Новожилов А.А.

ФБУЗ «Приволжский окружной медицинский центр» ФМБА России; ФГБНУ «ФИЦ Институт прикладной физики РАН»; ФГБОУ ВО «Приволжский исследовательский медицинский университет» Минздрава России

Шилягин П.А.

ФГБНУ «ФИЦ Институт прикладной физики РАН»

Абубакиров Т.Э.

ФБУЗ «Приволжский окружной медицинский центр» ФМБА России; ФГБНУ «ФИЦ Институт прикладной физики РАН»

Диленян А.Л.

ФБУЗ «Приволжский окружной медицинский центр» ФМБА России

Климычева М.Б.

ФБУЗ «Приволжский окружной медицинский центр» ФМБА России

Геликонов Г.В.

ФГБНУ «ФИЦ Институт прикладной физики РАН»

Ксенофонтов С.Ю.

ФГБНУ «ФИЦ Институт прикладной физики РАН»

Геликонов В.М.

ФГБНУ «ФИЦ Институт прикладной физики РАН»

Шахов А.В.

ФБУЗ «Приволжский окружной медицинский центр» ФМБА России; ФГБНУ «ФИЦ Институт прикладной физики РАН»; ФГБОУ ВО «Приволжский исследовательский медицинский университет» Минздрава России

Бесконтактная оптическая когерентная томография — эффективный метод визуализации экссудата среднего уха

Журнал: Вестник оториноларингологии. 2020;85(4): 16-23

Просмотров : 349

Загрузок : 4

Как цитировать

Новожилов А.А., Шилягин П.А., Абубакиров Т.Э., Диленян А.Л., Климычева М.Б., Геликонов Г.В., Ксенофонтов С.Ю., Геликонов В.М., Шахов А.В. Бесконтактная оптическая когерентная томография — эффективный метод визуализации экссудата среднего уха. Вестник оториноларингологии. 2020;85(4):16-23.
Novozhilov AA, Shilyagin PA, Abubakirov TE, DilenYan AL, Klimycheva MB, Gelikonov GV, Ksenofontov SYu, Gelikonov VM, Shakhov AV. Non-contact optical coherence tomography — an effective method for visualizing the exudate of the middle ear. Vestnik Oto-Rino-Laringologii. 2020;85(4):16-23.
https://doi.org/10.17116/otorino20208504116

Авторы:

Новожилов А.А.

ФБУЗ «Приволжский окружной медицинский центр» ФМБА России; ФГБНУ «ФИЦ Институт прикладной физики РАН»; ФГБОУ ВО «Приволжский исследовательский медицинский университет» Минздрава России

Все авторы (9)

Введение

По оценкам различных исследователей, распространенность экссудативного среднего отита (ЭСО) в популяции может достигать 6,5—10,9% [1, 2]. Результаты изучения встречаемости ЭСО зависят от используемых методов диагностики, расы, страны и факторов окружающих среды [3—5].

ЭСО занимает 15—17% от общего количества регистрируемых заболеваний среднего уха [6, 7]. В течение последних десятилетий изменились подходы к лечению ЭСО, хирургические методы стали применяться значительно чаще [8, 9].

Одним из факторов, влияющих на тактику и эффективность лечения ЭСО, является степень вязкости экссудата [10]. Статистически значимое различие в прогнозе и длительности течения ЭСО, а также риск развития рецидива в зависимости от вязкости выпота среднего уха показаны в различных исследованиях [11, 12]. Реологические свойства жидкого экссудата позволяют рассматривать теоретическую возможность его неинвазивной эвакуации из барабанной полости (БП) при восстановлении вентиляционной и дренажной функции слуховой трубы. Удаление экссудата высокой степени вязкости (клейкое ухо, glue ear) консервативными методами лечения невозможно и может вызывать трудности даже при эвакуации через тимпанотомическое отверстие во время хирургического лечения.

