Позиционно-силовой контроль при идентификации тканевых структур спектрофотометрическим методом

Обложка


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Обоснование. Спектрофотометрия с временным разрешением обеспечивает контактное зондирование биологических тканей на глубину от двух миллиметров до нескольких сантиметров с пространственным разрешением от одного до пяти миллиметров. При этом осуществляется количественная оценка оптических показателей, концентраций основных хромофоров, идентификация типа ткани и включений в объёме, что актуально для интраоперационной диагностики [1–3]. Изменчивость оптических свойств при сдавливании зондом определяет необходимость силового контроля прижатия, что, как и позиционирование, используется в роботизированной хирургии и диагностике [4–11], где перспективна реализация сочетанного механического и спектрофотометрического подхода. Однако требуются дополнительные исследования, касающиеся настройки спектрофотометра, разработки тест-объектов, определения возможностей спектрофотометрии с позиционно-силовым контролем для идентификации тканей и включений.

Цель — разработка подходов к активному позиционно-силовому контролю для исследования функциональных возможностей спектрофотометрии в идентификации тканевых структур.

Материалы и методы. Подготовлен экспериментальный стенд на основе двухволнового спектрофотометра с частотным подходом OxiplexTS (ISS Inc., США) с возможностью позиционного контроля оптического зонда с помощью роботизированного мини-манипулятора (U-Arm, Китай). Разработано программное обеспечение для регистрации силы прижатия изготовленного зонда в индивидуальной насадке для манипулятора. Предложен алгоритм обработки экспериментальных данных для оценки биомеханических, оптических и физиологических параметров ткани. В тестовом экспериментальном исследовании принимал участие один здоровый испытуемый. Измерения проводились на тыльной и внутренней поверхностях предплечья и на гипотенаре ладони.

Результаты. Данные сила–перемещение позволяют количественно оценивать упругие свойства исследуемой биологической ткани. Одномоментно регистрируемые, в динамике прижатия зонда, оптические показатели, концентрации фракций гемоглобина в единице исследуемого объёма и тканевая сатурация позволяют оценить микроциркуляторный кровоток, выявить наличие и тип крупных сосудов. Применяемые для настройки спектрофотометра стандартные силиконовые тест-объекты не соответствуют биотканям по механическим свойствам, что при малых габаритах оптического зонда вносит дополнительную неопределённость в количественные оценки свойств тканей.

Заключение. Добавление активного силового контроля и автоматизированного позиционирования оптического зонда при спектрофотометрии позволяет увеличить её функциональные возможности для идентификации тканевых структур, расширить её области применения в роботизированной пред-, интра- и постоперационной диагностике. Для дальнейших исследований большего количества тканей, тканевых структур и имитирующих их разрабатываемых тест-объектов требуется усовершенствование экспериментального стенда: увеличение чувствительности датчика силы, плавности и дискретности хода при позиционировании, например, заменой мини-манипулятора коллаборативным роботом. Улучшение программной части предполагает реализацию синхронизации с OxiplexTS через его интерфейсный модуль ввода, написание программы для автоматического сканирования поверхности.

Полный текст

Обоснование. Спектрофотометрия с временным разрешением обеспечивает контактное зондирование биологических тканей на глубину от двух миллиметров до нескольких сантиметров с пространственным разрешением от одного до пяти миллиметров. При этом осуществляется количественная оценка оптических показателей, концентраций основных хромофоров, идентификация типа ткани и включений в объёме, что актуально для интраоперационной диагностики [1–3]. Изменчивость оптических свойств при сдавливании зондом определяет необходимость силового контроля прижатия, что, как и позиционирование, используется в роботизированной хирургии и диагностике [4–11], где перспективна реализация сочетанного механического и спектрофотометрического подхода. Однако требуются дополнительные исследования, касающиеся настройки спектрофотометра, разработки тест-объектов, определения возможностей спектрофотометрии с позиционно-силовым контролем для идентификации тканей и включений.

Цель — разработка подходов к активному позиционно-силовому контролю для исследования функциональных возможностей спектрофотометрии в идентификации тканевых структур.

Материалы и методы. Подготовлен экспериментальный стенд на основе двухволнового спектрофотометра с частотным подходом OxiplexTS (ISS Inc., США) с возможностью позиционного контроля оптического зонда с помощью роботизированного мини-манипулятора (U-Arm, Китай). Разработано программное обеспечение для регистрации силы прижатия изготовленного зонда в индивидуальной насадке для манипулятора. Предложен алгоритм обработки экспериментальных данных для оценки биомеханических, оптических и физиологических параметров ткани. В тестовом экспериментальном исследовании принимал участие один здоровый испытуемый. Измерения проводились на тыльной и внутренней поверхностях предплечья и на гипотенаре ладони.

