Study of jung's module variations in a phantom model of lymphedematous tissue using optical coherent tomography.pdf Введение По данным Всемирной организации здравоохранения лимфедема встречается у 10% населения [1]. Лимфедема - это полиэтиологическое заболевание, связанное с накоплением межклеточной белковой жидкости (лимфы), что приводит к структурным изменениям и разрастанию соединительной ткани [1-3]. В тканях усиливается гипоксия, развивается резко выраженный фиброз кожного покрова, подкожной клетчатки и фасции, вследствие чего нарастает лимфостаз [2]. Застой лимфы и связанные с этим нарушения обменных процессов создают условия, благоприятные для рецидива подкожного воспаления [3]. На гистологических срезах наблюдаются круглоклеточные инфильтраты вокруг лимфатических и кровеносных сосудов [4, 5]. Фиброз биологической ткани более выражен в нижних конечностях [3, 4]. К настоящему времени разработан ряд методов диагностики лимфедемы, начиная с первичного внешнего осмотра. Например, путем пальпации может быть предварительно определен объем воспаления [1, 3]. Метод лимфографии основан на визуализации лимфатических сосудов с использованием контрастных веществ. В прямой лимфографии контрастное вещество вводится непосредственно в узлы или в лимфатические сосуды [6-8]. В непрямом методе инъекция производится подкожно или внутримышечно в ткань, прилегающую к лимфатическим структурам [1, 5, 6, 8]. В методе флуоресцентной визуализации в область опухоли вводят флуоресцентный индикатор, который протекает через лимфатическую систему к соединительным лимфатическим узлам [6, 8, 9]. Исследование динамики развития лимфедемы методами прямой визуализации является эффективным, но ограничено возможностями применения красителей и радиотрасеров во время исследования лимфатической системы и сосудов, что повышает риск развития аллергической реакции у пациентов [8-10]. Для оценивания состояния лимфатической системы и лимфооттока используется дуплексное сканирование с помощью компьютерной томографии и МРТ [1, 2, 5, 6], что обеспечивает визуализацию лимфатических сосудов с высоким разрешением. Минусами данных способов диагностики является высокая стоимость и слишком большое время, затрачиваемое на диагностическую процедуру [6, 7]. В последние годы ультразвук высокой частоты применяется не только для исследования костно-мышечной системы, но и для визуализации слоев кожи, что может быть полезно для детектирования лимфедемы [5, 6, 10, 11]. Одним из наиболее перспективных является биоэлектрический импедансный анализ, который является безопасным и экономически эффективным методом исследования структуры тканей [12]. Метод позволяет оценить интегрально содержание жидкости через измерение суммарного импеданса ткани, когда переменный электрический ток проходит через разные участки тела [12, 13]. Однако данный метод имеет не очень высокое пространственное разрешение. Развитие отека ткани при острых и хронических воспалениях, включая лимфедему, приводит к изменению механических характеристик биологических тканей [1-5, 14-17]. Оптическая когерентная томография (ОКТ), основанная на регистрации деформации ткани под действием статической (квазистатической) нагрузки, обеспечивает оперативный неинвазивный контроль пространственного распределения модуля Юнга в упругих материалах, в том числе, в биологических тканях с достаточно высоким пространственным разрешением [18-21]. Цель данной работы - исследование на фантомной модели возможности детектирования отека ткани, возникающего при острых и хронических воспалениях, включая лимфедему, с использованием ОКТ. Материалы и методы Лимфа представляет собой белковую жидкость, содержащую 95% воды, 3.4% белков, 0.1% глюкозы и 0.9% минеральных солей [1, 2, 5]. Поскольку мышечная ткань верхних и нижних конечностей имеет меньшее содержание воды (72-80% от общей массы), чем лимфа, при попадании лимфы в мышечную ткань в ней увеличивается процентное содержание воды [1-4, 7]. Это является одной из причин изменения механических характеристик ткани при развитии лимфедемы. Рассматривая изменение механических характеристик ткани как диагностический признак, для обеспечения контроля процентного содержания жидкости в ткани применялась фантомная модель данного заболевания: использовалась достаточно однородная мышечная ткань филейной части куриной грудки, в которой контролируемым образом менялось содержание жидкости. Ткань филейной части куриной грудки помещалась в форму (рис. 1, а, б), после чего замораживалась в морозильной камере в течение 8 ч при температуре минус 25 °С. Далее форму доставали и осуществляли нарезку образцов с помощью лабораторного лезвия (рис. 1, в). Нарезка осуществлялась с использованием напечатанной на 3D-принтере специальной формы (рис. 1, а). Данная форма позволяет нарезать замороженные образцы ткани заданных размеров (в нашем случае 20×20×2 мм) с небольшим разбросом геометрических параметров. После чего образцы помещали на предметные стекла, где их размораживали при комнатной температуре (23-24 °С) в течение 15 мин. Всего было подготовлено пять образцов ткани, массу которых измеряли с помощью лабораторных весов, имеющих точность однократного измерения 0.001 г. Три образца (группа А) постепенно высушивали в течение 2 ч при 30 °С (рис. 1, г). Образцы переворачивали каждые 15 мин для более равномерного высыхания и уменьшения деформации в процессе высушивания. Два образца (группа B) помещали в ванночку, наполненную дистиллированной водой (рис. 1, д). Из-за разницы осмотического давления дистиллированной воды и жидкости в биологической ткани образец впитывает часть воды, что приводит к увеличению процентного содержания жидкости в нем. Изменение содержания