Яшин К.С.

ФГБУ «Приволжский федеральный медицинский исследовательский центр» Минздрава России, Нижний Новгород

Кравец Л.Я.

ФГБУ «Приволжский федеральный медицинский исследовательский центр» Минздрава России, Нижний Новгород, Россия

Гладкова Н.Д.

ГБОУ ВПО «Нижегородская государственная медицинская академия» Минздрава России

Геликонов Г.В.

ФГБНУ ФИЦ «Институт прикладной физики РАН», Нижний Новгород, Россия

Медяник И.А.

ФГБУ «Приволжский федеральный медицинский исследовательский центр» Минздрава России, Нижний Новгород

Карабут М.М.

ГБОУ ВПО «Нижегородская государственная медицинская академия» Минздрава России

Киселева Е.Б.

ГБОУ ВПО «Нижегородская государственная медицинская академия» Минздрава России

Шилягин П.А.

ФГБНУ ФИЦ «Институт прикладной физики РАН», Нижний Новгород, Россия

Оптическая когерентная томография в нейрохирургии

Журнал: Журнал «Вопросы нейрохирургии» имени Н.Н. Бурденко. 2017;81(3): 107-115

Просмотров : 46

Загрузок : 1

Как цитировать

Яшин К. С., Кравец Л. Я., Гладкова Н. Д., Геликонов Г. В., Медяник И. А., Карабут М. М., Киселева Е. Б., Шилягин П. А. Оптическая когерентная томография в нейрохирургии. Журнал «Вопросы нейрохирургии» имени Н.Н. Бурденко. 2017;81(3):107-115. https://doi.org/10.17116/neiro2017813107-115

Авторы:

Яшин К.С.

ФГБУ «Приволжский федеральный медицинский исследовательский центр» Минздрава России, Нижний Новгород

Все авторы (8)

Радикальность хирургии внутримозговых опухолей мозга достигается путем применения специальных методик интраоперационного уточнения границ опухоли. Наибольшее распространение для этих целей в последние годы получили УЗ-сканирование и метаболическая навигация, а также комбинации этих методов [1, 2]. Эти методы показали свою эффективность, но каждый из них имеет ограничения, в частности, данные флуоресцентной диагностики опосредованы особенностями метаболизма опухолевой ткани и информативность метода убывает по мере снижения степени злокачественности опухоли. Поиск новых технологий, позволяющих дифференцировать нормальные и патологически измененные ткани мозга в ходе оперативных вмешательств, остается приоритетной задачей. К перспективным методам, имеющим потенциал интраоперационной цитобиопсии, относится оптическая когерентная томография (ОКТ), различным аспектам которой посвящен настоящий обзор.

Оптическая когерентная томография

ОКТ является методом прижизненной визуализации структуры ткани, основанным на регистрации обратно рассеянного низкоинтенсивного света ближнего инфракрасного диапазона (длина волны в диапазоне от 700 до 1300 нм). По своему принципу метод ОКТ сходен с ультразвуковым сканированием, где определение слоев ткани на различных глубинах базируется на измерении времени распространения волны от излучателя до соответствующего слоя ткани и обратно до приемника.

Метод ОКТ был впервые представлен командой ученых из Массачусетского технологического института [3]. Реальным толчком для развития ОКТ стала работа этой же группы физиков, опубликованная в 1993 г. и впервые продемонстрировавшая прижизненные ОКТ-изображения сетчатки глаза [4]. В течение последующих лет непрерывного технологического совершенствования ОКТ получила широкое распространение в экспериментальной медицине и клинической практике, о чем свидетельствует постоянный рост публикационной активности относительно применения метода для различных клинических задач [5, 6] (рис. 1).

Рис. 1. Количество статей по применению метода ОКТ в экспериментальной и клинической медицине, индексируемых в системе PubMed и опубликованных в 1991—2015 гг.

