Портативный оптико-акустический микроскоп для клинической ангиографии

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 19-75-10055

НазваниеПортативный оптико-акустический микроскоп для клинической ангиографии

Руководитель Субочев Павел Владимирович, Кандидат 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 №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

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

Ключевые слова Оптоакустика, растровое сканирование, клиническая ангиография, портативный микроскоп, сердечно-сосудистые заболевания, микроциркуляторное русло.

Код ГРНТИ29.31.41

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Морфофункциональные патологические изменения микроциркуляторного русла, ассоциированные с развитием большой группы социально-значимых заболеваний и приводящие к инвалидизирующим осложнениям, активно изучаются в аспекте прогнозирования, диагностики и новых перспектив лечения ряда потенциально жизнеугрожающих состояний, значимых для современного здравоохранения. Использование в клинике методов неинвазивной диагностики патологии периферических сосудов ограничено либо их инфраструктурной и технической сложностью (МРТ и ПЭТ), либо недостаточными для визуализации микрососудистого русла разрешением (МРТ, УЗИ), необходимостью введения дополнительных веществ (АГ, КТ-АГ, МРТ-АГ, ионофорез) и глубиной исследования (оптические методы). Целью настоящего проекта является создание нового подхода к медицинской диагностике сосудистых патологий, основанного на разработке и клиническом применении новых технологий сканирующей оптико-акустической визуализации. Разрабатываемый ангиографический прибор будет основан на так называемой оптико-акустической (ОА) микроскопии акустического разрешения, активно развиваемой группой П.В.Субочева в отделе радиофизических методов в медицине ИПФ РАН. ОА микроскопия заключается в механическом сканировании исследуемой биологической ткани компактным ОА зондом, состоящим из сферически-фокусированной одноэлементной ультразвуковой антенны и системы волоконно-оптической засветки. В рамках подготовительных работ проектной командой был разработан стационарный ОА микроскоп (рисунок 1а) позволяющий осуществлять ангиографию мягких биологических тканей (рисунок 1б) с пространственным разрешением 30 мкм на глубине до 3 мм. Однако, разработанный ранее стационарный ОА микроскоп имел существенно ограниченные возможности клинического применения, обладая существенным весом (1 кг), долгим временем сканирования (5 минут) и не позволяя осуществлять сканирование при положениях ОА зонда отличающихся от вертикальных. Для осуществления цели проекта мы запланировали ряд глубоких технологических усовершенствований существующих экспериментальных подходов к сканирующей ОА ангиографии. В течение первого года выполнения проекта будет разработана и верифицирована численная модель ОА зонда, предназначенная для оптимизации его технических характеристик. Основываясь на результатах оптимизации будет разработан компактный ОА зонд весом не более 10 граммов, который будет испытываться на фантомах, имитирующих акустические и оптические свойства поверхностных тканей человека в норме и при патологиях. В течение второго года проекта будет завершена глубокая переработка движущейся части ранее разработанного стационарного ОА микроскопа, направленная на обеспечение возможности его клинического использования в портативном (handheld) режиме с быстрым (до 30 секунд) временем сканирования (рисунок 2) за счет использования компактного ОА зонда. Параллельно с работами по портативизации ОА сканера (рисунок 3а) будут проводиться работы по усовершенствованию реконструктивных алгоритмов, предназначенных для преобразования ОА данных в ангиографические изображения (рисунок 3б) в реальном масштабе времени. С целью предварительной in vivo апробации портативного ОА микроскопа будет проведено исследование сосудистой сети поверхностных тканей здоровых волонтеров различных возрастных групп. Будут определены возможности устройства для определения функциональных и структурных особенностей микроциркуляторного русла кожи добровольцев по параметрам размера, формы, глубины залегания, кровенаполнения, плотности сосудов. Третий год проекта полностью посвящен изучению возможностей разработанного ОА прибора в клинических условиях. Основываясь на результатах клинических испытаний будут разработаны численные методы количественной характеризации ОА ангиограмм (расчета плотности и диаметра сосудов); будет улучшена эргономичность ОА сканера для врача и пациента. В результате, новый портативный ОА микроскоп предоставит врачам-клиницистам уникальные возможности для исследования сосудистых патологий, недостижимые при использовании других современных методов ангиографии.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Орлова А.Г., Сироткина М.А., Турчин И.В., Субочев П.В. In Vivo Raster-Scan Optoacoustic Angiography of Superficial Tissues OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2020), Biophotonics Congress: Biomedical Optics 2020 (Translational, Microscopy, OCT, OTS, BRAIN), paper STu4D.4. (год публикации - 2020)

