автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Лазерно-флуоресцентные методы и аппаратура диагностики и контроля состояния биологических тканей

Л 5~/*по. ч

/ щ/ ¿1 чУ / в' V' /

I /

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

ЛИНЬКОВ КИРИЛЛ ГЕННАДИЕВИЧ

ЛАЗЕРНО-ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЕ МЕТОДЫ И АППАРАТУРА ДИАГНОСТИКИ И КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ

ТКАНЕЙ.

Специальность: 05.27.03 - Квантовая электроника

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, проф. Г.Л. Киселев, кандидат физико-математических наук

В.Б. Лощенов

Москва— 1999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................4

ГЛАВА 1. ОПТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ........................................................................................16

1.1. Особенности взаимодействия светового излучения с биологическими системами.............................................................16

1.2. Техника и методы, применяемые для оптической диагностики....................................................................................26

1.3. Модельные представления..............................................36

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА В СЛУЧАЙНО-НЕОДНОРОДНОЙ СРЕДЕ. .44

2.1. Формулировка и решение прямой задачи распространения света в случайно-неоднородных средах..............46

2.2. Решение обратной задачи...............................................58

2.3. Моделирование процессов распространения светового излучения в биологических средах................................................63

ГЛАВА 3. АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ.............................................................................................79

3.1. Принцип действия, схема и основные параметры установки........................................................................................79

3.2. Выбор объектов исследований.........................................85

3.3. Проведение исследований с использованием метода геометрического зондирования........................................................88

Резюме...................................................................................95

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ И ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАССЕИВАЮЩИХ СРЕД.....................................................................97

4.1. Одномерная модель.........................................................97

4.2. Двумерное восстановление оптических свойств............106

Резюме.................................................................................112

ГЛАВА 5. КЛИНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ

ЧЕЛОВЕКА.......................................................................................113

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................125

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................127

ВВЕДЕНИЕ.

Охрана здоровья человека — эта глобальная проблема нашего и будущего столетия определяет значительный интерес к новым направлениям диагностики и терапии. Одним из таких направлений является лазерная медицина, т.е. применение лазерного излучения для лечения и диагностики различных патологических состояний. Необходимость проведения точной диагностики становится все более явной, несмотря на очевидные успехи медицины в последнее время [1].Применительно к диагностике онкологических и некоторых других заболеваний в последние годы активно разрабатывается принципиально новая группа методов, в основе которых лежит флуоресцентная лазерная спектроскопия. Эта группа методов основана на избирательной способности патологически измененных тканей накапливать как экзогенные (т.е. попадающие внутрь организма человека извне), так и эндогенные (образующиеся внутри организма в ходе протекания обменных реакций) люминофоры и давать более интенсивную флуоресценцию по сравнению со здоровыми тканями при возбуждении их лазерным излучением определенной длины волны. В настоящее время флуоресцентная диагностика патологических процессов в организме развивается в двух основных направлениях:

- анализ интенсивности флуоресценции эндогенных красителей, т.е. собственной флуоресценции [2, з], в частности, для злокачественных опухолей, характеризующихся появлением флуоресценции эндогенных порфиринов и их производных при облучении светом ультрафиолетового и красного диапазона, что часто используется в качестве диагностического критерия;

-анализ интенсивности флуоресценции поглощаемых тканями экзогенных люминофоров — флуорената [4], хлортетрациклина [5], производных гематопорфирина [6], фталоцианинов [7, 8].

Настоящая работа посвящена анализу флуоресцентного отклика биологических тканей, вызываемого как эндогенными, так и экзогенными люминофорами при различных патологических изменениях в тканях.

К сожалению, пока методы флуоресцентной лазерной спектроскопии еще не получили широкого распространения в силу ряда причин, в частности из-за отсутствия достаточно простых и пригодных для работы в реальном масштабе времени (real time) математических моделей, с помощью которых можно было бы адекватно описать взаимодействие светового излучения с биологическими тканями. Существующая аппаратная реализация методов лазерной спектроскопии требует сложного и дорогостоящего оборудования, приобретение которого не могут себе позволить большинство российских медицинских учреждений из-за ограниченного финансирования. Вышеизложенные причины и обусловили необходимость проведения разработки новой медицинской аппаратуры.

