Конкурс «био/мол/текст»-2019

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2019.

---

Генеральный спонсор конкурса и партнер номинации «Сколтех» — Центр наук о жизни Сколтеха.

---

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

Спонсором приза зрительских симпатий выступила компания BioVitrum.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Если создать запрос в поисковых системах: «Что такое фантом?», то первые результаты будут связаны с мистикой или фантастическими фильмами, реже встречаются языки программирования, модели самолетов и автомобилей. Но тот фантом, о котором сегодня пойдет речь, нашел свое применение в медицине и с каждым годом занимает более уверенные позиции в клинической практике.

Медицинский фантом — это изделие медицинского назначения, то есть искусственно созданные ткани, органы, конечности, позволяющие имитировать те или иные (механические, оптические, геометрические, биофизические и т.п.) свойства человеческого тела или отдельных его частей для применения в клинической практике.

Как все начиналось? Или история медицинских фантомов

Фантомы — далеко не новое изобретение. Их история развивалась вместе с достижениями в различных областях промышленности. Например, успехи в химической отрасли позволили создавать первые фантомы из пластмассы. Достижения в компьютерных технологиях позволили создавать виртуальные модели. Также некоторые проекты имели военное значение, поэтому финансировались оборонными ведомствами.

По информации, сохранившейся до наших дней, известно, что первый фантом появился во Франции в XVIII веке. Это было устройство для приобретения и последующей отработки акушерских навыков. Автором стала Анжелика дю Кудрэ (1712–1789). Она разработала собственную методику обучения повитух и акушерок, а также выполнила эскизы, по которым был изготовлен первый родовой фантом. Материалами послужили хлопок и кожаные ремни (с их помощью, затягивая или ослабляя, можно было имитировать сложность родов). Плод же имел пальпируемый нос, вышитые глаза, нарисованные волосы и открытый рот с языком (рис. 1).

Последовав примеру Франции, другие индустриальные страны начали уделять внимание подготовке медицинского персонала с помощью фантомов.

Вплоть до XX века медицинские симуляторы использовались лишь в сфере акушерства и гинекологии. Только в середине XX века, благодаря развитию компьютерных технологий, появились «новинки» симуляционного обучения в медицине. В 1965 году был разработан первый робот-пациент SIM One, а затем его усовершенствованная версия Harvey. Фантом воспроизводил симптомы кардиологических заболеваний: имитировал дыхание, пульс, диаметр зрачков, а также реагировал на введение лекарственных средств. Обучающиеся не только могли наблюдать за его «поведением», но и имели возможность отработать на нем навыки сердечно-легочной реанимации.

Появление математических моделей состояний сердечно-сосудистой и дыхательной систем послужило отправной точкой для создания устройства CASE — первого медицинского фантома для анестезиологов [1].

С 80-х годов XX века начинается история тканеимитирующих фантомов. Этому послужило развитие методов диагностирования рака, в частности рака молочной железы в ближнем инфракрасном диапазоне. В 90-е годы фантомы различных тканей использовали для исследований в области спектроскопии и медицинской визуализации биологических объектов [2].

В 2000 году выпустили симулятор VEST (Virtual Endoscopical Surgery Training). Он вобрал в себя все передовые технологии своего времени: это и 3D-визуализация, и механизмы обратной связи, и возможность отработки навыков тактильного и визуального восприятия брюшной полости [1].

Классификация медицинских симуляторов

Александр Суворов говорил: «Теория без практики мертва». Это высказывание точно описывает главное предназначение симуляционного обучения. Современные технологии позволяют добиться высокой степени реалистичности имитируемого объекта для отработки навыков в максимально приближенных к реальности условиях, так как фантомы-тренажеры способны передать тактильное восприятие, реальную подвижность и возможность исследования органов с патологическими изменениями, как и при работе с реальным пациентом.

В 2012 году Российское общество симуляционного обучения в медицине (РОСОМЕД) разработало классификацию симуляционного оборудования по уровням реалистичности (табл. 1). Этот параметр был взят как основополагающий принцип классификации, так как он влияет на цели и результаты учебной работы [1].

