. Следует подчеркнуть, что как планируемые физические исследования по созданию мульти-модальных ОКТ средств контроля и управления, так и их приложения к исследованию биомедицинских аспектов новых методов лазерной модификации тканей, не только соответствуют мировому уровню, но и формируют самые современные тренды в этих областях, во многом являясь пионерскими. Уровень лежащих в основе предлагаемого проекта достижений участвующих групп из ИПЛИТ и ИПФ РАН подтверждается более чем 100 публикациями высокого уровня (в т.числе в Phys. Rev. Lett., J. Biophotonics, Opt. Lett., J. Biomed. Opt., Laser Phys. Lett. и др.), рядом престижных премий (таких как премия им. Т. Меймана за выдающийся вклад в применение лазеров в биологии и медицине; Национальная премия "Призвание"- лучшим врачам России за вклад в медицину ученых немедицинских специальностей; Госпремия России за создание первых в стране ОКТ томографов; премия РАН им. Л.И. Мандельштама по физике за исследования нелинейных и релаксационных явлений и их использование для диагностики структурно-неоднородных сред). Коллектив участников проекта включает как опытных исследователей с международно признанными достижениями, так и активно работающих молодых исследователей, недавно защитивших или работающих над кандидатскими диссертациями. Все это дает основания рассчитывать на успешное достижение поставленных в проекта задач.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Александровская Ю.М., Баум О.И., Шехтер А.Б., Петерсен Е.В., Тифлова О.А., Дмитриев А.К., Ульнов В.А., Свистушкин В.М., Селезнева Л.В., Соболь Э.Н. Mechanisms of laser activation of chondrocytes in osteoarthritis healing Laser Physics Letters, v. 15(8), 085601 (8pp) (год публикации - 2018)
10.1088/1612-202X/aac746

2. Зайцев В.Ю., Матвеев, А.Л., Матвеев Л.А., Геликонов Г.В., Баум О.И., Омельченко А.И., Шабанов Д.В., Советский А.А., Южаков А.В., Федоров А.А., Сипливый В.И., Большунов А.В., Соболь Э.Н. Revealing structural modifications in thermomechanical reshaping of collagenous tissues using optical coherence elastography Journal of Biophotonics (год публикации - 2018)
10.1002/jbio.201800250

3. Советский А.А., Матвеев А.Л., Матвеев Л.А., Шабанов Д.В., Зайцев В.Ю. Manually-operated compressional optical coherence elastography with effective aperiodic averaging : demonstrations for corneal and cartilaginous tissues Laser Physics Letters, vol. 15(8), p. 085602 (год публикации - 2018)
10.1088/1612-202X/aac879

4. Матвеев А.Л., Матвеев Л.А., Советский А.А., Геликонов Г.В., Моисеев А.А., Зайцев В.Ю. Vector method for strain estimation in phase-sensitive optical coherence elastography Laser Physics Letters, vol 15(6), pp 065603 (год публикации - 2018)
10.1088/1612-202X/aab5e9

5. Зайцев В.Ю., Матвеев Л.А., Матвеев А.Л., Советский А.А., Шабанов Д.В., Геликонов Г.В., Баум О.И., Южаков А., Соболь Э.Н. Monitoring of slow deformations in laser tissue reshaping with optical coherence elastography Proceedings of the IEEE, 2018 International Conference Laser Optics (ICLO), page 510 (год публикации - 2018)
10.1109/LO.2018.8435599

6. Зайцев В.Ю., Матвеев А.Л., Матвеев Л.А., Геликонов Г.В., Омельченко А.И., Шабанов Д.В., Советский А.А., Баум О.И., Виткин А., Соболь Э.Н. Optical coherence elastography assesses tissue modifications in laser reshaping of cornea and cartilages PROCEEDINGS OF SPIE, Proc. SPIE 10496, Optical Elastography and Tissue Biomechanics V, 104960C (год публикации - 2018)
10.1117/12.2289777

7. Советский А.А., Губарькова Е.В., Матвеев Л.А., Матвеев А.Л., Сироткина М.А., Гладкова Н.Д., Зайцев В.Ю. OCT-based characterization of the nonlinear properties of biological tissues in various states PROCEEDINGS OF SPIE, Proc. SPIE 10685, Biophotonics: Photonic Solutions for Better Health Care VI, 1068536 (год публикации - 2018)
10.1117/12.2306246

8. В.Ю. Зайцев, А.Л. Матвеев, Л.А. Матвеев, Г.В. Геликонов, А.И. Омельченко, О.И. Баум, С.Э.. Аветисов, А.В. Большунов,В.И. Сипливый, Д.В. Шабанов,А. Виткин, Э.Н. Соболь Optical coherence elastography for strain dynamics measurements in laser correction of cornea shape Journal of Biophotonics, V.10(11), 150-1463 (год публикации - 2017)
10.1002/jbio.201600291