Цель работы заключалась в разработке методов и аппаратуры для лазерно-флуоресцентной диагностики и контроля характеристик биологических тканей, сборе и анализе данных по спектральным пространственным характеристикам биологических тканей для выбора критериев оценки и определения корреляций между спектральными и пространственными характеристиками биологических тканей на их поверхности и в глубине; применении

разработанных методов в клинической практике для повышения достоверности диагностики и идентификации заболеваний различных органов человека.

В процессе выполнения работы решались следующие задачи.

1. Создание метода лазерно-флуоресцентной диагностики биологических тканей, основанного на измерении и анализе пространственно-утлового распределения рассеянного лазерного излучения и флуоресценции, вызываемой лазерным излучением.

2. Построение математической модели, описывающей распространение лазерного излучения и флуоресценции в биологических тканях сложной геометрической структуры.

3. Проведение компьютерного моделирования распространения лазерного излучения и излучения флуоресценции для биологических объектов в стационарных и переходных режимах облучения ткани непрерывным излучением, моноимпульсным излучением и излучением в виде серии импульсов.

4. Установление корреляции между данными о пространственном распределении рассеяния и флуоресценции биологической ткани по ее поверхности и глубине.

5. Проведение реконструкции внутренней структуры биологических тканей по данным анализа пространственного углового распределения полей лазерного излучения на поверхности биологических тканей.

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

- разработана математическая модель, описывающая взаимодействие излучения с биологической тканью, позволяющая

учесть основные особенности взаимодействия, а именно, поглощение, рассеяние, спектральное и угловое преобразование;

- разработаны методы лазерно-флуоресцентной диагностики биологических тканей, позволяющие осуществлять трехмерную реконструкцию структуры биологических тканей;

- установлена корреляция между данными рассеяния и флуоресценции тканей, измеренными на поверхности биологической ткани, и ее структурой.

Практическая ценность проведенных исследований заключается в следующем:

- разработаны оптические, электронные схемы и аппаратура для проведения лазерно-флуоресцентной диагностики заболеваний различных органов;

- проведено компьютерное моделирование процессов стационарного и нестационарного взаимодействия изучения с биологическими тканями;

- осуществлена верификация разработанной математической модели взаимодействия лазерного излучения с биологической тканью in vivo;

- разработанные методы лазерно-флуоресцентной диагностики онкологических заболеваний внедрены в клиническую практику Московской медицинской академии им. И.М. Сеченова и Онкологического научного центра им. H.H. Блохина.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на пяти международных конференциях:

- Российские семинары "Новые лазерные медицинские технологии. Фотодинамическая терапия" в рамках V Международной

конференции "Лазерные технологии 95". S3 июня 1995 г., г. Шатура;

- BiOS Europe '95, The European Biomedical Optics Week, Joint Meeting by the European Laser Association and the International Biomedical Optics Society, 12-16 September 1995, Barcelona, Spain.

-1 Всероссийская конференция фотобиологов. 28-30 мая 1996г. г. Пущино;

- BiOS Europe '96, The European Biomedical Optics Week, Joint Meeting by the European Laser Association and the International Biomedical Optics Society, 7-10 September 1996, Vienna, Austria.

- BiOS Europe '97, The European Biomedical Optics Week, Joint Meeting by the European Laser Association and the International Biomedical Optics Society, 4 - 8 September 1997, San Remo, Italy.

Основные результаты диссертационной работы изложены в 28 работах:

1. Г.Л. Киселев, К.Г. Линьков. Моделирование процессов рассеяния лазерного излучения и флуоресценции биологических тканей. Российские семинары в рамках пятой международной конференции "Лазерные технологии 95", г. Шатура, 23 июня 1995 г.

2. A.M. Прохоров, Г.Н. Ворожцов, Г.А. Меерович, В.А. Степушкин, В.П. Журавлева, К.Г. Линьков, Е.А. Лукьянец, А.А. Стратонников, Ю.П. Кувшинов, В.В. Шенталь. Лазерно-телевизионный флуоресцентный визуализатор злокачественных новообразований внутриполостной и поверхностной локализации. Российские семинары в рамках пятой международной конференции "Лазерные технологии 95", г. Шатура, 23 июня 1995 г.