В классическом случае схема устройства ОКТ представляет собой интерферометр Майкельсона, в одном плече которого располагается опорный отражатель («эталонный»), в другом — исследуемый объект (рис. 2). В традиционном методе ОКТ, называемом также корреляционным или ОКТ во временной области, построение изображения внутренней структуры рассеивающей ткани осуществляется за счет измерения корреляции между излучением, отраженным от опорного зеркала («эталонного»), и излучением, рассеянным в обратном направлении от внутренних оптических неоднородностей объекта исследования. Для зондирования используется широкополосное низкокогерентное излучение ближнего инфракрасного диапазона (в окне прозрачности биологических тканей) [6].

Рис. 2. Функциональная схема ОКТ-устройства. Излучение от источника — суперлюминесцентного диода (СЛД) — при помощи светоделителя расщепляется и подается в предметное и опорное плечи оптического устройства, называемого интерферометром. Световые волны, рассеянные исследуемым объектом и отраженные от опорного зеркала, подаются на фотоприемник, который преобразует интенсивность света в фототок. После прохождения блока аналоговой обработки, системы сбора данных и управления сигнал выводится на экран персонального компьютера (ПК).

Изменяя оптическую длину опорного плеча, исследуют значения корреляционной функции по всей глубине изучаемого объекта. Получают профиль рассеяния по глубине, названный А-сканом (рис. 3, а). Собственно ОКТ-изображение (В-скан) (см. рис. 3, б) формируется из последовательно полученных при поперечном смещении зондирующего луча А-сканов, по аналогии с построением КТ- или МРТ-изображения. При дополнительном перемещении зондирующего луча в направлении, перпендикулярном траектории В-сканов, получают трехмерное изображение (см. рис. 3, в).

Рис. 3. Профиль интенсивности сигнала в глубину (А-скан) (а), двухмерное (В-скан) (б) и трехмерное (в) ОКТ-изображение ткани (на примере белого вещества головного мозга). ОКТ-изображение представлено в псевдоцветной желто-коричневой палитре.

Современные ОКТ-устройства позволяют регистрировать 20, 80, 400 тыс. и более А-сканов в 1 с, что делает возможным создание клинических и исследовательских ОКТ-приборов, работающих в режиме реального времени, получающих двух- и трехмерные изображения биологических тканей. Типичная для ОКТ глубина построения изображений составляет 1—2 мм при продольном разрешении в единицы — десятки микрон.

В соответствии со способами получения сигнала и методами его обработки можно условно разделить существующие виды ОКТ на несколько групп [7]. Так, например, по способу приема сигнала выделяют ОКТ во временной и в спектральной области. Спектральная ОКТ предложена и описана A. Fercher [8] в 1996 г. и в настоящее время активно совершенствуется. Корреляционная ОКТ, наоборот, устарела и не получила развития. Это связано с тем, что спектральная ОКТ более полно использует мощность рассеянного излучения, что позволяет при сохранении отношения сигнала к шуму получать изображения в сотни и тысячи раз быстрее, чем в корреляционном методе.

По способу оптической или последующей электронной и цифровой обработки ОКТ-сигнала можно говорить о поляризационно-чувствительной ОКТ (ПЧ ОКТ) [9] и ее разновидности — кросс-поляризационной ОКТ (КП ОКТ) [10], а также ангиографических [11] и эластографических [12] приложениях. ПЧ ОКТ, как одна из функциональных разновидностей ОКТ, позволяет выделять информацию о поляризационной структуре рассеянного сигнала, что в свою очередь имеет важное диагностическое значение в силу возможности детектирования деполяризующих или, напротив, поляризующих свойств исследуемой ткани (так, ПЧ ОКТ обладает высокой чувствительностью в тканях с высоким содержанием коллагена) [13]. Подобный анализ позволяет выделять структуры, которые слабо визуализируются или не визуализируются на традиционных ОКТ-изображениях [10, 14, 15]. Ангиографическая ОКТ позволяет получать изображения сосудистого русла и оценивать его характеристики [16].

Мировыми тенденциями совершенствования ОКТ являются увеличение скорости сканирования и создание многофункциональных ОКТ-приборов с целью расширения возможностей метода, с включением ряда новых функций, позволяющих в реальном времени отображать поляризационные, ангиографические, эластографические и другие характеристики биоткани, включая анализ ее химического состава.

