142. МЕТОДЫ МЕДИЦИНСКОМ ДИАГНОСТИКИ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПТИЧЕСКОГО
ПРОСВЕТЛЕНИЯ МОЗГА EX VIVO С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ
Д.К. Тучина,12 А.Н. Башкатов,1'2 Н.А. Наволокин,3 В.В.Тучин1,2,4 Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
^Национальный исследовательский Томский государственный университет Саратовский государственный медицинский университет имени В.И. Разумовского 4Институт проблем точной механики и управления РАН, г. Саратов E-mail: [email protected]
Аннотация: В настоящей работе представлены результаты сравнения эффективности и скорости оптического просветления головного мозга ex vivo при применении водного 60%-раствора сахарозы и водного 60%-раствора глицерина. Экспериментальные исследования проводились с применением оптической когерентной томографии на длине волны 930 нм. Томограммы мозга записывались до и во время оптического просветления, после чего были получены временные зависимости коэффициента ослабления света в образцах и произведена количественная оценка эффективности оптического просветления.
Ключевые слова: оптическая когерентная томография, мозг, оптическое просветление, сахароза, коэффициент ослабления, коэффициент диффузии.
Головной мозг является наиболее важным органом, обеспечивающим работоспособность всех систем организма. Главной задачей при любых вмешательствах в нервную систему является сохранение его целостности и работоспособности, однако при возникновении необходимости подавления развития патологических факторов требуется наиболее эффективно воздействовать на пораженную область.
Оптические методы имеют большие перспективы в диагностике и терапии в том числе и заболеваний головного мозга в силу их неинвазивности и высокого качества получаемых результатов [1-9]. Однако, для некоторых оптических методов получение информации из внутренних глубокозалегающих слоев биотканей довольно затруднительно из-за сильного светорассения тканей, которое возможно снизить при помощи применения оптического просветления. При воздействии на ткань нетоксичными гиперосмотическими растворами рассеяние в ткани снижается за счет временной частичной дегидратации ткани и диффузии в нее молекул раствора [1, 10].
Исследования выполнялись на образцах мозга белых лабораторных крыс породы Wistar. Оптические измерения проводились на оптическом
когерентном томографе (ОКТ) Spectral Radar OCT System OCP930SR 022 («Thorlabs Inc.», США) с рабочей длиной волны 930 нм (ширина спектральной полосы составляет 100 нм, выходная мощность - 2 мВт, оптическая глубина сканирования прозрачного стекла - 1.6 мм, разрешение системы по глубине - 6.2 мкм на воздухе).
В качестве оптического просветляющего агента использовался водный 60%-раствор сахарозы. Показатель преломления раствора был измерен на длине волны 930 нм с использованием рефрактометра Аббе DR-M2/1550 («Atago», Япония).
ОКТ-томограммы мозга ex vivo регистрировались до нанесения раствора на исследуемую область, а затем каждые 5 минут во время действия раствора после его нанесения на поверхность образца в течение 45 минут.
Из записанных томограмм (рис. 1) производился анализ кинетики изменения коэффициента ослабления света в мозге и рассчитывалась эффективность оптического просветления мозга ex vivo с использованием алгоритма, представленного в предыдущих работах [11], в пределах слоя образца толщиной 900 мкм. По временным зависимостям коэффициента ослабления излучения в мозге вычислялись скорость оптического просветления D и проницаемость мозга P [12]. Также произведена оценка параметров при оптическом просветлении образцов мозга водным 60%-раствором глицерина, результаты которого представлены в предыдущей публикации [11].
На рисунке 1 представлены томограммы мозга, записанные во время оптического просветления 60%-раствором сахарозы. После нанесения раствора сахарозы на образец мозга, становятся видны более глубокие слои образца.
а б в г
Рис. 1. Томограммы мозга крысы ex vivo, записанные до (а) и через 5 (б), 30 (в) и 40 (г) минут после нанесения водного 60%-раствора сахарозы на поверхность образца
На рисунке 2 приведен график зависимости коэффициента ослабления света в мозге ex vivo от времени действия водного 60%-раствора сахарозы. Видно снижение коэффициента ослабления света в мозге с первых минут действия раствора на мозг.
Рис. 2. Зависимость коэффициента ослабления света в мозге ex vivo от времени действия на него водного 60%-раствора сахарозы
В таблице 1 сведены параметры, рассчитанные из томограмм, полученных при оптическом просветлении образцов мозга водным 60%-раствором сахарозы и водным 60%-раствором глицерина.