3. M.И. Кузин, С.С. Харнас, B.JI. Заводнов, A.A. Мерзляков, H.JI. Охотникова, A.M. Прохоров, Г.Н. Ворожцов, Е.А. Лукьянец,

A.A. Стратонников, Г.А. Меерович, В.М. Мизин, К.Г. Линьков, Н.Л. Торшина, A.A. Волкова. Флуоресцентная диагностика и фотодинамическая терапия злокачественных опухолей желудка и пищевода. Российские семинары в рамках пятой международной конференции "Лазерные технологии 95", г. Шатура, 23 июня 1995 г.

4. Ю.А. Облицов, М.И. Кузин, Л.Е. Логинов, A.M. Прохоров, К.Г. Линьков, Г.А. Меерович, A.A. Стратонников, Н.Л. Торшина,

B.М. Мизин, A.M. Посыпанова, В.В. Агафонов. Флуоресцентная диагностика и фотодинамическая терапия опухолей легких и бронхов. Российские семинары в рамках пятой международной конференции "Лазерные технологии 95", г. Шатура, 23 июня 1995 г.

5. A.A. Стратонников, В.П. Журавлева, В.В. Лощенов, К.Г. Линьков, C.B. Мизин, A.B. Пелезнев, Э.Г. Силькис. Универсальный портативный лазерно-эндоскопический спектроанализатор для медицины, химии и охраны окружающей среды. Российские семинары в рамках пятой международной конференции "Лазерные технологии 95", г. Шатура, 23 июня 1995 г.

6. Давыдов М.И., Шенталь В.В., Поддубный Б.К., Соломахо Е.Г., Кувшинов Ю.П., ЕдинакН.Е., Ваганов Ю.Е., Линьков К.Г., Меерович Г.А., Стратонников A.A. Применение фталоцианина алюминия для флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии злокачественных и доброкачественных опухолей. Российские семинары в рамках пятой международной конференции "Лазерные технологии 95", г. Шатура, 23 июня 1995 г.

7. Г.Л. Киселев, К.Г. Линьков, В.Б. Лощенов. Исследование процессов рассеяния лазерного излучения и флуоресценции с использованием метода геометрического лазерного зондирования. I Всероссийская конференция фотобиологов. 28-30 мая 1996г. Тезисы докладов, стр. 105, Пущино, 1996.

8. В.Б. Лощенов, Г.А. Меерович, А.А. Стратонников, В.П. Журавлева, С.В. Мизин, А.Ю. Дуплик, К.Г. Линьков, Д.В. Климов. Лазерно-флуоресцентные методы и аппаратура в фотодинамической терапии и диагностике рака. I Всероссийская конференция фотобиологов. 28-30 мая 1996г. Тезисы докладов, стр. 107, Пущино, 1996.

9. С.С. Харнас, Н.М. Кузин, М.И. Кузин, О.Я. Склянская, В.Б. Лощенов, Н.Л. Торшина, A.M. Посыпанова, А.И. Волкова, К.Г. Линьков. Морфологические изменения в регионарных лимфатических узлах в результате фотодинамической терапии рака желудка. I Всероссийская конференция фотобиологов. 28-30 мая 1996г. Тезисы докладов, стр. 116, Пущино, 1996.

10. Stratonnikov А.А., Edinac N.E., Linkov К. G., Klimov D.V., Loschenov V.B., Meerovich G.A., Solomakho E.G. "Tissue Absorption Spectroscopy in Clinics for Photodynamic Therapy Control," 10-th Nordic-Baltic Conference on biomedical Engineering, 1-st International Conference on bioelectromagnetism, 9-13 June 1996, Tampere, Finland, 1996.

11. K.G. Linkov, V.B. Loschenov, G.L. Kiselev, N.E. Edinak, "Use of Two-Wavelength Laser Light for Determination of Photosensitizer Distribution in Tissue," 10-th Nordic-Baltic Conference on biomedical

Engineering, 1-st International Conference on bioelectromagnetism, 9-13 June 1996, Tampere, 1996.

