Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка волоконно-оптических инструментов для спектроскопической диагностики, фотодинамической терапии и лазерной гипертермии новообразований головного и спинного мозга. Разработка новых технологий диагностики и лечения заболеваний мозга с применением разрабатываемых инструментов

Докладчик: Грачев Павел Вячеславович

Должность: младший научный сотрудник

Цель проекта:
Разработка устройства для мониторинга интенсивности лазерного излучения во время проведения внутриполостных процедур гипертермии и фотодинамической терапии, не влияющего на облучающее волокно и создающее минимальные потери интенсивности лазерного излучения. Разработка устройства для проведения непрерывного спектроскопического контроля при биопсии новообразований паренхиматозных органов без нарушения стандартного алгоритма данной операции и без удлинения по времени процедуры в целом.

Основные планируемые результаты проекта:
Основные результаты:
1.Результаты по взаимодействию лазерного излучения с длинами волн 405нм, 532нм, 675нм, 810нм с тканями мозга удаленных препаратах человека. Предполагается получить уникальные зависимости интенсивности обратно рассеянного излучения, проходящего через ткань излучения и температуры ткани в области облучения от времени облучения. Предполагается выявить на основе полученных зависимостей
временные и температурные диапазоны, которые реализуются при фотодинамической терапии и гипертермии;
2.Методика контроля состояния биологической ткани во время внутритканевого облучения по мониторингу степени оксигенации гемоглобина крови и уровня кровенаполнения в микроциркуляторном русле в зоне облучения;
3.Протокол процедуры биопсии новообразований головного и спинного мозга, совмещенной с лазерным спектроскопическим контролем;
4.Компьютерная программа для моделирования распространения лазерного излучения в изогнутом оптическом волокне. Программа позволит рассчитывать интенсивность излучения, которое выходит на сторонах изогнутого волокна, критические углы для раздела сред оболочка/окружающая среда и оболочка/сердцевина. Позволит задавать параметры оптического волокна: коэффициенты преломления оболочки и сердцевины и их толщину, изменять радиус изгиба оптического волокна и показатель преломления окружающей среды, изменять интенсивность света вводимого в волокно. А также просматривать ход лучей и устанавливать место и угол ввода излучения в оптическое волокно;
5.Эскизная конструкторская документация на макет устройства для мониторинга интенсивности лазерного излучения во время проведения внутритканевых процедур гипертермии и фотодинамической терапии;
6.Эскизная конструкторская документация на макет устройства для проведения непрерывного спектроскопического контроля при биопсии новообразований головного и спинного мозга с конструкцией технологичной для широкого производства;
7.Макет устройства для мониторинга интенсивности лазерного излучения во время проведения внутритканевых процедур гипертермии и фотодинамической терапии;
8.Макет устройства для проведения непрерывного спектроскопического контроля при биопсии новообразований головного и спинного мозга, позволяющего определять концентрацию эндогенных и экзогенных флюорофоров и уровень кровенаполненности;
9.База данных спектров флуоресценции различных типов и частей опухолей головного мозга с применением 5-аминолевулиновая кислоты (5-ALA);
10.Патент на устройство для мониторинга интенсивности лазерного излучения во время проведения внутритканевых процедур гипертермии и фотодинамической терапии;
11.Патент на устройство для проведения непрерывного спектроскопического контроля при биопсии новообразований головного и спинного мозга;
12.Патент на способ проведения процедуры биопсии новообразований головного и спинного мозга, совмещенной с лазерным спектроскопическим контролем.