Практикующий врач при постановке диагноза опирается не только на свой собственный опыт, но и на результаты медицинской диагностики. В современной медицине скорость развития новых методов визуализации зависит от наличия недорогих, настраиваемых и легко воспроизводимых стандартов биологических тканей, воспроизводящих среду визуализации [3]. К таким объектам относятся тканеимитирующие фантомы, они обеспечивают стандарт для оценки, характеристики или калибровки диагностической системы (рис. 2). Фантом подбирается таким образом, чтобы имитировать свойства и характеристики ткани в определенном спектральном диапазоне длин волн, характерном для того или иного медицинского оборудования (рис. 3) [4]. Дальнейший рассказ этой статьи будет посвящен именно тканеимитирующим фантомам.

Разного рода ткани и их патологии имеют большое количество разнообразных свойств, например: магнитные, акустические, рентгеновские, тепловые и др. Соответственно, под определенное свойство и нужно настраивать медицинскую технику, усиливая или ослабляя способности фантома (пропускать, поглощать и отражать излучение в том или ином диапазоне длин волн) различными добавками для лучшего качества изображения.

Многообразие фантомов для имитации отдельных свойств тканей человека

В данном разделе рассмотрим имитируемые свойства ткани и способ их имитации более подробно:

• Для усиления магнитных свойств фантома используют растворы парамагнитных солей, которые способны намагничиваться при попадании в силовое поле. С их помощью улучшается контрастность изображения, разрешение и точность измерений расстояния и объема [5]. Они используются для калибровки МРТ. В качестве примера, фантом может иметь форму шара, заполняемого водой, с большим количеством маленьких сфер с соляными растворами (рис. 4).
• К акустическим и термоакустическим свойствам биологических тканейотносятся: скорость распространения волн, коэффициент затухания, удельная теплоемкость и теплопроводность. Такие фантомы обычно изготавливают на основе агар-агара с добавлением порошка графита, концентрация которого напрямую влияет на имитируемые свойства [6]. Также для ультразвуковой визуализации фантому нужны добавки в виде сахарной пудры и измельченного песка.
• Для рентгеновской визуализации используют фантомы на основе эпоксидной смолы, полиэтилена или полиуретана, а добавками для усиления контраста имитируемых тканевых структур являются мука, смешанная с солями, или карбонат кальция[7].
• Флуоресценцияслужит помощником врачу-хирургу для визуализации метастазов или первичных опухолей. За счет большой глубины проникновения света около инфракрасной области спектра, распределение люминесцентного красителя визуализируется на глубине до 10 мм под поверхностью ткани. С помощью флуоресцентных фантомов начинающие хирурги способны отработать свои навыки.Также подобные фантомы используются в лабораторной диагностике (люминесцентные микроскопы, спектрофотометры). Основа таких фантомов состоит из желатина или эпоксидной смолы с добавлением диоксида титана и черной эпоксидной пасты для регулировки тканеподобных рассеивающих и поглощающих свойств. А в качестве флуоресцентного красителя используется индоциановый зеленый [8].
• Оптические фантомы — эквиваленты биоткани, то есть калиброванные среды, обладающие близкими к биологическим тканям оптическими свойствами и обеспечивающие сходный характер распространения света [9]. На этом пункте хотелось бы задержаться и рассказать немного подробнее, так как это область моих научных интересов.

Для имитации оптических свойств биологической ткани необходимо знать как минимум значения: показателя преломления (n), коэффициента поглощения (μ_a) и коэффициента рассеяния (μ_s). Приведу пример для нахождения коэффициента рассеяния в биологических тканях: межклеточная жидкость (вещество, окружающее рассеивающие структуры) состоит из воды с растворенными в ней солями и органическими веществами. Показатель преломления этого вещества колеблется в пределах от 1,35 до 1,37. Фибриллы или коллагеновые волокна (рассеивающие структуры) имеют более высокий показатель преломления, который колеблется от 1,4 до 1,47. А различие в показателях преломления межклеточной жидкости и структурных элементов (например коллагеновых волокон) и обусловливает рассеяние света биотканями.