IS. V.B. Loschenov, A.A. Stratonnikov, D.V. Klimov, K.G. Linkov, G.A. Meerovich, I.K. Simanovich, S.V. Misin, R. Steiner, V.P. Zhuravleva, "The Portable Spectroscopy system for Tumor Fluorescent Diagnostic and Photodynamic Therapy Control," 10-th Nordic-Baltic Conference on biomedical Engineering, 1-st International Conference on bioelectromagnetism, 9-13 June 1996, Tampere, 1996.

13. N. Edinak, V. Chental, V. Lioubaev, I. Pustynsky, V. Boykov, N. Abdullin, E. Vakulovskaya, V. Bzhezovsky, T. Tabolinovskaya, D. Gugunov, V. Chatikhine, A. Stratonnikov, K. Linkov, V. Agafonov, V. Loschenov, " Laser diagnostic of effectiveness of chemotherapy of head and neck tumors: preliminary results," 81 Meeting of the International Association for Breast Cancer Research, Paris, Prance, 1996.

14. E. Vakoulovskaia, V. Chental, N. Edinak, T. Tabolinovskaia, T. Kondratjeva, N. Abdoullin, V. Boikov, V. Llioubaev, V. Brjesovski, D. Gugounov, V. Chatikhine, G. Meerovich, A. Stratonnikov, K. Linkov, V. Loschenov, "Photodynamic therapy of head and neck tumors," Sixth International Congress on Anti-Cancer Treatment, Abstract book, p. 85, Paris, Prance, 1996.

15. S.S. Kharnas, N.M. Kuzin, V.Ya. Zavodnov, O.A. Sclyanscaya, K.G. Linkov, V.B. Loschenov, G.A. Meerovich, N.L. Torshina, A.A. Stratonnikov, R. Steiner, "Photodynamic therapy of gastric cancer," Proceedings of SPIE, Photochemotherapy: Photodynamic Therapy and Other Modalities, 2685, 449-450 (1996).

16. U.A. Ablitsov, M.I. Kuzin, L.E. Loginov, L.V. Uspensky, K.G. Linkov, V.B. Loschenov, G.A. Meerovich, A.A. Stratonnikov,

N.L. Torshina, G.N. Vorozhtsov, R. Steiner, " Photodynamic therapy of lung cancer Proceedings of SPIE, Photochemotherapy: Photodynamic Therapy and Other Modalities, 2625, 451-452 (1996).

17. V.Ya. Zavodnov, M.I. Kuzin, S.S. Kharnas, K.G. Linkov, V.B. Loschenov, A. A. Stratonnikov, A.M. Posypanova, "Palliative treatment of patients with maignant structures of esophagus, " Proceedings of SPIE, Photochemotherapy: Photodynamic Therapy and Other Modalities, 2625, 482-483 (1996).

18. K.G. Linkov, V.B. Loschenov, G.L. Kisselev, N.E. Edinak, R. Steiner, "Determination of photosensitizer concentration in normal skin tissue and skin tumor with the use of two-wavelength laser light," Proceedings of SPIE, Photochemotherapy: Photodynamic Therapy and Other Modalities, 2625, 519-526 (1996).

19. G.A. Meerovich, V.B. Loschenov, A.A. Stratonnikov, K.G. Linkov, V.P. Zhuravleva, V.A. Stepushkin, E.A. Luk'yanets, G.N. Worozhtsov, "Laser fluorescent system for endoscopic tumor diagnostic and irradiation control in the photodynamic therapy, " Proceedings of SPIE, Optical Biopsies, 2627,73-76 (1996).

20. N.E. Edinak, V.V. Chental, D. Komov, E.G. Vaculovskaya, T.A. Tabolinovskaya, N.A. Abdullin, I.N. Pustynsky, V.A. Chatikhin, V.B. Loschenov, G.A. Meerovich, A.A. Stratonnikov, K.G. Linkov, V.V. Agafonov, V.P. Zhuravleva, E.A. Luk'yanets, "Fluorescent-spectroscopic and imaging methods of investigations for diagnostic of head and neck tumors and control of PDT," Proceedings of SPIE, Optical and Imaging Techniques for Biomonitoring, 2628, 334-337 (1996).

