Аннотация результатов, полученных в 2017 году
На отчётном этапе проекта была произведена модернизация оптической схемы базового блока ОКТ со спектральным приемом сигнала. Конструктивно базовый блок реализован по тандемной интерферометрической схеме [1], в которой реализуется возможность использования гибких зондов на изотропном оптическом волокне. Использован источник зондирующего излучения, имеющий центральную длину волны 1307 нм и ширину спектра по полувысоте 68 нм при выходной мощности излучения до 15 мВт. Для обеспечения регистрации спектральных данных был разработан эквидистантный по оптической частоте спектрометр с полосой приема 80 нм. В основу спектрометра была положена дифракционная решетка 1200 линий на мм, эквидистантность регистрации спектральных компонент в спектрометре реализована за счёт использования составной призмы-корректора [2]. Расчётное спектрально-обусловленное разрешение в изображениях, восстановленных на основе Фурье преобразования спектров, принимаемых в разработанном спектрометре при использовании приобретенного на отчётном этапе источника излучения составляет 11 мкм, максимальный диапазон построения изображения – 3 мм. В ходе работ отчётного этапа разработана оптическая схема сканирующего устройства, позволяющая осуществлять сканирование объекта исследования на значительном удалении от оптической системы через окно фиксированного диаметра. Размер окна соответствует внутреннему диаметру стандартного ушного зеркала, при этом положение плоскости сканирования относительно выходного торца зонда может изменяться по глубине в пределах 1.5-2 см.. Последнее имеет особенно важное значение при разработке универсального зонда, предназначенного для исследования органов слуха детей в различных возрастных группах. Для эффективного наведения сканирующего устройства в оптическом тракте предусмотрено размещение видеорегистрирующего устройства в плоскости, сопряжённой с поверхностью исследуемого объекта (барабанной перепонки). Введение видеоканала в оптическую схему сканирующего устройства потенциально позволяет дополнить ОКТ устройство функцией цифрового отоскопа, что также может иметь важное значение для будущего клинического применения устройства. В ходе отработки алгоритмов трехмерного сканирования были зафиксированы артефакты, обусловленные возбуждением высших гармоник резонанса сканирующего элемента. Для установления природы артефактов был проведён эксперимент с модельной средой, в качестве которой был выбран фрагмент равномерно рассеивающей пластмассы. На en-face изображении модельной среды были зафиксированы нехарактерные для объекта изменения структуры, наиболее ярко иллюстрируемые при построении изображений динамической структуры, получение которых описано в [3]. Проведённые исследования природы зафиксированных искажений показали, что причиной возникновения артефактов является возбуждение высших гармоник резонанса сканирующего элемента при дискретном изменении управляющего напряжения по «медленной» оси. Для устранения обнаруженного эффекта был разработан подход, основанный на использовании активной фильтрации управляющего напряжения. Это позволило полностью избавиться от влияния высших гармоник резонанса сканирующего элемента как в en-face изображениях, так и при анализе динамической структуры. Оптические и механические свойства экссудативной жидкости определялись сравнительным методом при использовании эталонной жидкости (физиологический раствор), вводимой в наружный слуховой проход при проведении исследования ОКТ. Предварительные эксперименты по определению возможности ОКТ при регистрации оптических свойств экссудата в условиях клиники были произведены на базе ЛОР-отделения ФБУЗ ПОМЦ ФМБА России. Все пациенты прошли обследование, включающее общеклинические анализы, осмотр ЛОР-органов, аудиометрическое обследование, диагноз ЭСО был подтвержден общепринятыми методами. Для исследования ОКТ были отобраны пациенты с подтвержденным диагнозом ЭСО, всего 13 пациентов, 5 из которых имели двусторонний патологический процесс. У всех пациентов этой группы была зарегистрирована кондуктивная или смешанная тугоухость, тимпанограммой тип В, сниженные и или отсутствующие стапедиальные рефлексы. Для проведения предварительного этапа ОКТ исследований было использовано имеющееся в распоряжении коллектива исполнителей созданное ранее сертифицированное устройство ОКТ-1300Е. Несмотря на низкое быстродействие устройства ОКТ-1300У (время регистрации изображения в 