Современная комплексная диагностика не позволяет достоверно выявлять случаи ЭСО с высокой вязкостью выпота, когда консервативное лечение нецелесообразно [13]. Неинвазивное определение степени вязкости экссудата как дополнительный метод обследования в комплексной диагностике ЭСО позволило бы более рационально и взвешенно подойти к вопросу о назначении оперативного лечения.

Оптическая когерентная томография (ОКТ) является прижизненным неинвазивным исследованием, использующим инфракрасное излучение мощностью 1—5 мВт. Основой метода ОКТ является низкокогерентная оптическая интерферометрия. Технология ОКТ позволяет проводить сканирование с пространственным разрешением 5—15 мкм, что существенно превышает способности КТ и МРТ. Глубина зондирования ОКТ не превышает 3 мм, но является достаточной для применения во многих областях медицины, в том числе в оториноларингологии [14—16].

В последние годы наблюдается интенсивный рост количества публикаций об использовании ОКТ в отологии. Метод применяется в диагностике заболеваний среднего уха, при определении границ холестеатомы, в хирургии среднего уха для выявления воспалительных изменений, недоступных для визуального анализа [17—19]. ОКТ также с успехом используется в диагностике ЭСО. Ранее нами был описан метод визуализации экссудата среднего уха при использовании контактного эндоскопического зонда и обозначены возможности ОКТ в определении вязкости экссудата при использовании различных режимов исследования [20—22]. Близкие по смыслу результаты были получены зарубежными исследователями с использованием устройств ОКТ, действующих на основе спектрального метода [19]. С целью идентификации экссудата БП и дифференцировки по степени вязкости (serous/mucoid effusion), зарубежные исследователи используют визуальную оценку ОКТ-изображений [23]. По данным проведенных клинических слепых исследований, чувствительность ОКТ в выявлении выпота среднего уха достигала 92,9%, специфичность — 98,8%, в то время как чувствительность и специфичность в определении степени вязкости достигала 63,1% и 84,0% соответственно.

Цель настоящей работы — изучение возможностей метода ОКТ в диагностике ЭСО с применением бесконтактного зондирования БП при использовании современных спектральных методов регистрации сигнала.

Материал и методы

Исследование одобрено Локальным комитетом по этике исследований ФГБОУ ВО «ПИМУ» Минздрава России, протокол №7 от 03.07.17. Исследование проводилось на базе лор-отделения ФБУЗ «ПОМЦ» ФМБА России (Нижний Новгород, Российская Федерация).

В исследуемую группу были включены 24 пациента с ЭСО (11 женщин и 13 мужчин) в возрасте от 22 до 76 лет, которым было показано хирургическое лечение — тимпаностомия. 5 пациентов имели двусторонний процесс, всего в исследование было включено 29 случаев ЭСО.

В контрольную группу вошли 30 пациентов без патологии среднего уха, было выполнено 30 исследований.

Верификация диагноза проводилась в соответствии со стандартами оказания медицинской помощи и международными клиническими рекомендациями. У всех пациентов был проведен сбор жалоб, анамнеза, исследование общесоматического статуса. Всем пациентам проведено оториноларингологическое обследование: рутинный осмотр лор-органов, отомикроскопия, тональная пороговая аудиометрия, тимпанометрия.

После обследования и установления диагноза всем пациентам проводилось ОКТ-исследование среднего уха. Все исследования выполнялись в амбулаторных условиях, под контролем диагностического микроскопа, без анестезии, в положении сидя.

В работе использовался одобренный для клинического применения компактный оптический когерентный томограф спектрального принципа действия, оснащенный бесконтактным зондом с реализованной возможностью трехмерного сканирования (рис 1а, 1б). Устройство разработано в Институте прикладной физики Российской академии наук (Нижний Новгород) и модернизировано в ходе выполнения проекта №17-15-01507. Отличие модернизированного устройства [24] от разработок предыдущих поколений заключается в возможности регистрации ОКТ в стандартном и стабилизированном режиме [20, 25], а также в возможности записи объемных изображений.

Рис. 1. Внешний вид аппарата ОКТ.