Вышеперечисленные параметры косвенно характеризуют биохимические свойства, морфологию, структурные и функциональные особенности биологической ткани [10].

Оптические фантомы используют для поверки оптического когерентного томографа, оборудования для микроскопии и офтальмологических фундус-камер, а также в методах флуоресцентной диффузионной томографии и оптической диффузионной спектроскопии. Эти методы применяются, в частности, для мониторинга развития опухолевых заболеваний у лабораторных мышей, для определения кислородного статуса опухолей различной локализации как у лабораторных животных, так и у людей, и для оценки эффективности при тестировании фармацевтических противоопухолевых препаратов .

Подробнее о перечисленных методах вы можете прочитать в уже опубликованных статьях на «Биомолекуле»: «Оптическая томография — проблемы и перспективы» [18], «12 методов в картинках: микроскопия» [19], «Миграция энергии плазмонного резонанса: вторая жизнь оптической спектроскопии» [20], «Рулетка для спектроскописта» [21].

Также фантом должен соответствовать определенным требованиям [9]:

• имитировать геометрию и оптические параметры физиологических структур, важных для распространения света;
• компоненты, из которых состоит фантом, должны быть совместимы друг с другом в отношении химической стабильности и спектроскопических свойств;
• физические параметры стандарта должны быть стабильны во времени и независимы от влияния окружающей среды (отсутствие диффузии, испарения и старения);
• приготовление фантомных образцов должно быть безопасным.

Как «приготовить» фантом оптических свойств биоткани?

Ингредиенты

Берем 2 яйца, взбиваем венчиком и добавляем 250 граммов сахарного песка, снова взбиваем до появления пенки... ой, простите, кажется, это был рецепт яблочной шарлотки. А что же касается «приготовления» фантомов...

С этим немного сложнее: первый вопрос, который нужно задать в начале работы с фантомами — «Что конкретно нужно имитировать?». Если ответом на этот вопрос будет «Создание капиллярной структуры для поверки оптического когерентного томографа» или «Создание все той же капиллярной структуры для измерения гемодинамики (скорости движения крови по сосудам) с помощью УЗИ сканера», то для приготовления используется двухкомпонентный силикон (желательно прозрачный, чтобы визуально контролировать эксперимент.) Он состоит из двух частей (компонентов), при смешивании которых силикон способен затвердевать при комнатной температуре. Компонент А — это текучая жидкая часть; компонент B — отвердитель (катализатор). Из силикона наиболее удобно изготавливать фантомы цилиндрической формы, которые могут имитационно смоделировать капилляры, вены и артерии (рис. 5). Отверстие для потока жидкости (крови) внутри такого фантома можно сделать, введя проволоку в процессе создания, а после отверждения удалив. Таким образом сформируется простой динамический фантом, с помощью которого уже можно проводить исследования (рис. 6).

Силикон не требует соблюдения специальных условий хранения и наличия дорогостоящего оборудования. Таким фантомам необходимо придать требуемую форму и оставить на сутки для отверждения на воздухе. Но важно отметить, что время отверждения подсчитывается для конкретной температуры и в реальных условиях может отличаться в бóльшую или меньшую сторону. Главный недостаток силиконовых фантомов состоит в сложности обеспечения равномерного распределения наночастиц в вязком силиконе, что делает невозможным управление оптическими свойствами таких фантомов [4].

Более сложной структурой является тканеимитирующий фантом с заданными оптическими параметрами и геометрией имитируемого объекта (например органа).

Из концепции построения фантомов мы знаем, какие оптические характеристики свойственны для биоткани (лишь напомню: коэффициенты поглощения и рассеяния, показатель преломления). Но возникает следующий вопрос: «Какие ингредиенты нужно использовать, чтобы “приготовить” фантом?»