200 А-сканов с его применением составляет около 1 секунды), его вполне достаточно на первой стадии проекта для повторения и развития исследований, проведённых группой Боппарта {Monroy, 2016 #41}. В ходе проводимых экспериментов было установлено, что для повышения информативности изображений ОКТ в случае обнаружения экссудативной жидкости в барабанной полости целесообразно использовать иммерсию, что существенным образом снижает контраст на изображении между окружающим пространством и фронтальной поверхностью барабанной перепонки, а также увеличивает общий уровень сигнала от внутренних слоёв перепонки и экссудативной жидкости. Для регистрации степени физической подвижности включений в экссудате БП использовался стабилизированный режим регистрации ОКТ сигнала, при котором движение зондирующего луча, в плоскости, перпендикулярной его оси, прекращалось. При этом ОКТ-изображение можно рассматривать как запись во времени внутренней динамики экссудата. При исследовании в стабилизированном режиме регистрировалась степень смещения оптически-активных включений в экссудате: на экране точечные включения расширялись в горизонтальной плоскости. Для оценки подвижности рассеивателей в экссудате использовался корреляционный (описанный в [4]) анализ и его спектральный вариант. В последнем случае к получаемому при стабилизации зондирующего луча изображению применяется преобразование Фурье во временной области, а затем для каждой строки изображения определяется эффективная ширина спектра (с использованием аппроксимирующих функций). В области шумового сигнала эффективная ширина спектра имеет наибольшее значение, в области неподвижных структур (барабанная перепонка) – наименьшее. При наличии в барабанной полости экссудативной жидкости, частицы, взвешенные в экссудате, вследствие броуновского движения входят и выходят из зондирующего луча, вследствие чего ширина спектра на соответствующей глубине принимает промежуточное значение между шумовым и стационарным. Чем больше вязкость экссудата, тем меньший дрейф испытывают частицы взвеси, что позволяет по ширине спектра ОКТ изображения делать вывод об их подвижности. В ходе отчётного этапа проекта производилось сравнение динамических характеристик экссудативной жидкости с опорной жидкостью (физиологическим раствором), вводимой в наружный слуховой проход в качестве иммерсии. В ходе работ отчётного этапа проекта было показано, что спектральный подход к определению степени подвижности рассеивателей в барабанной полости обладает большей информативностью, чем прямой корреляционный анализ. Поскольку в рамках рассматриваемой задачи Броуновское движение не имеет среднего вектора диффузии, для обеспечения возможности оценки смещения взвешенных частиц, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях разработан метод коррекции влияния дисперсионных искажений. Метод основан на анализе радиотехнического сигнала, регистрируемого в корреляционной реализации метода ОКТ, и позволяет подавить влияние дисперсионных искажений более, чем на два порядка. Анализ литературы показал, что проведённые исследования в целом соответствуют мировому уровню и превышают его в части большей информативности подхода к выделению динамической информации об экссудате, реализованной за счёт использования иммерсии и спектрального анализа в противовес корреляционному. Цитируемая литература 1. Геликонов В.М., Геликонов Г.В., Шилягин П.А. Оптимизация метода спектральной оптической когерентной томографии на базе интерферометров Физо и Майкельсона. // Известия АН: Серия физическая 2008. Т.72, №.1, С. 104-109.(http://elibrary.ru/item.asp?id=9594272) 2. Шилягин П.А., Ксенофонтов С.Ю., Моисеев А.А., Терпелов Д.А., Маткивский В.А., Касаткина И.В., Мамаев Ю.А., Геликонов Г.В., Геликонов В.М. Эквидистантная регистрация спектральных компонент в сверхширокополосной спектральной оптической когерентной томографии. // Изв. ВУЗов: Радиофизика 2017. Т.LX, №.10, С. в печати 3. Moiseev A.A., Gelikonov G.V., Ksenofontov S.Y., Gelikonov V.M., Matveev L.A., Zaitsev V.Y., Matveev A.L., Sirotkina M.A., Gladkova N.D., Vitkin I.A. Real time OCT-based angiography device with hand-held probe (Conference Presentation) // SPIE BiOS2017. V. 10053. P. 1. doi: 4. Monroy G.L., Pande P., Shelton R.L., Nolan R.M., Spillman D.R., Jr., Porter R.G., Novak M.A., Boppart S.A. Non-invasive optical assessment of viscosity of middle ear effusions in otitis media. // J Biophotonics 2016. doi: 10.1002/jbio.201500313 [doi].

