Лазерная оптико-акустическая томография

Существующие методы маммографии (ренгеновская ультразвуковая и магнито-резонансная) характеризуются малым контрастом изображения, отсутсвием специфичности контраста и поэтому не позволяют обнаруживать рак груди на ранних стадиях, когда терапевтическое лечение эффективно. Кроме того, использование вредных воздействий (проникающе излучение, сильное магнитное поле) делает разработку альтерантивных методов диагностики рака груди очень актуальной. Основное внимание в разработке методов диагностики нового поколения уделяется оптическим методам ввиду их высокой чувствительности, специфичности и неинвазивности. К ним относится и лазерная оптико-акустическая томография.

Лазерная оптико-акустическая томография позволяет получать оптическое изображение тканей неинвазивным способом. Существующие (в том числе и оптические) методы диагностики биотканей не обеспечивают высокого пространственного разрешения и большой глубины зондирования (необходимых для обнаружения новообразований на ранних стадиях) ввиду малого контраста тканей к используемым агентам и оптической непрозрачности биологических сред. В лазерной оптико-акустической томографии информация о распредлении оптических неоднородностей доставляется ультразвуковыми волнами, испытывающих относительно слабое рассеяние в биологических тканях. Поэтому новизна предлагаемого подхода состоит в комбинации высокого оптического контраста, характерного для нормальной и патологической тканей, с высоким пространственным разрешением, обеспечиваемым ультразвуком (см. п.1).

Лазерная оптико-акустическая томография позволяет неинвазивно получать оптические изображения размером 50*50 мм с разрешением 0.5-0.7 мм при частоте обновления кадров 3 Гц с возможностью получения изображения на двух длинах волн ближнего ИК-диапазона. Это позволит обнаруживать опухоли размером от 2-3 мм на глубинах до 70 мм, наблюдать их в реальном времени и анализировать доброкачественный или злокачественный их характер. Это даст возможность:

• обнаруживать рак на ранних стадиях его развития, когда терапия эффективна,
• снизить летальность заболевания,
• уменьшить количество травмирующих биопсий,
• в реальном времени контролировать хирургические операции.

Решение указанных задач существующими средствами не представляется возможным.

Оптический контраст (различие коэффициентов поглощения света) нормальной и патологически измененной тканей достигает сотен процентов [6-9] и существенно (на порядки) превышает контраст этих тканей для ультразвука, ренгеновских лучей и других агентов, используемых в медицинской диагностике. Поэтому оптическая биопсия (патанализ) является “истиной в последней инстанции” при определении патологии тканей. В то же время, непрозрачность тканей не позволяло до сих пор проводить оптическую диагностику внутренних тканей неинвазивно.

В последнее время активно развиваются различные оптические методы диагностики тканей – когерентная оптическая томография, диффузионные волны оптической плотности, баллистические фотоны и т.п. Одни из них (когерентная оптическая томография) позволяют достичь высокого пространственного разрешения (вплоть до десятков микрон), однако глубины зондирования при этом не превышают 1 мм из-за сильного рассеяния света, распространяющегося из глубины к поверхности. Другие оптические методы (диффузионные волны оптической плотности) позволяют исследовать оптические неоднородности на большой глубине (вплоть до нескольких сантиметров), однако пространственное разрешение этих методов как правило не превышает 1см из-за диффузионного характера распространения света в тканях. Кроме того, сильное рассеяние снижает регистрируемый световой поток и время накопления сигнала для получения достаточного отношения сигнал-шум не позволяет производить исследование в реальном времени.

Лазерная оптико-акустическая биопсия [10-11] свободна от этих недостатков, поскольку информация о распределении оптических неоднородностей в ткани доставляется ультразвуковыми волнами, которые слабо рассеиваются (длина их волны сравнима с размерами оптических неоднородностей и составляет 1-20 мм, а неоднородность акустических свойств тканей невелика). Это позволяет достичь высокого пространственного разрешения (порядка 0.5 мм) при визуализации неоднородностей на глубинах в несколько сантиметров.