Для достижения заявленных результатов предполагается использовать следующие методы: метод лазерного воздействия на биологические ткани и оптической спектроскопии для контроля их оптических свойств, и метод компьютерного моделирования физических принципов распространения лазерного излучения в оптическом волокне и биологической ткани.
В качестве источников лазерного излучения предполагается использоваться полупроводниковые лазеры компании ЗАО БИОСПЕК с длинами волн: 405нм, 532нм, 675нм, 810нм. Выбор первых трех длин волн обосновывается тем, что фотосенсибилизаторы, использующиеся в медицине, имеют пики поглощения на данных длинах волн, поэтому они наиболее подходят для проведения процедур фотодинамической терапии. А длина волны 810нм используется для проведения процедуры лазерной гипертермии. Данный набор длин волн позволяет исследовать биологические ткани на различных глубинах так, как лазерное излучение с большей длиной, глубже проходит в ткань. Использование диапазона волн с небольшой задержкой по времени в измерениях, является принципиально новым. Для спектрального анализа биологических тканей, содержащих фотосенсибилзатор, предполагается использовать оптоволоконный лазерный электронно-спектральный анализатор ЛЭСА-01-БИОСПЕК. Также в процессе исследования оптических свойств биологических тканей будет применяться лазерный конфокальный сканирующий микроскоп LSM-710-NLO. Для доставки лазерного излучения к исследуемым объектам будут использованы оптические волокна с
различными вариантами наконечников, в зависимости от геометрии облучения (торцевое, боковое, интерстициальное), и изготовленных из различных материалов (кварц, полимер, сапфир).
В качестве объектов исследования будут выбраны образцы мозговой ткани(белого и серого вещества спинного и головного мозга) свиньи так, как их оптические характеристики близки к оптическим характеристикам мозговой ткани человека. Для идентификации изменений оптических характеристик биологических тканей во время облучения будет измеряться мощность лазерного излучения, проходящего через биологическую ткань, обратно рассеянное излучения (измеритель мощности оптического излучения PM-3-БИОСПЕК), а также температура ткани в области облучения (инфракрасная камера JADE CEDIP). Такой способ контроля за биологической тканью не был описан в литературе ранее. В работу устройства для мониторинга интенсивности лазерного излучения во время проведения внутритканевых процедур гипертермии и фотодинамической терапии положен эффект выхода части излучения, распространяющего по оптическому волокну, на макроизгибе из-за нарушения полного внутреннего отражения. Важным следствием данного эффекта является то, что излучение, проходящее в противоположных направлениях внутри волокна, выходит на разных сторонах изгиба. Использование данного эффекта является принципиально новым, и не было использовано ни в одних устройствах подобного типа.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемые устройства будут применяться во флуоресцентной диагностике и лазерной терапии новообразований головного и спинного мозга.
Устройство для проведения непрерывного спектроскопического контроля может применяться при процедурах стереотаксической биопсии головного мозга. Аналогов данного устройства не существует как на российском рынке, так и на зарубежном рынке. По сравнению со стандартными устройствами для биопсии головного мозга разрабатываемое устройство имеет ряд конкурентных преимуществ: обеспечивает совпадение места спектроскопического измерения с местом забора биоптата, не усложняет стандартный алгоритм проведения стереотаксической биопсии головного мозга, не увеличивает время проведения процедуры и вероятность послеоперационных осложнений. За счет совмещения двух методов диагностики (флуоресцентной диагностики и гистологического анализа тканей, полученных с помощью данного устройства) эффективность проведения процедуры стереотаксической биопсии повысится более чем на 10%, что является основным критерием эффективности его применения в диагностических целях. Применение разрабатываемого устройства позволит уточнять степень прорастания опухоли в нормальные ткани головного мозга и корректировать данные для дальнейшего назначения операционного удаления опухоли, что повышает результативность хирургического вмешательства и прямо отражается на будущем здоровье пациента.
Количество процедур стереотаксической биопсии в России за год более 1000, а за рубежом более 100000. Разрабатываемое устройство может выпускаться в двух вариантах: многоразового применения и одноразового. Спрос на данное устройство уже существует, а со временем будет расти.
Устройство для мониторинга интенсивности лазерного излучения будет применяться во время проведения внутритканевых процедур гипертермии и фотодинамической терапии. Аналогов данного устройства не существует как на российском рынке, так и на зарубежном рынке. Данное устройство позволяет использовать обычное оптическое волокно, применяемое для внутритканевого облучения. Позволяет оценивать изменение оптических и тепловых параметров биологических тканей во время их облучения, физически не влияет на облучающее окно. Приведенные преимущества делают данное устройство конкурентоспособным. Применение данного устройства в процедурах терапии позволит проводить лечение в полном объеме, без нежелательного воздействия на здоровые ткани, что позволяет повысить эффективность проводимых процедур.

Текущие результаты проекта:
На данный момент достигнуты следующие результаты:
1. Проведены теоретические исследования по моделированию распространения лазерного излучения внутри оптического волокна, имеющего изогнутую форму и различную форму облучающего конца волокна.
2. Разработана математическая модель для расчета мощности излучения, выходящего на углах изгиба оптического волокна;
3. Разработано программное обеспечение для моделирования распространения лазерного излучения в изогнутом оптическом волокне;
4. Проведены теоретические исследования по компьютерному моделированию влияния на мощность лазерного излучения выходящего на сторонах изгиба волокна таких параметров как: отношение радиуса изгиба волокна к толщине волокна, отношения оптической плотности сердцевины волокна к оптической плотности оболочки волокна;
5. Проведены теоретические исследования по компьютерному моделированию выхода излучения из торца, имеющего различную форму (прямоугольный, конус, угловой);
6. Проведены экспериментальные работы по измерению оптических характеристик: поглощения, рассеяния, флуоресценции в видимой области спектра, - образцов белого и серого вещества;
7. Проведены экспериментальные работы по определению мощности лазерного излучения, выходящего со сторон изгиба волокна, в зависимости от радиуса изгиба, толщины волокна;
8. Проведены экспериментальные работы по определению накопления и концентрации фотосенсибилизатора внутри биологической ткани с использованием стандартного диагностического оптоволоконного катетера;
9. Разработана эскизная документация макета устройства для проведения непрерывного спектроскопического контроля при биопсии новообразований головного и спинного мозга;