Жидкими рассеивающими средствами являются интралипид (intralipid) и липозин (по сути то же самое, что интралипид, но от другой компании — Liposyn N (США)) — эти вещества представляют собой жировые эмульсии, содержащие соевое масло, фосфолипиды яйца и глицерин. Основным недостатком данных веществ является то, что они не предусматривают твердое состояние. В качестве рассеивающих средств также применяют: полиакриламидный гель, альбумины, агар-агар, фибрин, эпоксидную смолу, силикон, ПВХ-пластизоль.

Поглощающие среды имитируются с помощью биологических красителей: трипанового синего, голубого красителя Эванса, индоцианинового зеленого, метиленового синего, а также черной китайской туши.

Растворителем обычно являются деионизированная вода и фосфатно-буферные изотонические соляные растворы [4], [9], [11], [12].

Смешав рассеивающие и поглощающие вещества в растворителе, получаем оптический фантом. Следующий шаг в создании — это заполнение форм, которые выполнены с использованием томографических изображений [13].

Методы изготовления

В случае создания фантома методом литья, по результатам КТ- или МРТ-сканирования имитируемого объекта (органа, ткани и т.п.) изготавливают негативные модели, в которые заливается матрикс (основа фантома) и добавляются специальные добавки и красители. Такой подход обеспечивает высокую точность имитации физических свойств ткани (рис. 7) [14].

Многие методы визуализации применяются к сложным структурам, таким как: система кровеносных сосудов, целые органы или части тела (рис. 8). Одним из сложных объектов для воспроизведения является структура легких. Моделирование распространения света в этом органе затрудняется из-за разветвленной структуры границы раздела двух сред (воздуха и ткани) [3].

Решением таких сложных задач является моделирование фантома с помощью 3D-печати. Основные материалы для изготовления подобных фантомов:

1. Акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС-пластик) — ударопрочная и эластичная термопластическая смола, — где в качестве опорного материала при печати сложных геометрических моделей используется ПВА-пластик. Этот материал растворим в воде, что делает его непригодным для создания долговечных изделий, но удобным для создания временных опор.
2. Полидиметилсилоксан (ПДМС) — оптически прозрачный полимер, который можно легко смешивать с рассеивающими и поглощающими частицами (например, диоксидом титана или черной тушью).

Дизайн таких фантомов ограничивается только 3D-печатной частью. Для улучшения качества возможно использование принтеров новых поколений, которые позволяют печатать материалы с различной растворимостью, или лазерного принтера с технологией спекания (Selective Laser Sintering), который не нуждается во вспомогательном материале [3], [15].

Однако стоит отметить, что не всегда можно однозначно делить фантомы на полученные литьём и 3D-печатью. Бывает, что негативная форма для литья печатается 3D-принтером.

Проверить точность соблюдения геометрии готового фантома можно с помощью магнитно-резонансной томографии и компьютерной томографии с высоким разрешением. Оба метода обеспечивают трехмерную проверку внутренних структур.

Проверить оптические свойства фантома можно с использованием программного обеспечения, которое работает на принципах Adding-Doubling. Данный метод предполагает знание свойств отражения и пропускания для одного тонкого слоя ткани, затем эти параметры удваиваются, затем еще раз, и так до желаемой толщины ткани. И таким образом получается, что, зная параметры отражения и пропускания одного слоя и используя этот метод, удастся рассчитать данные параметры конечного продукта [3]. При расхождении оптических параметров фантома с имитирующей средой, например, более чем на 15%, рекомендуется внести изменения в рецепт.

Различные типы заболеваний нуждаются в правильном выборе метода диагностирования, например, для быстрого и эффективного обследования состояния брюшной полости используют ультразвуковое исследование, на теневом рентгене хорошо будут видны травмы костей, а с помощью МРТ возможно достоверно обнаружить опухоли, аневризмы и другие патологии сосудов. Очень долго можно перечислять и другие методы диагностики, но для каждого из них нужен «помощник-фантом» для калибровки и получения навыков при работе с ним, а также чтобы в бесстрессовой обстановке ознакомиться с возможными патологиями исследуемых объектов.