9. Зайцев В.Ю., Матвеев Л.А., Матвеев А.Л., Геликонов Г.В., Омельченко А.И., Шабанов Д.В., Советский А.А., Виткин А., Баум О.И., Соболь Е.Н. Applicatons of optical coherence elastography In problems of laser reshaping of cartilages and cornea Proc. of Intern. Conf. Topical Problems of Biophotonics, p. 68 (год публикации - 2017)

10. Александровская Ю., Садовников К., Соболь Э. Optical clearing of costal cartilage on λ=532 nm and 1.56 μm Proceedings of the 25th International Conference on Advanced Laser Technologies, MC-IV-3 (год публикации - 2017)

11. Эмиль Соболь, Ольга Баум, Анатолий Шехтер, Себастиан Вахсман-Хойгу, Александр Шнирельман, Юлия Александровская, Иван Садовский, Валерий Винокур Laser-induced micropore formation and modification of cartilage structure in osteoarthritis healing Journal of Biomedical Optics, V.22(9), 091515 (год публикации - 2017)
10.1117/1.JBO.22.9.091515

12. Соболь Э., Баум О., Александровская Ю., Шехтер А., Селезнева Л., Свистушкин В. Transplantation of rib cartilage reshaped with 1.56 μm laser radiation in rabbits Proceedings of SPIE, Vol. 10067, 100670V(1-7) (год публикации - 2017)
10.1117/12.2266879

13. Л.А. Матвеев, Д.А. Караштин, А.А.Советсткий, Е.В. Губарькова, М.А. Сироткина, А.Л. Матвеев, Д.В. Шабанов, Г.В. Геликонов, В.М. Геликонов, И.Н. Дружкова, Н.Д. Гладкова, А.Виткин, Е.В. Загайнова, В.Ю. Зайцев Quasistatic in-depth local strain relaxation/creep rate mapping using phase-sensitive optical coherence tomography Proceedings of SPIE (год публикации - 2017)
10.1117/12.2284467

14. Сошникова Ю.М., Кесельман М.М., Баум О.И., Шульц Э.В., Обрезкова М.В., Лунин В.В., Соболь Э.Н. Effect of anisotropy and drying of costal cartilage on its optical transmittance in laser reshaping of implants with 1, 2, and 3 mm in thickness Lasers in Surgery and Medicine, Том 48(9), стр. 887-892 (год публикации - 2016)
10.1002/lsm.22575

15. Соболь Е., Баум О., Вахсман-Хойгу С. Structural illuminating microscopy and fluorescent markers in the imaging of laser-induced modification of cartilage and sclera structure Proc. of Intern. Conf. Topical Problems of Biophotonics, p. 61 (год публикации - 2017)

16. Зайцев В.Ю., Матвеев А.Л., Матвеев Л.А., Геликонов Г.В., Виткин А., Омельченко А.И., Баум О.И., Шабанов Д.В., Советсткий А.А., Соболь Э.Н. Multiparameter thermo-mechanical OCT-based characterization of laser-induced cornea reshaping Proceedings of SPIE, v. 10067, pp. 10067V(1-7) (год публикации - 2017)
10.1117/12.2253610

17. Зайцев В.Ю., Матвеев А.Л., Матвеев Л.А., Геликонов Г.В., Омельченко А.И., Шабанов Д.В., Баум О.И., Свистушкин В.М., Собол Е.Н. Optical coherence tomography for visualizing transient strains and measuring large deformations in laser-induced tissue reshaping Laser Physics Letters, т.13, вып. 11, 115603 (год публикации - 2016)
10.1088/1612-2011/13/11/115603

18. Зайцев В.Ю., Матвеев А.Л., Матвеев Л.А., Геликонов Г.В., Советский А.А., Виткин А. Optimized phase gradient measurements and phase-amplitude interplay in optical coherence elastography Journal of Biomedical Optics, 21(11),116005 (год публикации - 2016)
10.1117/1.JBO.21.11.116005

19. В.Ю. Зайцев, А.Л. Матвеев, Л.А.Матвеев, Е.В. Губарькова, А.А. Советский, М.А. Сироткина, Г.В. Геликонов, Е.В. Загайнова, Н.Д.Гладкова, А. Виткин Manifestations of nonlinear elasticity of biological tissues in compressional optical coherence elastography Proceedings of SPIE-OSA, Vol. 10413, 1041304(1-4) (год публикации - 2017)
10.1117/12.2284663

20. Александровская Ю., Садовников К, Шаров А, Шерстнева А., Евтушенко Е., Омельченко А., Обрезкова М., Тучин В., Лунин В., Соболь Э. Controlling the near infrared transparency of costal cartilage by impregnation with clearing agents and magnetite nanoparticles Journal of Biophotonics (год публикации - 2017)
10.1002/jbio.201700105

Публикации