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В ходе работ отчётного этапа создан и прошёл экспериментальную апробацию и оптимизацию для работы в условиях лаборатории и клиники прототип клинического прибора ОКТ. Прототип выполнен на базе спектральной ОКТ с параллельной регистрацией спектральных компонент при использовании источника излучения с центральной длиной волны 1300 нм и обеспечивает скорость получения изображений на уровне 20 000 А-сканов в секунду. Высокое быстродействие устройства позволяет как выполнять запись трехмерных изображений рассеивающей структуры, так и осуществлять регистрацию двумерных распределений динамических характеристик в режиме «медленного» сканирования, предложенном на первом этапе проекта. В устройстве реализован высокий динамический диапазон изображений – до 50 дБ над уровнем шума, что обусловило необходимость в разработке алгоритмического подхода для подавления артефактов изображения радиотехнической природы, обнаруженных на изображениях тестовых объектов и, впоследствии, на изображениях барабанной полости. На отчётном этапе показано, что источником этих артефактов является неидентичность передаточных характеристик каналов многоканальных фотоприёмных элементов. Для подавления этих артефактов предложен и экспериментально верифицирован численный метод, основанный на использовании моделей, параметры которых оцениваются по регистрируемому сигналу. Предложенный метод не требует априорной информации о передаточных характеристиках каналов. Работоспособность метода продемонстрирована в экспериментах по визуализации элементов среднего уха человека in vivo. Получение изображений в разработанном прототипе клинического устройства ОКТ реализовано бесконтактным образом, что накладывает особые ограничения на условия обеспечения стабильности взаимного расположения зонда и исследуемого объекта в процессе получения трехмерных и динамических изображений. Поскольку даже при реализованной относительно высокой скорости регистрации в 20 000 А-сканов в секунду получение полного массива данных занимает десятки секунд, объект и зонд должны либо жестко фиксироваться, что нежелательно в клиническом эксперименте, либо должен быть разработан подход, позволяющий скорректировать случайные флуктуации дистанции между зондом и объектом исследования, вызванные тремором, дыханием или проекцией пульсовых движений. На отчётном этапе проекта предложен и экспериментально верифицирован численный метод коррекции влияния флуктуаций дистанции до объекта при бесконтактном зондировании. Метод основан на анализе фазовых сдвигов соседних сканов, обусловленных микромасштабными смещениями, и последующей компенсации смещений за счет фазочастотной коррекции в спектральном пространстве. Работоспособность метода продемонстрирована в модельных экспериментах с гармоническим и случайным характером движения рассеивающего объекта, а также при получении изображений структур среднего уха человека in vivo Для отработки возможности реализации широкопольного сканирования при исследовании барабанной полости на отчётном этапе разработана оптическая схема эндоскопического зонда с длиной рабочего отрезка 8 мм и диаметром поля зрения 9,6 мм при диаметре дистальной части зонда не более 4.5 мм. Экспериментальная апробация оптической схемы запланирована на первый квартал следующего года. Для отработки алгоритмов количественной оценки отдельных физических параметров экссудативной жидкости создан лабораторный макет ОКТ устройства, на котором также отрабатываются отдельные программные и аппаратные решения, предназначенные для модернизации прототипа клинического устройства ОКТ. При исследовании эвакуированной экссудативной жидкости получены данные о её вязкостных свойствах. С использованием прототипа клинического устройства ОКТ проведены обследования 22 клинических случаев ЭСО и около 10 случаев, не имеющих патологии в виде наличия экссудата в барабанной полости. По полученным данным проведены предварительные оценки диагностической значимости отдельных параметров ОКТ изображений, однако для формирования статистически достоверных критериев необходимо увеличение выборки по крайней мере в два раза, что должно быть достигнуто на следующем этапе выполнения проекта.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В ходе реализации проекта на отчётном этапе были проведены работы по усовершенствованию и внедрению в действующий макет оптического когерентного томографа аппаратно-программных решений, с целью создания прототипа клинического устройства. В целом разработанные подходы направлены как на повышение специализации устройства для решения поставленной задачи (диагностика методом ОКТ наличия и состояния экссудата в барабанной полости, как основного диагностического признака ЭСО), так и на расширение его диагностических возможностей, связанных с проведением исследований барабанной перепонки и элементов среднего и внутреннего уха. В 2019 году были проведены сравнительные исследования двух различных систем ОКТ-зондирования, обладающих различной рабочей дистанцией до объекта зондирования и полем зрения. По результатам сравнения для дальнейшего развития исследований в области диагностики ЭСО отдано предпочтение зонду с большим значением рабочей дистанции и реализованной возможностью использования сменных одноразовых ушных воронок. Проведена оптимизация программного кода, компенсирующего влияние флуктуаций дистанции до объекта в спектральной ОКТ для использования в режиме реального времени и отработан метод коррекции сигнала при быстром смещении зонда. Эти меры снижают риск прикосновения к чувствительным тканям при использовании зондов с малой длиной рабочего отрезка. Реализован также