Таблица 1
Значения показателя преломления растворов (n), максимальной степени (A), характеристического времени (т) и эффективности (OCf оптического просветления мозга при применении водного 60%-раствора сахарозы и водного 60%-раствора глицерина, а также значения скорости оптического просветления
мозга ex vivo и проницаемости мозга для растворов
60%-раствор сахарозы 60%-раствор глицерина
n 1.4071 1.4048
A 0.47±0.01 0.35±0.03
T, мин 10±1 13±3
OCeff, % 66±7 42±3 [11]
D, см /сек (1.38±0.14)х10-6 (5.15±0.50)х10-/
P, см/сек (2.00±0.15)х10-5 (5.72±0.55)х10-6
Анализируя результаты, полученные при оптическом просветлении мозга крысы ex vivo с использованием водного 60%-раствора глицерина и водного 60%-раствора сахарозы, можно сделать вывод, что раствор сахарозы вызывает более эффективное и быстрое оптическое просветление головного мозга.
Работа выполнена при финансовой поддержке Президента РФ (№СП-3507.2018.4), РФФИ (грант №18-52-16025).
Библиографический список
1. Oliveira L. M. C., Tuchin V. V. The Optical Clearing Method: A New Tool for Clinical Practice and Biomedical Engineering. // Springer. 2019. 177 p.
2. Ning K., Zhang X., Gao X., Jiang T., Wang H., Chen S., Wang H., Chen C., Li A., Yuan J. Deep-learning-based whole-brain imaging at single-neuron resolution // Biomedical Optics Express. 2020. V.11. №7. P. 3567-3584.
3. Hamdy O., Mohammed H. S. Investigating the transmission profiles of 808 nm laser through different regions of the rat's head // Lasers in Medical Science. 2020. P. 1-8.
31
4. Sokolovski S.G., Zolotovskaya S.A., Goltsov A., Pourreyron C., South A.P., RafailovE.U. Infrared laser pulse triggers increased singlet oxygen production in tumour cells // Scientific Reports. 2013. V. 3. P. 3484-7.
5. Salehpour F., Cassano P., Rouhi N., Hamblin M. R., De Taboada L., Farajdokht F., Mahmoudi J. Penetration profiles of visible and near-infrared lasers and light-emitting diode light through the head tissues in animal and human species: a review of literature // Photobiomodulation, photomedicine, and laser surgery. 2019. V. 37. № 10. P. 581-595.
6. Min E., Ban S., Wang Y., Bae S.C., Popescu G., Best-Popescu C., Jung W. Measurement of multispectral scattering properties in mouse brain tissue // Biomed. Opt. Express. 2017. V. 8. №3. P. 1763-1770.
7. Tang W., Boateng D., Cheng P., Zhou Q., Wei X., He H. Investigation on the optimal wavelength for two-photon microscopy in brain tissue // AIP Advances. 2018. V.8. №6. P. 065019.
8. Wang H., Magnain C., Sakadzic S., Fischl B., Boas D. A. Characterizing the optical properties of human brain tissue with high numerical aperture optical coherence tomography // Biomed. Opt. Express. 2017. V.8. №12. P. 5617-5636.
9. Genina E.A., Bashkatov A.N., Tuchina D.K., Dyachenko P.A., Navolokin N.A., Shirokov A., Khorovodov A., Terskov A., Klimova M., Mamedova A., Blokhina I., Agranovich I., Zinchenko E., Semyachkina-Glushkovskaya O.V., Tuchin V.V. Optical properties of brain tissuess at the different stages of glioma development in rats: pilot study // Biomed. Opt. Express. 2019. V. 10. №10. P. 5182-5197.
10. Zhu X., Huang L., Zheng Y., Song Y., Xu Q., Wang J., Sia K., Duana S., Gong W. Ultrafast optical clearing method for three-dimensional imaging with cellular resolution // Proc. of the National Academy of Sciences. 2019. V. 116. №23. P. 11480-11489.
11. Тучина Д.К., Башкатов А.Н., Наволокин Н.А., Тучин В.В. Увеличение глубины проникновения света длиной волны 930 нм в головной мозг ex vivo с помощью метода оптического просветления // Материалы ежегодной Всероссийской научной школы-семинара «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине». - Саратов: Изд-во Саратовский источник, 2018. С. 176-179.
12. Tuchin V. V. Optical Clearing of Tissues and Blood. // PM 154, SPIE Press. Bellingham. WA. 2006. 256 p.
ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКИХ-УПРУГИХ ХАРАКТЕРИСТИК ФАНТОМОВ
БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ И ЖИДКОСТЕЙ МЕТОДОМ КАМЕРТОНА И МЕТОДОМ ЭЛАСТОГРАФИИ СДВИГОВОЙ
ВОЛНЫ
А.В. Иванова, А.Е. Спивак, И.Ю. Демин Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского E-mail: [email protected]
Аннотация: Представлены результаты измерения вязко-упругих характеристик фантомов биологических тканей и жидкостей методом камертона и методом эластографии сдвиговой волны. Проведено сопоставление результатов измерения вязко-упругих характеристик на акустической системе Verasonics и УЗИ экспертного класса Supersonic Aixplorer с использованием технологии Supersonic Shear Imaging (SSI).
Ключевые слова: вязко-упругие характеристики мягких биологических тканей, камертон, эластография сдвиговой волной.