Прогресс в сфере медицинских технологий идет, и с каждым годом появляются более совершенные вещества, которые не только способны улучшить имитируемые параметры, но и сделать использование фантомов коммерчески доступным для широкого применения в клинической практике. Таким образом, специалисты рынка медицинских изделий прогнозируют увеличение продаж на хирургические фантомы и фантомы для рентгеновских систем. Связано это с ростом спроса на минимально инвазивные хирургические процедуры и на использование рентгеновских обследований в качестве основного диагностического метода.

Литература

1. Тимофеев М.Е., Шаповальянц С.Г., Полушкин В.Г., Валиев А.А., Валеев Л.Н., Гайнутдинов Р.Т. и др. (2015). Медицинские симуляторы: история развития, классификация, результаты применения, организация симуляционного образования. «Вестник Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого». 2, 53–59;
2. Логинова Д.А., Сергеева Е.А., Крайнов А.Д., Агрба П.Д., Кириллин М.Ю. (2016). Жидкие оптические фантомы, моделирующие спектральные характеристики биотканей лабораторной мыши. «Квантовая электроника». 6, 528–533;
3. Madeleine S. Durkee, Landon D. Nash, Fatemeh Nooshabadi, Jeffrey D. Cirillo, Duncan J. Maitland, Kristen C. Maitland. (2018). Fabrication and Characterization of Optical Tissue Phantoms Containing Macrostructure. JoVE;
4. Быков А.В., Волков М.В., Волынский М.А., Гуров И.П., Киннунен М., Маргарянц Н.Б., Попов А.П. (2013). Изготовление тканеимитирующих фантомов и капилляров и их исследование методом оптической когерентной томографии. «Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики». 2, 98–103;
5. Meet Phannie, NIST's standard 'phantom' for calibrating MRI machines. (2010). NIST;
6. Oliveira D.P., Junior J.F., Jaime R.A., Basto R.L., Pereira W.C., Kruger M.A., Orlande H.R. (2014). Acoustic and thermal properties in agarose-based phantom with different graphite powder concentration. XXIV Brazilian Congress on Biomedical Engineering. 2083–2086;
7. Yoichi Watanabe, C. Constantinou. (2006) Phantom Materials in Radiology;
8. Uwe J. Netz, Jan Toelsner, Uwe Bindig. (2011). Calibration standards and phantoms for fluorescence optical measurements. Medical Laser Application. 26, 101-108;
9. Тучин В.В. Оптическая биомедицинская диагностика (т. 1). М.: «Физматлит», 2006;
10. Симоненко Г.В. Оптические свойства биологических тканей. Издательство СГУ, 2007;
11. Зимняков Д.А. и Тучин В.В. (2002). Оптическая томография тканей. «Квантовая электроника». 10, 849–867;
12. Brian W. Pogue, Michael S. Patterson. (2006). Review of tissue simulating phantoms for optical spectroscopy, imaging and dosimetry. J. Biomed. Opt.. 11, 041102;
13. Valeria Filippou, Charalampos Tsoumpas. (2018). Recent advances on the development of phantoms using 3D printing for imaging with CT, MRI, PET, SPECT, and ultrasound. Med. Phys.. 45, e740-e760;
14. Венцерова Н.В, Потлов А.Ю, Тымчук Т.М. (2018). Тканеимитирующие фантомы в медицине и биологии. «Виртуальное моделирование, прототипирование и промышленный дизайн». 91–93;
15. Danail Ivanov, Kristina Bliznakova, Ivan Buliev, Peycho Popov, Giovanni Mettivier, et. al.. (2018). Suitability of low density materials for 3D printing of physical breast phantoms. Phys. Med. Biol.. 63, 175020;
16. Haydel L. (2018). Moore 3D prints first full ‘human’ for radiation therapy research. Louisiana State University;
17. Carolin Hildebrandt, Christian Raschner, Kurt Ammer. (2010). An Overview of Recent Application of Medical Infrared Thermography in Sports Medicine in Austria. Sensors. 10, 4700-4715;
18. Оптическая томография: проблемы и перспективы;
19. 12 методов в картинках: микроскопия;
20. Миграция энергии плазмонного резонанса: вторая жизнь оптической спектроскопии;
21. Рулетка для спектроскописта.