21. G.A. Meerovich, V.B. Loschenov, A.A. Stratonnikov, K.G. Linkov, V.P. Zhuravleva, V.A. Stepushkin, E.A. Luk'yanets, G.M. Worozhtsov, "Laser fluorescent system for endoscopic tumor diagnostic and irradiation control in the photodynamic therapy, " Proceedings of SPIE, CIS Selected Papers, 8788,35-38 (1996).

22. K.G. Linkov, G.L. Kisselev, V.B. Loschenov, "Investigations of physical model of biological tissue," Proceedings of SPIE, Laser-Tissue Interaction and Tissue Optics IV, 8983, 58-67 (1996).

23. A.A. Stratonnikov, N.E. Edinac, D.V. Klimov, K.G. Linkov, V.B. Loschenov, E.A. Luk'janets, G.A. Meerovich, E.G. Vakoulovskaia, "Control of photosensitizer in tissue during photodynamic therapy by means of absorption spectroscopy, " Proceedings of SPIE, Photochemotherapy: PDT and Other Modalities, 8984, 49-60 (1996).

24. E.G. Vakoulovskaia, V.V. Chental, N.A. Abdoullin, Y.P. Kuvshinov, T.D. Tabolinovskaia, N.J. Edinak, B.K. Poddubny, V.L. Lioubaev, V.P. Boikov, T.T. Kondratjeva, G.A. Meerovich, A.A. Stratonnikov, K.G. Linkov, V.V. Agafonov, "Photodynamic therapy of head and neck tumors," Proceedings of SPIE, Photochemotherapy: PDT and Other Modalities H, 8984, 309-313 (1996).

25. E.G. Vakoulovskaia, V.V. Chental, N.A. Abdoullin, Y.P. Kuvshinov, T.D. Tabolinovskaia, N.J. Edinak, B.K. Poddubny, T.T. Kondratjeva, G.A. Meerovich, A.A. Stratonnikov, K.G. Linkov, V.V. Agafonov, "Photodynamic therapy of head and neck cancer with different sensitizers," Proceedings of SPIE, Photochemotherapy: Photodynamic Therapy and Other Modalities JZT, 3191, 232-236 (1997).

26. K.G. Linkov, G.L. Kisselev, V.B. Loschenov, "3D visualization of hidden objects with irregular scattering or absorbing properties," Proceedings of SPIE, Laser-Tissue Interaction, Tissue Optics, and Laser WeldingШ, 3195, 298-305 (1998).

27. A.Y. Douplik, V.B. Loschenov, D.V. Klimov, K.G. Linkov, "New method of fluorescence diagnostics, photodynamic preventive maintenance, and treatment of diseases of the periodontium and mucous membrane of mouth, " Proceedings of SPIE, Optical and Imaging Techniques for BiomonitoringШ, 3196, 206-209 (1998).

28. K.G. Linkov, G.L. Kisselev, V.B. Loschenov, "Determination of optical properties of biological tissue in its depth, " Proceedings of SPIE, Optical and Imaging Techniques for Biomonitoring Ш, 3196, 210-217 (1998).

Акты внедрения получены от:

- Московской медицинской академии им. И.М. Сеченова;

- Онкологического научного центра РАМН.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка цитируемой литературы. В первой главе суммируются литературные данные, посвященные аппаратуре и методам диагностики биологических тканей, построенным на оптических принципах:. Во второй главе проведено построение математической модели, описывающей взаимодействие оптического излучения с биологической тканью и рассмотрены результаты компьютерного моделирования процессов стационарного и нестационарного взаимодействия лазерного излучения с биологическими тканями. В

третьей главе приведены результаты разработки оптических, электронных схем и аппаратуры для проведения лазерно-флуоресцентной диагностики in vivo. В четвертой главе описываются результаты экспериментальных исследований по восстановлению изображения и оптических свойств биологической ткани и фантомов. В пятой главе рассмотрено применение разработанных методик и аппаратуры для диагностики и контроля за терапией онкологических заболеваний наружных и внутренних органов человека в условиях клиники.

Содержание диссертации изложено на 131 странице, иллюстрировано 41 рисунком, содержит 2 таблицы. Список цитируемой литературы включает 57 наименований.

ГЛАВА 1. ОПТИЧЕСКАЯ ДИАГНОС