Прибор для широкополосной оптической диффузионной спектроскопии с самокалибрующимся оптоволоконным щупом

Оптическая диффузионная спектроскопия (ОДС) основана на зондировании биологических тканей широкополосным оптическим излучением и регистрации обратно рассеянного тканью света. Поскольку основные хромофоры ткани (оксигенированный и деоксигенированный гемоглобин, вода, липиды, меланин и др.) обладают уникальными спектрами поглощения, их концентрации можно восстановить, анализируя спектр ослабления (экстинкции) света в ткани путём решения обратной математической задачи ОДС. Концентрации хромофоров, полученные методом ОДС, позволяют судить о физиологическом статусе тканей, что важно для целого ряда клинических приложений, например, в онкологии, трансплантологии, дерматологии и др.

Разработанный в Институте прикладной физики РАН прибор обладает двумя особенностями: во-первых, он позволяет проводить измерения в широком диапазоне (460–1030 нм), во-вторых, в нём реализован метод самокалибровки. Широкий спектральный диапазон позволяет оценить концентрации большего количества хромофоров, пики поглощения которых находятся в разных спектральных диапазонах. Так, например, поглощение меланина растёт с уменьшением длины волны, а пик поглощения воды находится, наоборот, в ближней инфракрасной области спектра (975 нм). Кроме того, видимый диапазон длин волн (500–600 нм) позволяет измерить степень оксигенации и кровенаполнения в верхних тканевых слоях, в то время как использование ближнего инфракрасного диапазона (700–900 нм) позволяет оценить эти величины на гораздо больших глубинах.

Точность восстановления концентраций хромофоров зависит, в частности, от точности проводимых измерений. Реализуемый в данном приборе метод самокалибровки позволяет исключить влияние всех аппаратных функций прибора, таких как переходные характеристики оптических волокон, чувствительность спектрометра, спектральная яркость источника и др. Кроме того, этот метод позволяет существенно уменьшить влияние поверхностных оптических неоднородностей, которые всегда присутствуют в биотканях и сказываются на результатах измерений ОДС.

Совместно с сотрудниками Ожогового центра Приволжского исследовательского медицинского университета разработанный прибор был апробирован на экспериментальных животных для исследования приживаемости кожных трансплантатов. Аллотрансплантаты кожи, применяемые при обширных поражениях, используются в качестве временного раневого покрытия, и для врачей важно не допустить отторжения донорской кожи. Однако на данный момент не существует надёжного метода предсказания отторжения аллографта. Разработанный прибор позволяет неинвазивно мониторировать физиологическое состояние кожного трансплантата (степень оксигенации и кровенаполнения поверхностных и глубинных тканевых слоёв, оценивать отёк по концентрации воды), что позволяет судить о ранних признаках отторжения.

Схема и фотография разработанного прибора для ОДС

Исследование выполнено в рамках реализации Программы «Центр фотоники» (соглашение с Минобрнауки № 075-15-2022-316)

Авторский коллектив:

  • ИПФ РАН – Кириллин М.Ю., Костюк А.Б., Куракина Д.А., Орлова А.Г., Перекатова В.В., Сергеева Е.А., Турчин И.В, Хилов А.В;
  • ПИМУ (исследования на животных) – Бесчастнов В.В., Перетягин П.В., Рябков М.Г.

Статьи:

  1. Perekatova, V.; Kostyuk, A.; Kirillin, M.; Sergeeva, E.; Kurakina, D.; Shemagina, O.; Orlova, A.; Khilov, A.; and Turchin, I. VIS-NIR Diffuse Reflectance Spectroscopy System with Self-Calibrating Fiber-Optic Probe // Study of Perturbation Resistance. Diagnostics 2023, 13, 457.
  2. Turchin, I.; Beschastnov, V.; Peretyagin, P.; Perekatova, V.; Kostyuk, A.; Orlova, A.; Koloshein, N.; Khilov, A.; Sergeeva, E.; Kirillin, M.; and Ryabkov, M. Multimodal Optical Monitoring of Auto- and Allografts of Skin on a Burn Wound // Biomedicines 2023, 11, 351.