Лазерная оптико-акустическая томиграфия может быть использована для исследования изменений в тканях на всех этапах развития патологии, включая самые ранние, благодаря высокому пространственному разрешению и неинвазивному характеру диагностики. Наиболее очевидное применение данного метода – диагностика рака груди на ранних стадиях. Уже одно это делает разработку данного метода важной и актуальной. Так, например, только в США [12] рак груди наблюдается у 10% женщин и составляет 30% обнаруженных раков; ежегодно диагностируется 180000 случаев рака груди и в 43300 случаях это приводит к летальному исходу. Считается, что обнаружение рака на ранней стадии (при его размере не более 3-5 мм), позволит эффективно проводить терапию и резко снизить летальность заболевания. На сегодняшний день только лазерная оптико-акустическая томография позволяет надеяться на решение этой задачи.

Оптико-акустический томограф позволит визуализировать оптические неоднородности в поле 50*50 мм с разрешением 0.5 мм с частотой 3 кадра в сек. при глубинах зондирования до 70 мм. Использование двух длин волн (1064 нм и 758 нм) позволит проводить количественный анализ распределения концентрации крови в объеме и степени ее оксигенации, что дает аналитический инструмент для оценки степени опасности новообразования.

Работы по оптико-акустической томографии активно обсуждаются на различных международных и всероссийских конференциях (только в 2001 г. они обсуждались на 4-х конференциях и встретили самое положительную реакцию медиков, особо отмечавших актуальность развития этой методики. В настоящее время складывается кооперация между научными (ИПЛИТ РАН), учебными (МГУ) и производственными организациями (НПП “Антарес”, имеющее лицензию Минздрава на работу с медицинским оборудованием) для решения задачи создания и коммерциализации лазерного оптико-акустического томографа. Это позволит не только обеспечить высокий научный и технологический уровень разработки, но и обеспечить подготовку и переподготовку высококвалифицированного персонала.

Ориентировочная стоимость разработки томографа (порядка 150 тыс.долл.) делает его вполне конкурентноспособным на рынке медицинских диагностических систем (в ценовом диапазоне 100-300 тыс.долл.) по сравнению с ренгеновскими маммографическими и ультразвуковыми системами; магнито-резонансные системы имеют стоимость на порядок превышающую стоимость упомянутых систем. Поэтому можно ожидать широкого применения в медицинской практике как в России, так и за рубежом.

Все вышеперечисленное позволяет говорить о лазерной оптико-акустической томографии как о новом методе медицинской диагностики, имеющем повышенный контраст изображения и свободный от ряда недостатков (например, таких как использование ионизирующего излучения) традиционных методов. Еще одним преимуществом разрабатываемой методики является возожность реализовать ее полностью из отечественных узлов.

Лазерный оптико-акустический томограф представляет собой высокотехнологический продукт, включающий изделия лазерной, оптической, ультразвуковой, электронной и медицинской отраслей. В то же время, существующие технологии, которые освоены отечественной промышленностью при некоторых доработках могут быть использованы для производства данной техники.

Лазерная оптико-акустическая биопсия [10-11] свободна от этих недостатков, поскольку информация о распределении оптических неоднородностей в ткани доставляется ультразвуковыми волнами, которые слабо рассеиваются (длина их волны сравнима с размерами оптических неоднородностей и составляет 1-20 мм, а неоднородность акустических свойств тканей невелика). Это позволяет достичь высокого пространственного разрешения (порядка 0.5 мм) при визуализации неоднородностей на глубинах в несколько сантиметров. Одновременно возможна оптико-акустическая томография тканей вблизи поверхности (на глубинах 0-4 мм) при существенно более высоком пространственном разрешении, которое может достигать 10-15 мкм.

• картирования кровеносных сосудов в реальном времени, например при операциях инфаркта миокарда или вблизи крупных сосудов;
• определения степени насыщения крови кислородом (оксигенации) в различных органах (например, печени) и при травмах головного мозга;
• определения жесткости стенок кровеносных сосудов (например, при диагностике инсульта);
• определения толщины меланом, папиллом, портвайнстейнов и других пигментированных новообразований для дозированного использования того или иного вида терапии;
• картирования распределения меланина в лимфосистеме;
• и т.д. и т.п.