Слева — блок аппарата ОКТ; справа — сканирующая головка ОКТ-зонда: 1 — корпус, 2 — регулировочная муфта, 3 — сменная одноразовая ушная воронка, 4 — положение плоскости сканирования.

Быстродействие устройства позволяет регистрировать ОКТ-изображения со скоростью до 40 кадров (В-сканов) размером 512×256 точек в секунду. Для последующего анализа, вне зависимости от выбранного режима сканирования, записывался массив из 1024 В-сканов (время регистрации — 25 с).

Торцевая часть ОКТ-зонда выполнена с возможностью крепления стандартной ушной воронки. При проведении исследований использовались одноразовые пластиковые ушные зеркала (производитель «Цзянсу Яда Технолоджи Групп Ко», артикул ОР00-21, ОР00-22).

Рабочее расстояние датчика для бесконтактной ОКТ с установленной воронкой составляет 25 мм с возможностью изменения на 15 мм в обе стороны за счет подвижной внешней муфты (2 на рис. 1б). Кроме того, на корпусе прибора расположен регулятор, позволяющий дополнительно изменять положение рабочей области вдоль оси сканирования на 10 мм в обе стороны непосредственно в процессе исследования без изменения положения плоскости фокусировки зондирующего луча.

В процессе исследования зонд с закрепленной ушной воронкой вводился в наружный слуховой проход (НСП). ОКТ-изображение структур среднего уха в режиме реального времени отображалось на экране компьютера и регистрировалось в одном из доступных форматов вывода данных.

Количественный анализ полученных ОКТ-изображений производился с помощью программного обеспечения с открытым кодом ImageJ. Для этого данные ОКТ в логарифмическом формате преобразовывались в несжатый индексированный bmp-файл, глубина яркости которого соответствует 60 дБ диапазону ОКТ-сигнала. Программа ImageJ позволяет анализировать интенсивность ОКТ-сигнала на различных участках изображения. Оценивались следующие показатели: средняя интенсивность оптического сигнала, стандартное отклонение, минимальный и максимальный показатель интенсивности оптического сигнала. Указанные показатели оценивались для области НСП (кнаружи от барабанной перепонки) и пространства барабанной полости (кнутри от барабанной перепонки), затем проводилось сравнение показателей. Уровень сигнала в области НСП использовался как опорный уровень «нулевого» оптического сигнала.

Объективизация степени вязкости экссудата осуществлялась путем проведения дополнительных исследований после его интраоперационного забора. После выполнения местной анестезии, непосредственно перед разрезом, под контролем диагностического микроскопа осуществлялась пункция барабанной перепонки и аспирация содержимого среднего уха шприцем. В случаях с экссудатом высокой степени вязкости, когда выпот не мог быть эвакуирован с помощью тонкой иглы, аспирация экссудата из БП выполнялась металлической аспирационной трубкой, установленной на стандартный медицинский аспиратор. В момент, когда вязкий экссудат эвакуировался из БП, работа аспиратора останавливалась — и полученный материал удалялся из трубки с помощью шприца. Вязкость полученных образцов оценивалась визуально по скорости перемещения капли по предметному стеклу, установленному под углом 45° к горизонту. Выпот характеризовался как жидкий при скорости перемещения капли более 1 мм/с и экстремально вязкий (glue или mucous [26]) при скорости перемещения 0—0,2 мм/с. В дальнейшем производилась верификация абсолютного значения динамической вязкости с использованием ротационного вискозиметра Брукфильда DV2TLV+CPE с измерительным конусом — CPA — 40Z (Brookfield AMETEK).

Результаты исследований фиксировались и анализировались с помощью программы MS Exel. Статистический анализ проведен с использованием пакета программ Statgraphics Centurion, v. 9. Данные представлены в виде Me (Q1; Q2), где Me — медиана, (Q1; Q2) — 95% доверительный интервал, а также в виде M±m, где M — среднее значение, m — среднеквадратичное отклонение.