Оптические свойства нервной ткани в норме и при патологии

При взаимодействии световой волны с биологической тканью часть оптического излучения отражается, другая рассеивается как вперед, так и в обратном направлении, часть поглощается. Характер взаимодействия оптического излучения с биологическими тканями определяется его проникающей способностью, которая зависит от длины волны. Инфракрасное излучение с длиной волны 800—1500 нм (диапазон ОКТ) соответствует «окну прозрачности» биологической ткани, где поглощение света минимально, а глубина проникновения максимальна, так как специфических хромофоров (веществ, способных поглощать энергию излучения в определенном диапазоне длины волны) с высоким коэффициентом поглощения в этом диапазоне не существует. Кроме поглощения, глубина проникновения излучения в биоткани зависит от рассеяния. Рассеяние определяется скачком показателя преломления на границе раздела двух сред, значения которого могут существенно отличаться для разных видов клеток и окружающей их внеклеточной среды. На основании получаемого от ткани сигнала происходит формирование изображения, основными характеристиками которого являются уровень, контрастность и глубина проникновения (табл. 1) [17].

Таблица 1. Основные характеристики ОКТ-сигнала

Нервная ткань принадлежит к классу сильно рассеивающих в отличие, например, от роговицы и хрусталика глаза, которые относятся к прозрачным тканям. Оптические свойства белого и серого вещества головного мозга различны: белое вещество обладает существенно более большими коэффициентами обратного рассеяния и поглощения [18—20]. Природа этих различий до конца не ясна. Возможно, это связано с тем, что серое вещество состоит в основном из обладающих слабыми рассеивающими свойствами клеток, в то время как основную массу белого вещества составляют миелинизированные нервные волокна, характеризующиеся высоким обратным рассеянием [19, 21—24].

Оптические свойства нормальной и патологически измененной нервной ткани, например опухолевой, также значительно различаются. Морфологически для ткани опухолей головного мозга характерна хаотичность клеточных структур, возрастание разброса размеров отдельных клеточных ядер относительно среднего значения, изменение показателя преломления ядро—цитоплазма, что ведет к изменению характера обратного рассеяния от ткани [25]. ОКТ-изображения опухолей головного мозга отличает неоднородность сигнала: чередование областей с высоким и средним сигналом и его неравномерное затухание с изменением глубины по поперечной координате. По всей видимости, это обусловлено тем, что при инфильтрации опухолью серого вещества (с малым содержанием миелина) опухолевая ткань характеризуется более высоким рассеянием по сравнению с неизмененной тканью вследствие возрастания клеточной плотности и повышения ядерно-цитоплазматического отношения в опухоли. При инфильтративном росте опухоли в белом веществе головного мозга опухолевые клетки разрушают структуру миелина (происходит его деградация) и уменьшают его образование, что приводит к снижению рассеяния от опухолевой ткани по сравнению с нормальной мозговой тканью [20, 24].

На рис. 4 представлены полученные нашей группой типичные ОКТ-изображения нормальной и патологически измененной нервной ткани коры головного мозга пациентов. Образцы для исследования получены в ходе плановых оперативных вмешательств по поводу злокачественных глиом головного мозга. Образцы тканей (ex vivo) сохранялись в фи-зиологическом растворе, изображения регистрировались при помощи прибора ОКТ1300-У (ООО «БиоМедТех», Нижний Новгород, Россия) в течение 2 ч после проведения операции. Рабочая длина волны прибора ОКТ1300-У составила 1,3 мкм [54].

Рис. 4. ОКТ-изображения нормальной и патологически измененной ткани головного мозга человека. а — перифокальная зона (белое вещество), б — глиобластома. Описание ОКТ-изображений дано в тексте.

Сигнал от перифокальной зоны опухоли (белое вещество) однородный, при этом уровень сигнала высокий, наблюдается равномерное затухание сигнала по поперечной координате (рис. 4, а). Сигнал от глиобластомы неоднородный, хорошо заметно чередование областей с высоким (стрелки белого цвета) и средним (стрелки желтого цвета) сигналом; характерно неравномерное затухание с глубиной по поперечной координате (см. рис. 4, б).