2. А.А. Аносов, М.Ю. Кириллин, А.Г. Орлова, А.В. Ерофеев, Ф.С. Шаракшане, М.И. Щербаков, Е.А. Сергеева, Ю. Сайо, П.В. Субочев Volumetric quantification of skin microcirculation disturbance induced by local compression Laser Physics Letters (год публикации - 2020)

3. Перекатова В.В., Немирова С.В., Орлова А.Г., Кириллин М.Ю., Курников А.А., Павлова К.Г., Хилов А.В., Ковальчук А.В., Субочев П.В. Three-dimensional dual-wavelength optoacoustic angiography reveals arteriovenous anastomoses Laser Physics Letters, V. 18, P. 045601 (7pp) (год публикации - 2021)
10.1088/1612-202X/abe7df

4. Орлова А.Г., Павлова К.Г., Курников А.А., Сироткина М.А., Масленникова А.В., Кириллин М.Ю., Скамницкий Д.В., Турчин И.В., Субочев П.В. In vivo applications of raster-scan optoacoustic angiography Proceedings of SPIE, Proc. SPIE 11642, Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing 2021, 1164209 (год публикации - 2021)
10.1117/12.2578206

5. Субочев П.В., Дин-Бин Х.Л., Чен Ж., Орлова А.Г., Рязанский Д. Polymer-based spherical matrix array for high resolution real-time volumetric optoacoustic micro-angiography Proceedings of SPIE, Proc. SPIE 11642, Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing 2021, 116421V (год публикации - 2021)
10.1117/12.2579204

6. Субочев П.В., Сергеева Е.С., Кириллин М.Ю., Куракина Д.А., Орлова А.Г., Курников А.А., Дин-Бин Х.Л., Чен Ж., Рязанский Д. Optimization of light and sound delivery for in vivo whole-brain optoacoustic angiography of rodents Proceedings of SPIE, Proc. SPIE 11642, Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing 2021, 116422N (год публикации - 2021)
10.1117/12.2579210

7. Перекатова В.В., Кириллин М.Ю.,Турчин И.В., Хилов А.В.,Немирова С.В., Курников А.А., Орлова А.Г., Павлова К.Г., Казаков К.Г., Субочев П.В. Quantification of Microvasculature Parameters in Normal and Pathological Tissues Based on Three-dimensional Raster-scan Optoacoustic Angiography OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2021), European Conferences on Biomedical Optics 2021 (ECBO), paper ETu5B.8 (год публикации - 2021)

8. Субочев П.В, Деан-Бен Х.Л.,Чен Ж., Орлова А.Г., Рязанский Д. PVDF Spherical Matrix Array for High Resolution Cerebral Optoacoustic Micro-Angiography of Rodents OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2021), European Conferences on Biomedical Optics 2021 (ECBO), paper ETu4D.6 (год публикации - 2021)

9. Ли В., Хофманн У.A.T., Реблинг Й., Жоу К., Чен Ж., Озбек А., Гонг Ю., Субочев П.В., Рязанский Д., Деан-Бен Х.Л. Broadband Model-Based Optoacoustic Mesoscopy Enables Deep-Tissue Imaging beyond the Acoustic Diffraction Limit Laser and Photonics Reviews, Number 2100381, paper. 1-11 (год публикации - 2022)
10.1002/lpor.202100381

10. Турчин И.В, Бано Ш., Кириллин М.Ю., Орлова А.Г., Перекатова В.В., Плеханов В.И., Сергеева Е.А., Куракина Д.А., Хилов А.В., Курников А.А., Субочев П.В., Ширманова М.В., Комарова А.Д., Южакова Д.В., Гаврина А.И., Маллиди С. Хасан. С. Combined Fluorescence and Optoacoustic Imaging for Monitoring Treatments against CT26 Tumors with Photoactivatable Liposomes Cancers MDPI, Cancers 2022, 14 (1), 197, paper 1-22 (год публикации - 2021)
10.3390/cancers14010197

Публикации