Результаты

В исследуемой группе во всех случаях была зарегистрирована кондуктивная тугоухость и тимпанометрия типа В, отоскопическая картина варьировала. В 11 случаях был установлен диагноз острого ЭСО длительностью до 1 мес, 3 случая имели длительность от 1 до 3 мес — затяжное течение, 15 случаев продолжались более 3 мес и были идентифицированы как хронический ЭСО.

Во всех случаях в контрольной группе наблюдалась нормальная отоскопическая картина, были зарегистрированы нормальные аудиологические показатели, тимпанометрия типа А.

Во всех случаях в опытной и контрольной группах по данным ОКТ-изображений был зафиксирован сигнал от барабанной перепонки в виде четко очерченного слоя толщиной от 2 до 20% от общей глубины изображения.

Во всех случаях в контрольной группе в зоне БП был зарегистрирован оптический сигнал, идентичный по интенсивности сигналу в НСП, дополнительных включений выявлено не было (рис. 2а).

Рис. 2. Изображения ОКТ НСП и БП в норме (а) и при подтвержденном ЭСО (б).

1 — область НСП, 2 — барабанная перепонка, 3 — БП без включений экссудата, 4 — экссудат в БП.

Во всех случаях ЭСО в БП регистрировался оптический сигнал большей интенсивности (рис. 2б).

В исследуемой группе в 16 (56%) случаях экссудат был представлен на изображении ОКТ в виде равномерно рассеивающей субстанции (рис. 3а). В 13 (44%) случаях значимых различий в величине среднего уровня сигнала между НСП и БП выявлено не было, однако в просвете БП регистрировались множественные оптически интенсивные включения (рис. 3б).

Рис. 3. Различные формы присутствия экссудата на изображении ОКТ при подтвержденном ЭСО.

1 — область НСП, 2 — барабанная перепонка, 3 — БП с экссудатом.

При измерении степени вязкости экссудата 17 случаев ЭСО были охарактеризованы как выпот низкой степени вязкости — средняя скорость перемещения капли составила 1,8 мм/с, вязкость — до 100 сП. 12 образцов были охарактеризованы как экссудат крайней степени вязкости (glue) — во всех случаях не было отмечено смещения капли по предметному стеклу — скорость 0 мм/с, значение вязкости выше 400 сП.

При сравнении величины средней интенсивности оптического сигнала ОКТ-изображений вязкого и жидкого экссудата было выявлено статистически сверхзначимое различие, p<0,001 (рис. 4).

Рис. 4. Сравнение интенсивности оптического сигнала, зарегистрированного in situ от экссудатов различной степени вязкости.

Обсуждение

Регистрация во всех случаях в контрольной группе в зоне БП оптического сигнала, идентичного по интенсивности сигналу в НСП, подтверждает отсутствие влияния многократного рассеяния излучения в тканях барабанной перепонки на сигнал в БП.

В норме БП не содержит рассеивателей, что подтверждается ОКТ-данными, полученными в контрольной группе. У пациентов с ЭСО наличие рассеивателей в БП фиксировалось в 100% случаев. Таким образом, превышение интенсивности среднего оптического сигнала в БП, а также наличие в ней одиночных рассеивателей по данным ОКТ-изображений является патогномоничным признаком присутствия экссудата в БП.

Результаты измерения динамической вязкости выпота БП, полученные в данной работе, а также разделение выпота по степени вязкости на жидкий и экстремально вязкий соответствуют данным, полученным ранее другими исследователями [27].

Статистически значимое превышение показателей величины среднего оптического сигнала в БП над «нулевым» оптическим уровнем в 16 случаях ЭСО (рис. 3а) объясняется доминирующим рассеянием света на высокомолекулярных структурах — фрагментах ДНК, белковых структурах, гликополисахаридах, присутствующих в экссудате в значительном количестве при длительном течении заболевания [26, 28—32].