Таким образом, ОКТ-изображения указывают на высокий потенциал метода ОКТ для уточнения структуры нервной ткани.

Применение метода ОКТ в изучении строения нервной ткани

Учитывая неинвазивность и высокую разрешающую способность ОКТ (до нескольких микрометров), а также накопленный мировой опыт способности ОКТ различать белое и серое вещество головного мозга, выявлять патологически измененную ткань, можно считать, что данный метод обладает высоким потенциалом в области изучения развития головного мозга и происходящих в нем на клеточном уровне процессов [26].

Офтальмология является первой клинической специальностью, в которой применяется ОКТ и которая дала уникальную возможность получения изображений сетчатки с высоким разрешением. В настоящее время метод ОКТ широко используется в нейроофтальмологической диагностике различных заболеваний нервной системы на основании данных визуализации слоя ганглионарных клеток макулы, диска зрительного нерва, перипапиллярного слоя нервных волокон сетчатки, состоящего из не покрытых миелином аксонов ганглиозных клеток слоя нервных волокон сетчатки и являющегося удобным объектом для наблюдения и изучения процесса нейродегенерации. ОКТ обладает высокой диагностической информативностью при рассеянном склерозе, выявляя изменения в виде истончения слоя нервных волокон сетчатки и слоя ганглиозных клеток макулы [27]. Методом ОКТ выявляются структурные изменения сетчатки при отеке и друзах диска зрительного нерва, болезнях Альцгеймера и Паркинсона, а также при ишемической и других оптических нейропатиях [28]. В настоящее время активно изучается возможность использования ОКТ зрительного нерва в диагностике и мониторинге состояния белого вещества головного мозга при рассеянном склерозе [29].

Экспериментальные исследования при патологических изменениях головного мозга показали возможность использования ОКТ в измерении плотности миелиновых волокон [30]. Исследование in vivo миелиновой оболочки у крыс с помощью оптической когерентной микроскопии позволяет достаточно точно определять ее состояние, что может быть использовано в диагностике демиелинизирующих заболеваний [21].

Интересным направлением в исследовании нервной ткани методом функциональной ОКТ (фОКТ) является составление карты функциональной активности головного мозга, в основе которого лежит регистрация изменения показателей рассеяния при повышении нейрональной активности [31—33]. При этом фОКТ в состоянии регистрировать два вида оптического сигнала: 1) быстрый сигнал (меньше миллисекунды), в основе которого лежит изменение потенциала на мембране клетки; 2) медленный сигнал (несколько секунд), обусловленный внутриклеточной перестройкой органелл [31, 34]. Результаты применения фОКТ сопоставимы с результатами регистрации собственных оптических сигналов нервной ткани (optical intrinsic signal imaging — OISI) [35].

Применение ОКТ в нейрохирургии

Впервые ОКТ как метод визуализации нервной ткани был применен в нейрохирургии для визуализации метастаза меланомы [36]. Проведенные с 1998 по 2015 г. исследования [37—41] дают основания полагать, что метод ОКТ имеет высокий потенциал стать одним из высокоинформативных методов диагностики в хирургии глиальных опухолей головного мозга и других разделах нейрохирургии.

ОКТ может также стать перспективным методом интраоперационного выявления границ и глубины очагов фокальной дисплазии при хирургическом лечении фармакорезистентной эпилепсии. При помощи ОКТ получены изображения эпилептогенных очагов на экспериментальной модели мышей с достаточно четкой визуализацией их границ [42].

