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 22-65-00096

НазваниеРазработка системы для оптической визуализации церебрального кровотока при проведении нейрохирургических вмешательств

РуководительКузнецов Сергей Львович, Доктор медицинских наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Министерства здравоохранения Российской Федерации (Сеченовский Университет), г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2025 г.

Конкурс№75 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (междисциплинарные проекты).

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-602 - Физические методы медицинской диагностики. Томография

Ключевые словацеребральный кровоток, гистофизиология ЦНС, нейрохирургия, лазерная спекл-контрастная визуализация

Код ГРНТИ76.13.33

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Исследование микроциркуляции кровотока ЦНС и ее отклонений от нормы является одной из важнейших проблем современной нейронауки. Во многом это обусловлено тем, что многие заболевания центральной нервной системы вызывают функциональные и моpфологические изменения в микроциркуляторном русле. Такие повреждения составляют основу развития стресс-индуцированных заболеваний, таких как острое нарушение мозгового кровообращения (ОМНК) по ишемическому и геморрагическому типам. В настоящее время изучение особенностей микроциркуляции представляет собой сочетание морфологических и функциональных методов анализа. Инвазивные методы, в том числе на аутопсийном и биопсийном матеpиалах, имеют ряд недостатков, связанных с определением состояния интрамуральных сосудов преимущественно на поперечных и косых срезах, а также трудностями пpи исследовании одновременно сосудов гемо- и лимфоциpкуляции. Морфологические исследования микроциркуляции отражают ее состояние только в конкретной точке без динамики процесса. К наиболее эффективным неинвазивным методам определения основных параметров микpоциркуляции относятся методы, основанные на динамическом рассеянии света (доплеровская флоуметpия, интpавитальная микpоскопия, диффузионно-волновая спектроскопия, спекл-визуализация и др.), и методы оптической когерентной томографии. Многие перечисленные методы имеют существенные ограничения: недостаточно высокое пространственное и временное разрешение, ограниченность информации о потоке частиц, особенно по глубине биоткани, инвазивность измерений и др. Совмещение методов динамического рассеяния света и микроскопии позволяет получить эффективный инструмент для определения параметров микpоциркуляции. Предполагая анализ флуктуационной составляющей интенсивности лазерного излучения, рассеянного зондируемым объектом, эти методы базируются на совокупности результатов, полученных в статистической оптике и оптике случайно-неоднородных сред. На сегодняшний день остро стоит вопрос о создании системы визуализации, которая была бы удобна в обращении и могла быть адаптирована к рутинным процедурам нейрохирургии. Одним из методов, который мог бы лечь в основу системы, является лазерная спекл-контрастная визуализация (ЛСКВ). Развитие этого метода в нейрохирургии происходит на уровне доклинических и пробных клинических экспериментов без включения в процесс операции, формализации протоколов и обоснования предикторов осложнений при ОНМК на основе измеренных параметров. Технология ЛСКВ последние годы получает распространение при проведении исследования в различных областях медицины, начинают появляться опытные образцы ЛСКВ систем. В значительной степени данные системы направлены на анализ перфузии кожи. Проведены исследования по применению ЛСКВ для анализа церебрального кровотока, значительная часть которых проведена исключительно на модельных животных, а системы визуализации находятся на разных стадиях реализации. В связи с этим на данный момент системы ЛСКВ далеки от внедрения в практику нейрохирурга. В рамках реализации проекта будет предложена конструкция и технология микрофлюидной системы, используемой в качестве фантома биоткани. Он будет имитировать процессы гемодинамики, а также оптические свойства. Научная новизна проекта состоит в создании технического комплекса, протоколов применения и методов обработки сигнала для интраоперационной визуализации церебрального кровотока на основе лазерной спекл-контрастной визуализации, которая предоставит хирургу возможность непрерывно получать тактическую информацию о кровотоке без необходимости внесения контрастных препаратов и длительных перерывов на диагностические процедуры. Актуальность проекта обуславливается необходимостью развития методов анализа церебрального кровотока с целью снижения риска инвалидизации и смертности в нейрохирургии.