метод определения динамических свойств жидкости, содержащей рассеиватели, с использованием стабилизированного режима спектральной ОКТ. Режим аналогичен М-режиму с тем отличием, что в процессе получения изображения осуществляется медленное смещение зондирующего луча в направлении, ортогональном к плоскости сечения. Кроме того, на отчётном этапе проведён анализ клинических случаев ЭСО с разделением эвакуированного экссудата по степени вязкости, и установлено, что наибольший интерес с точки зрения анализа подвижности представляют экссудаты раннего и среднего сроков формирования. Эти типы экссудата характеризуются относительно невысокой степенью вязкости, и роль основных рассеивателей в них играют относительно крупные структуры – фрагменты слизистой оболочки, поврежденной острым воспалительным процессом и клеточные структуры. Для проведения модельных экспериментов предложено использовать водные суспензии, вязкость которых регулируется с применением полисахаридов (крахмал), в качестве рассеивателей использовать эритроциты, полученные из крови лабораторных животных. Агрегация эритроцитов предотвращается использованием антикоагулянтов (гепарин). В рамках работ по расширению диагностического потенциала метода в отоскопии в 2019 году были разработаны автоматизированные алгоритмы, позволяющие вычислять по данным ОКТ толщину барабанной перепонки и производить её картирование. Это имеет большое значение для отоскопии, поскольку ни один из существующих методов неинвазивной диагностики не обладает такой разрешающей способностью и четкостью изображения при измерении таких тонких структур, как ОКТ. Информация о толщине может быть полезна при определении показателей нормы, а также при выявлении различных заболеваний органов слуха. Дополнительно был разработан метод построения изображений внутренней структуры полых тел. В приложении к задачам настоящего проекта этот метод имеет важное значение при анализе структуры отдельных элементов внутреннего уха, в частности, улитки. Работоспособность метода была продемонстрирована при построении внутренней структуры улитки линейных крыс Wistar. В части работ, проводимых на клинической базе коллектива, были продолжены наблюдения пациентов с подтверждённым ЭСО, давших согласие на участие в эксперименте. Всего за время проекта обследование с использованием ОКТ было проведено для 56 пациентов с подтверждённым диагнозом ЭСО в возрасте от 18 до 76 лет, при этом 17 пациентов имели двусторонний процесс, всего было выполнено 73 измерения. В исследуемую группу, в которой кроме проведения исследований ОКТ, производилась эвакуация экссудата и оценка его вязкости, были включены 24 пациента с ЭСО (11 женщин и 13 мужчин) в возрасте от 22 до 76 лет, которым было показано хирургическое лечение - тимпаностомия. При этом 5 пациентов имели двусторонний процесс, всего в исследование было включено 29 случаев ЭСО. Контрольную группу составили 28 пациентов без патологии среднего уха, которым было выполнено 31 исследование В отчётном периоде был достигнут значительный прогресс в определении корреляция между оптическими свойствами экссудата и клинической картиной заболевания. По результатам анализа клинического материала, собранного в отчётном году и на предыдущих этапах установлена корреляция между интенсивностью сигнала обратного рассеяния от экссудативной жидкости и её вязкостью. В частности, оказано, что присутствие в барабанной полости экссудата с вязкостью выше 400 сП (характерно для поздних стадий развития ЭСО) характеризуется высокой средней яркостью соответствующей области на изображении ОКТ, существенно превышающей уровень шума. Кроме того, установлена корреляция между утолщением барабанной перепонки, измеряемой методом ОКТ и хроническим характером течения ЭСО вне зависимости от регистрируемой в момент обследования фазы заболевания. Однако для объективизации установленной корреляции требуются дополнительные исследования, уточняющие границы нормы и вводящие дополнительные факторы, такие как возраст пациента и наличие в анамнезе других заболеваний органов слуха. Дополнительно было установлено что анализ ОКТ изображений позволяет также произвести эффективное дифференцирование случаев ретракции (локальной атрофии) барабанной перепонки от случаев её перфорации. Полученные результаты позволили сформулировать рекомендации по выбору рациональной тактики лечения в зависимости от данных ОКТ. Разработанные рекомендации включают в себя сформулированные подходы по определению наличия экссудата в барабанной полости; выявлению случаев, когда экссудат обладает высокой степенью вязкости и не может быть эвакуирован консервативными методами; диагностике хронического характера течения заболевания. В целях развития исследований в области использования ОКТ для диагностики ЭСО на основе накопленного в ходе выполнения проекта опыта были разработаны и утверждены протоколы дальнейших клинических исследований при использовании прототипа клинического прибора ОКТ. Протокол исследования включает в себя перечень личных данных пациента, необходимых для обработки результатов (составляется на основе медицинской карты и сбора анамнеза, анонимизируется); стандартную диагностическую информацию; визуальные признаки регистрируемого ОКТ-изображения (заполняется непосредственно во время осмотра); в случае эвакуации экссудата – его физические свойства (степень вязкости, цвет, прозрачность); ряд признаков, выделяемых в ходе последующей обработки изображений (средняя яркость и гистограмма яркости для всех областей, выделяемых на изображении, толщина барабанной перепонки в исследуемой области, при регистрации в режиме объёмного сканирования – карта толщины барабанной перепонки)