Эндоваскулярная нейрохирургия. Разработанные на настоящий момент системы для внутрисосудистой ОКТ (ВС ОКТ) [43, 44] позволили использовать метод в ходе эндоваскулярных вмешательств для диагностики состояния сосудистой стенки при патологии коронарных артерий. Основной проблемой использования ВС ОКТ стало наличие многократного рассеяния от эритроцитов, вследствие которого наблюдалось существенное ослабление сигнала от артериальной стенки. Проведение В.С. ОКТ стало возможным благодаря разработке специальной системы (ImageWire, «LightLab Imaging, Inc.»), которая включала 0,006-дюймовое (0,152 мм) оптическое волокно, вращающееся в пределах 0,016-дюймового (0,4 мм) катетера со специальным прозрачным баллоном на конце, при раздувании которого на короткое время (48,3±13,5 с) перекрывается просвет артерии и осуществляется сканирование исследуемой области с получением изображения структуры стенки сосуда [45, 46]. Позднее F. Prati и соавт. [47] предложили вариант получения ВС ОКТ-изображения без баллонной проксимальной окклюзии сосуда, с использованием изомолярного рентгеноконтрастного вещества иодиксанола, который впрыскивается из проводника. В качестве метода визуализации ВС ОКТ показала ряд преимуществ по сравнению с внутрисосудистым ультразвуковым исследованием [43, 48].

По своей микроструктуре стенка аневризмы имеет существенные отличия от нормальной стенки церебральных сосудов, выражающиеся в фрагментации внутренней эластической мембраны, повреждении эндотелия, наличии участков фиброза в интиме [49, 50]. При этом для стенки неразорвавшихся аневризм характерно сохранение целостности эндотелиального и мышечного слоев с незначительной инфильтрацией последних макрофагами и лейкоцитами, а в стенке разорвавшихся аневризм эндотелий разрушен, мышечный слой становится тоньше, с выраженной инфильтрацией воспалительными клетками [49].

Метод ОКТ дает уникальную возможность качественно оценить состояние сосудистой стенки, положение спиралей и изменение структуры сосудистой стенки шейки аневризмы в послеоперационном периоде эндоваскулярного выключения аневризмы [51, 52]. На модели аневризмы у собак была показана возможность метода ОКТ визуализировать формирование фиброза и процессов эндотелизации в области шейки выключенной аневризмы, при этом полученные данные соответствовали результатам гистологического исследования [52].

Наиболее перспективным выглядит применение ОКТ в хирургии глиальных и других опухолей головного мозга в качестве бесконтактного и неинвазивного метода интраоперационной диагностики (табл. 2).

Таблица 1. Основные характеристики ОКТ-сигнала

ОКТ позволяет отличить нормальную мозговую ткань, имеющую гомогенный сигнал, от опухолевой, имеющей гетерогенный сигнал [53—56], а также выявить доброкачественный или злокачественный характер опухоли [22, 55]. В пилотном исследовании, где был использован клинический материал от 12 пациентов, показана высокая корреляция (χ2 test; r=0,99) между степенью рассеяния света и гистологическим строением ткани [22]. При этом зона опухолевой инфильтрации характеризовалась изменением рассеивающих свойств по сравнению со здоровой мозговой тканью, а солидная часть опухоли еще и выявлением соответствующих микроструктур (повышенная клеточность, участки некроза, микрокисты). В другом опубликованном в 2015 г. исследовании операционного материала от 37 пациентов с глиомами различной степени злокачественности выявлены следующие коэффициенты рассеяния [57]: для нормальной мозговой ткани — 6,2±0,8 мм–1, для глиом высокой степени злокачественности — 3,9±1,6 мм–1, в зоне инфильтрации — 7,1±1,0 мм–1, для глиом низкой степени злокачественности — 4,0±1,4 мм–1, в зоне инфильтрации — 2,7±1,0 мм–1. В той же работе на основании данных от 16 пациентов ОКТ в качестве метода определения границ удаленной опухоли показала высокую чувствительность (92—100%) и специфичность (80—100%). При этом оказалось, что глиомы высокой степени злокачественности обладают большей чувствительностью, но более низкой специфичностью по сравнению с глиомами низкой степени злокачественности.