Ожидаемые результаты
В рамках данного проекта будет создана интраоперационная система визуализации церебрального кровотока совместно со стеком необходимых программных продуктов, технических и инженерных решений. В течение выполнения проекта будет достигнут ряд значимых научных результатов, которые выведут интраоперационную диагностику церебрального кровотока на новый уровень практической применимости и эффективности: 1) Система визуализации церебрального кровотока на основе лазерной спекл-контрастной визуализации с учетом взаимодействия структурированных электромагнитных вихревых лазерных пучков, содержащих спиновой угловой момент (СУМ) и орбитальный угловой момент (ОУМ), как со статической, так и с динамической светорассеивающей тканеподобной средой, включая кровь и живые биоткани. Научная новизна состоит в предложении технически, практически и научно обоснованного инженерного решения с учетом сопряжения с современной нейрохирургической операционной, системами инфокоммуникации и протоколами проведения хирургических вмешательств. 2) Создание полимерного фантома, моделирующего церебральный кровоток и свойства потока в аневризмах/иных сосудистых поражениях для исследования и оптимизации режимов работы предлагаемой системы визуализации. Практическая значимость состоит в обосновании технических режимов работы разрабатываемой системы. 3) Обоснование алгоритмов обработки сигнала, формализация биотехнической системы в виде структурных и функциональных схем и создание методических рекомендаций. Практическая значимость состоит в создании и формализации инструкций по внедрению предлагаемой системы в рутинное применение при хирургических вмешательствах по поводу цереброваскулярных патологий. 4) Оценка влияния спин-орбитального взаимодействия на взаимное изменение состояния поляризации и траектории вихревого лазерного пучка, распространяющегося в мутной рассеивающей свет среде. 5) Анализ чувствительности свойств вихревых лазерных пучков, а именно ОУМ, СУМ, а также собственный углового момента и степени закручивания света к наличию малых пространственных и динамических неоднородностей в мутной рассеивающей среде. 6) Анализ выполнения условий эргодичности живой системы биоткань-кровоток на основе метода спекл-контрастной визуализации в точках бифуркаций, аневризм и окружающих тканях. Научная значимость и новизна состоит в исследовании пространственных и временных статистических свойств кровотока у пациентов с ОНМК и использовании параметров нарушения условий эргодичности, как предикторов сопутствующих осложнений. 7) Создание и обоснование алгоритмов предсказания послеоперационных осложнений с использованием пре- и постоперационных картин спекл-контрастной визуализации церебрального кровотока области интереса на основе машинного обучения и существующих шкал осложнений после ОНМК. 8) Цикл научных статей, с целью расширения знаний в области неинвазивной оптической диагностической визуализации церебрального кровотока при нейрохирургических операциях. Результаты проекта соответствуют мировому уровню. Вопросы разработки неинвазивных методов диагностики церебрального кровотока приобретают всё большую актуальность, что подтверждается работами [Miller D. R. et al. Laser speckle contrast imaging for visualizing blood flow during cerebral aneurysm surgery: A comparison with indocyanine green angiography //medRxiv. – 2021; Richards L. M. et al. Intraoperative multi-exposure speckle imaging of cerebral blood flow //Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. – 2017. – Т. 37. – №. 9. – С. 3097-3109; Mangraviti A. et al. Intraoperative laser speckle contrast imaging for real-time visualization of cerebral blood flow in cerebrovascular surgery: results from pre-clinical studies //Scientific reports. – 2020. – Т. 10. – №. 