Отсутствие значимых различий в величине среднего уровня сигнала между НСП и БП в остальных 13 случаях (рис. 3б) объясняется относительно небольшим числом рассеивателей, присутствующих в экссудате, и, как следствие, меньшим вкладом последних в общую величину средней яркости изображения. Оптически интенсивные, относительно крупные, но немногочисленные образования в толще экссудата, вероятнее всего, являются фрагментами слизистой оболочки, поврежденной острым воспалительным процессом, и клеточными структурами [33, 34]. Подобная картина (рис. 3б) обусловлена высокой степенью прозрачности экссудата на ранних этапах развития экссудативного процесса [26, 28].

Таким образом, ОКТ позволяет регистрировать рассеяние света от высокомолекулярных структур, содержащихся в экссудате, количество которых значительно возрастает на поздних стадиях развития экссудативного процесса и коррелирует со степенью вязкости выпота. Увеличение концентрации крупных молекул в экссудате приводит к повышению интенсивности ОКТ-сигнала.

Предлагаемый в настоящей работе численный критерий оценки ОКТ-изображений позволяет проводить объективную оценку, что может значительно увеличить показатели чувствительности и специфичности метода в диагностике ЭСО и выявлении вязкого экссудата.

Существенно более высокая скорость получения изображений, достигаемая в спектральном методе ОКТ по сравнению с корреляционным методом, позволяет реализовать режим, аналогичный описанному в [20, 25], для всего ОКТ-изображения. На рис. 5 представлены изображения, полученные в стабилизированном режиме на корреляционной ОКТ-установке (рис. 5а) и с использованием модернизированного спектрального устройства (рис. 5б).

Рис. 5. Стабилизированный режим в корреляционной (а) и спектральной (б) ОКТ.

1 — область НСП, 2 — барабанная перепонка, 3 — БП, 4 — «треки» частиц экссудата.

Вопрос реализации численной оценки подвижности рассеивателей в экссудате является задачей дальнейших исследований. Для эффективного решения этой задачи необходимо применение методики компенсации флуктуаций дистанции между зондом и объектом исследования [35]. Флуктуации дистанции обусловлены тремором руки оператора и физиологически обусловленными движениями пациента (пульс, дыхание). В силу геометрических особенностей расположения зонда относительно ушной раковины артефакты движения наиболее сильно проявляются в системе бесконтактной ОКТ и приводят к искажению формы трека рассеивающих частиц (рис. 5б), что затрудняет применение методики, описанной в предыдущих работах [20, 25], к получаемым изображениям.

Выводы

Метод бесконтактной ОКТ со спектральным приемом сигнала информативен в диагностике ЭСО. Использование ОКТ позволяет неинвазивно, в амбулаторных условиях, без применения дополнительного дорогостоящего оборудования и привлечения узких специалистов объективно подтверждать наличие экссудата в барабанной полости с эффективностью 100%. Выявление экссудата в БП возможно благодаря различным оптическим свойствам газообразной и жидкой среды, содержащей рассеиватели. Использование бесконтактного ОКТ-зонда позволяет выполнять исследование по методике, схожей с отоскопией, атравматично и бесконтактно.

Полученные на основе статистического анализа ОКТ-изображений данные об интенсивности ОКТ-сигнала в БП при наличии и в отсутствие экссудата позволяют рассчитывать на возможность формирования критериев для автоматического определения наличия экссудата в БП.

Однако реализация оценки подвижности рассеивающих частиц на основе разработанных ранее методик оказывается затруднительной в силу высокой чувствительности бесконтактного ОКТ-зондирования к наличию взаимного смещения зонда и исследуемого объекта, обусловленного физиологическими движениями пациента и оператора устройства.

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект №17-15-01507) в части модернизации базового блока устройства ОКТ-1300Е для реализации спектральной регистрации данных ОКТ, выполнения клинических исследований и реализации бесконтактного зондирования, а также государственного задания ИПФ РАН (проект №0035-2019-0013) в части проведения модельных экспериментов и обработки полученных ОКТ-данных.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflict of interest.

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