Качество ОКТ-изображений в значительной степени определяется рассеянием света в тканях, которое зависит от рефрактерных индексов клеток, количества межклеточной жидкости и др. Так, при нарастании отека головного мозга происходит прогрессивное ослабление сигнала [58], что необходи- мо учитывать при использовании ОКТ как метода нейровизуализации при удалении опухолей. По всей видимости, необходимо изучить интраоперационное применение гиперосмолярных растворов с целью уменьшения количества межклеточной жидкости и повышения качества изображений. Для применения метода в клинической практике разработаны технологические решения интраоперационного использования ОКТ, например ОКТ в составе микроскопа для микронейрохирургии [59—61] (рис. 5).

Рис. 5. Операционный микроскоп для нейрохирургии Haag-Streit Surgical с функцией ОКТ. Микроскоп совмещен с ОКТ, в левом верхнем углу монитор с ОКТ-изображением.

ОКТ как метод оптической цитобиопсии. Для нейроонкологии большой интерес представляет использование обладающих высоким пространственным разрешением ОКТ полного поля (full-field OCT) [62] и ОКТ ультравысокого разрешения (ultra-high-resolution OCT) в качестве методов оптической цитобиопсии [63], например при проведении сте-реотаксической биопсии опухолей. Получаемые при помощи этих методов изображения имеют высокую корреляцию с данными гистологических исследований, что говорит о принципиальной возможности проведения дифференциальной диагностики нормальной мозговой и опухолевой ткани неинвазивным методом ОКТ [36, 64]. При помощи ОКТ уже описаны признаки фиброзной и атипичной менингиом, ганглиоглиомы, меланомы, глиальных опухолей различной степени злокачественности. На полученных при помощи ОКТ полного поля изображениях отчетливо визуализируются миелинизированные нервные волокна, нервные клетки и сосуды. При помощи данного метода возможно точно установить диагноз хориоидальной папилломы, имеющей характерный вид «цветной капусты», провести дифференциальный диагноз между менингиомой и гемангиоперицитомой по наличию коллагеновых узлов, завитков и клубков, кальцификатов [64].

Признаками глиальных опухолей на ОКТ полного поля являются микроцисты, расширенные пространства Вирхова—Робина, участки некроза, измененные микрососуды. При этом на изображениях доброкачественных глиом (Grade I—II) плотность глиальных клеток меньше на 20%, в случае злокачественных глиом (Grade III—IV) плотность клеток больше, что также может служить критерием дифференциальной диагностики [65]. Признаками злокачественной опухоли на ОКТ высокого разрешения также являются микрососуды, цисты, микрокальцинаты [66].

Исследование на модели медуллобластомы у мышей показало возможность ОКТ дифференцировать ткани не только визуально, но и количественно, на основе различия коэффициентов преломления и рассеяния в ткани опухоли и в ткани неизмененного мозга [61]. При этом средние значения обоих показателей для нормальной ткани мозга были ниже, чем для медуллобластомы, однако статистически значимых различий установить не удалось. Мы считаем, что возможность количественной оценки различных параметров ОКТ-сигнала сделает метод еще более информативным в дифференцировке нормальной и патологически измененной нервной ткани.

Заключение

ОКТ является перспективным неинвазивным диагностическим методом в нейрохирургии, позволяющим получать информацию о микроструктуре ткани в режиме реального времени. В клинической практике метод может найти свое применение во многих направлениях нейрохирургии, таких как нейроонкология, эндоваскулярная хирургия, хирургическое лечение эпилепсии.

Наша группа провела первые исследования по применению ОКТ как метода интраоперационной диагностики в нейрохирургии. Полученные изображения участков перифокальной зоны и опухолевой ткани показывают высокий потенциал ОКТ в дифференцировке нормальной и патологически измененной мозговой ткани. В настоящее время необходимо продолжить исследование возможностей метода ОКТ в получении информации о структуре нервной ткани, ее микроциркуляции и функциональной активности, совершенствовать методы получения сигнала и способы его обработки. Для применения метода в клинической практике необходимы как разработка новых, так и дальнейшее совершенствование уже имеющихся технологий.

Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Подтверждение e-mail

На test@yandex.ru отправлено письмо с ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.

Подтверждение e-mail