1. – С. 1-13]. Что показывает соответствие задач проекта мировому уровню и современным запросам медицины. Однако на данном этапе большая часть научных исследований по применению ЛСКВ для анализа церебрального кровотока проводится на модельных животных, а разработанные прототипы находятся на разной стадии готовности. Таким образом уровень научно-технической и методологической проработанности применения ЛСКВ не позволяет уже сейчас внедрить данную технологию в клиническую практику. Результаты проекта будут превосходить мировой уровень в части обработки информации. Метод ЛСКВ является перспективным для исследования морфологических и функциональных изменений кровотока и перфузии биологических тканей in vivo. Основу метода составляет статистический анализ интерференционных спекл-картин, образующихся на поверхности случайно-неоднородной мутной среды в результате рассеяния лазерного излучения. ЛСКВ успешно используется для визуализации кровотока и лимфотока в опухолевых тканях [Meglinski I.V., Kalchenko V.V., Kuznetsov Y.L., Kuznik B.I., Tuchin V.V. // Dokl. Phys. 2013. V. 58. N 8. P. 323. doi 10.1134/S102833581308003X; Kalchenko V., Kuznetsov Y., Harmelin A., Meglinski I.V. // J. Biomed. Opt. 2012. V. 17. N 5. P. 050502. doi 10.1117/1.JBO.17.5.050502; Kalchenko V., Kuznetsov Y.L., Meglinski, I. // Quantum Electron. 2013. V. 43. N 7. P. 679.], оценки влияния аллергенов и оптических просветляющих агентов на микроциркуляцию крови в коже [Kalchenko V., Kuznetsov Y.L., Preise D., Meglinski I., Harmelin A. // J. Biomed. Opt. 2014. V. 19. N 6. P. 060502. doi 10.1117/1.JBO.19.6.060502; Kalchenko V., Meglinski I., Sdobnov A., Kuznetsov Y., Harmelin A. // J. Biomed. Opt. 2019. V. 24. N 6. P. 060501. doi 10.1117/1.JBO.24.6.060501], мониторинга мозгового кровотока [Kalchenko V., Israeli D., Kuznetsov Y.L., Meglinski I., Harmelin A. // J. Biophotonics. 2015. V. 8. N 11-12. P. 897. doi 10.1002/jbio.201400140; Kalchenko V., Sdobnov A., Meglinski I., Kuznetsov Y., Molodij G., Harmelin A. // Photonics. 2019. V. 6. N 3. P. 80. doi 10.3390/photonics6030080], мониторинга перфузии кожи [Mizeva I., Dremin V., Potapova E., Zherebtsov E., Kozlov I., Dunaev A. // IEEE Trans. Biomed. Eng. 2019. doi 10.1109/TBME.2019.2950323] и др. Преимуществами ЛСКВ являются возможность визуализации кровотока и перфузии биологических тканей в реальном времени, возможность проведения неинвазивных измерений, а также относительная дешевизна экспериментальной установки. Следует, однако, отметить, что биологические ткани являются сильно пространственно неоднородными и состоят из динамических включений (кровь, лимфа) и из статических (кожа, кости и т.д.) рассеивающих свет компонент. Такая рассеивающая свет среда не удовлетворяет условию эргодичности, что приводит к возникновению систематической ошибки метода ЛСКВ и, как следствие, к ошибочной интерпретации результатов измерений. Обычно нарушения эргодичности системы игнорируются, а систематическая ошибка метода не учитывается. Авторами настоящего проекта было исследовано влияние неподвижных структурных включений в неоднородных сильно рассеивающих свет средах, таких как биоткани, на результаты лазерной спекл-контрастной визуализации с использованием временного и пространственного методов обработки изображений. Детализированы границы применимости метода лазерной спекл-контрастной визуализации при невыполнении условия эргодичности и предложены методы позволяющие уменьшить имеющуюся систематическую ошибку. Ожидается, что в процессе выполнения проекта будут получены новые результаты, которые позволят глубже понять физические процессы фундаментального характера, протекающие при взаимодействии структурированного света с динамическими сильно рассеивающими свет средами. На основе полученных экспериментальных результатов будет разработана феноменологическая модель имитирующая взаимодействие излучения, в том числе вихревых лазерных пучков, с биологическими тканями и кровотоком в них. Направление дальнейшей работы будет состоять в масштабировании полученных научных и практических результатов для системы здравоохранения РФ - переход от научной установки к первому опытному образцу в виде законченного устройства, который может быть легко встроен в нейрохирургическую операционную в любой клинике Российской федерации, и, в перспективе, возможно масштабирование на общемировую практику. Возможность практического использования запланированных результатов проекта в экономике и социальной сфере: Проект направлен на решение социально значимой проблемы – снижение смертности от возникновения осложнений после операционных вмешательств по поводу аневризм сосудов головного мозга у нейрохирургических больных. Создание системы для интраоперационной визуализации кровотока в сосудах головного мозга позволит снизить риск развития постоперационных осложнений у нейрохирургических пациентов и повысить их выживаемость, что соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---