жидкости в образцах группы А и В контролировали каждые 5 минут путем измерения их массы на лабораторных весах. Относительное изменение массы образца X оценивали в соответствии с формулой где - начальная и текущая массы образца соответственно. Специальная цилиндрическая оправа высотой 2.5 см со стеклянной пластиной (толщина 0.25 мм), закрепленной на нижнем основании, монтировалась на зонде ОКТ-установки Ganymede II HR («Thorlabs», USA). Образец ткани размещался на предметном стекле, находящемся на лабораторных весах. Опуская зонд с цилиндрической оправкой, проводилось механическое воздействие на Рис. 1. Этапы формирования модели лимфедематозной ткани: форма для изготовления образцов (a); размещение биологической ткани в форме (б); нарезка образцов лабораторным лезвием (в); изготовления образца с низким содержанием жидкости (г); изготовление образцов с высоким содержанием жидкости (д) Рис. 2. Схема лабораторной ОКТ-уста¬нов¬ки для измерения деформации образца ткани: 1 - ОКТ-зонд; 2 - цилиндрическая оправа; 3 - образец; 4 - предметное стекло; 5 - лабораторные весы образец перпендикулярно его поверхности (рис. 2). Нагрузку измеряли с помощью лабораторных весов. Процесс деформации осуществлялся квазистатично: за 5 мин изменение вертикальных размеров образцов из группы А составляло 9-27% и 14-18% - для группы Б. Это позволяло обеспечивать однородность структуры образцов под нагрузкой (рис. 3). Указанный диапазон деформаций соответствует квазилинейной зависимости относительной деформации образца от величины нагрузки [22]. ОКТ-установка использовалась для измерения деформации образца ткани по методике, описанной ниже. Для каждого образца с помощью ОКТ-системы дважды регистрировались следующие серии изображений (каждая - по 10 B-сканов): - B-скан образца с толщиной в исходном состоянии до механического воздействия (рис. 3, a); - B-скан образца под нагрузкой (рис. 3, б), когда его толщина изменилась до величины . Значение модуля Юнга определялось по формуле [20-28] , где - сила воздействия ОКТ-зонда на образец (рис. 2); - площадь его поверхности, на которую осуществляется воздействие; Рис. 3. B-сканы образца до механического воздействия (a) и под нагрузкой (б): где l0 - толщина образца в исходном состоянии; l - толщина образца под нагрузкой; Δl - модуль изменения толщины образца в результате одноосной деформации Результаты Данные о деформации образцов ткани, а также рассчитанные значения модуля Юнга, представлены в таблице, где Fi - нагрузка на i-й образец в соответствующей группе. Экспериментальные данные о деформации образцов ткани Образцы Нагрузка F, Н Относительное изменение содержания массы X, % Модуль Юнга E, кПа кПа Группа A (исходное состояние) F1 = 0.392 F2 = 0.735 F3 = 0.598 - Eref A1 = 12.34 Eref A2 = 18.44 Eref A3 = 26.30 - - Группа B (исходное состояние) F4 = 0.304 F5 = 0.509 - Eref B1 = 19.97 Eref B2 = 19.01 - - Группа A (после высушивания) F1 = 1.959 F1 = 2.107 F2 = 0.764 F2 = 0.676 F2 = 2.156 F3 = 0.725 F3 = 2.048 -40.5 -52.1 -7.7 -17.5 -24.1 -22.3 -31.9 46.10 58.52 23.2 37.52 52.48 51.55 63.69 33.76 46.18 4.76 19.08 34.04 25.25 37.39 2.74 3.74 0.26 1.03 1.85 0.96 1.42 Группа В (после накопления жидкости) F4 = 0.332 F5 = 0.509 +11.4 +7.8 E1 = 11.98 E2 = 14.38 -7.99 -4.63 -0.40 -0.24 Видно, что в группе А при уменьшении содержания жидкости в образце значение модуля Юнга увеличилось, а в образцах группы B при увеличении содержания жидкости в образце значение модуля Юнга уменьшилось. Найденная зависимость изменения модуля Юнга от относительного изменения жидкости в образце графически представлена на рис. 4. Данная зависимость достаточно хорошо аппроксимируется прямой (коэффициент корреляции равен 0.62). Рис. 4. Зависимость абсолютных (a) и относительных (б) изменений модуля Юнга ΔE = E - Eref от относительного изменения массы образца биоткани X Заключение При развитии лимфедемы происходит накопление межклеточной биологической жидкости и соответственно изменение упругих свойств ткани. В работе с использованием метода оптической когерентной томографии на фантомной модели лимфедематозной ткани исследована зависимость между содержанием жидкости в ткани и изменением модуля Юнга. Показано, что увеличение содержания жидкости в исследуемой биологической ткани приводило к уменьшению значения модуля Юнга. В рамках полученной экспериментальной выборки данная зависимость близка к линейной (коэффициент корреляции ), что дает потенциальную возможность использовать ее для нахождения процентного содержания жидкости в биологической ткани путем регистрации модуля Юнга. При этом вопрос об области линейности, угле наклона данной зависимости, необходимости калибровки требует дальнейшего изучения. Представляет также практический интерес проведение натурных измерений для различных воспалительных процессов в тканях, сопровождающихся отеками. Следует отметить, что повышенное содержание межклеточной жидкости - лишь один из признаков лимфедемы. Для повышения точности диагностики этого заболевания возможна комбинация данных о морфологических характеристиках ткани, измеренных с помощью ОКТ, и о распределении модуля Юнга в ней. Одним из ограничений ОКТ при исследовании тканей in vivo являются артефакты, связанные с подвижностью биологического объекта и неоднородностью структуры ткани [25, 26]. В качестве альтернативы предложенного нами подхода может быть использована динамическая оптическая когерентная эластография, основанная на регистрации особенностей распространения акустических волн в биоткани с использованием ОКТ [19, 20, 29-32], поскольку зависимость модуля Юнга ткани от содержания жидкости в ней не должна зависеть от метода измерения.

Скачать электронную версию публикации