Результаты. Данные сила–перемещение позволяют количественно оценивать упругие свойства исследуемой биологической ткани. Одномоментно регистрируемые, в динамике прижатия зонда, оптические показатели, концентрации фракций гемоглобина в единице исследуемого объёма и тканевая сатурация позволяют оценить микроциркуляторный кровоток, выявить наличие и тип крупных сосудов. Применяемые для настройки спектрофотометра стандартные силиконовые тест-объекты не соответствуют биотканям по механическим свойствам, что при малых габаритах оптического зонда вносит дополнительную неопределённость в количественные оценки свойств тканей.

Заключение. Добавление активного силового контроля и автоматизированного позиционирования оптического зонда при спектрофотометрии позволяет увеличить её функциональные возможности для идентификации тканевых структур, расширить её области применения в роботизированной пред-, интра- и постоперационной диагностике. Для дальнейших исследований большего количества тканей, тканевых структур и имитирующих их разрабатываемых тест-объектов требуется усовершенствование экспериментального стенда: увеличение чувствительности датчика силы, плавности и дискретности хода при позиционировании, например, заменой мини-манипулятора коллаборативным роботом. Улучшение программной части предполагает реализацию синхронизации с OxiplexTS через его интерфейсный модуль ввода, написание программы для автоматического сканирования поверхности.

×

Об авторах

Мария Николаевна Бельшева

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: belsheva.masha@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3809-6397
Россия, Москва

Анастасия Викторовна Гусева

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

Email: anastas_g01@mail.ru
ORCID iD: 0009-0006-1787-4726
Россия, Москва

Фёдор Александрович Коледа

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

Email: fkoleda@bk.ru
ORCID iD: 0009-0000-1742-2355
Россия, Москва

Полина Валерьевна Мурлина

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

Email: pmurlina@mail.ru
ORCID iD: 0009-0004-3111-2379
Россия, Москва

Лариса Петровна Сафонова

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

Email: larisa.safonova@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6607-7359
SPIN-код: 3522-7990
Россия, Москва

Список литературы

  1. Fantini S., Sassaroli A. Frequency-domain techniques for cerebral and functional near-infrared spectroscopy // Frontiers in neuroscience. 2020. Vol. 14. P. 300. doi: 10.3389/fnins. 2020.00300
  2. Barstow T.J. Understanding near infrared spectroscopy and its application to skeletal muscle research // Journal of Applied Physiology. 2019. Vol. 126, N 5. P. 1360–1376. doi: 10.1152/japplphysiol.00166. 2018
  3. Safonova L.P., Orlova V.G., Shkarubo A.N. Investigation of Neurovascular Structures Using Phase-Modulation Spectrophotometry // Optics and Spectroscopy. 2019. Vol. 126. P. 745–757. doi: 10.1134/S0030400X19060201
  4. Zhang X.U., Faber D.J., van Leeuwen T.G., Sterenborg H.J.C.M. Effect of probe pressure on skin tissue optical properties measurement using multi-diameter single fiber reflectance spectroscopy // Journal of Physics: Photonics. 2020. Vol. 2, N 3. P. 034008. doi: 10.1088/2515-7647/ab9071
  5. Abookasis D., Malchi D., Robinson D., Yassin M. Pressure estimation via measurement of reduced light scattering coefficient by oblique laser incident reflectometry // Journal of Laser Applications. 2024. Vol. 36, N 1. doi: 10.2351/7.0001263
  6. Bregar M., Bürmen M., Aljancic U., et al. Contact pressure-aided spectroscopy // Journal of biomedical optics. 2014. Vol. 19, N 2. P. 020501. doi: 10.1117/1.JBO.19.2.020501
  7. Cugmas B., Bregar M., Bürmen M., Pernuš F., Likar B. Impact of contact pressure–induced spectral changes on soft-tissue classification in diffuse reflectance spectroscopy: problems and solutions // Journal of biomedical optics. 2014. Vol. 19, N 3. P. 037002. doi: 10.1117/1.JBO.19.3.037002
  8. Cugmas B., Bürmen M., Bregar M., Pernuš F., Likar B. Pressure-induced near infrared spectra response as a valuable source of information for soft tissue classification // Journal of biomedical optics. 2013. Vol. 18, N 4. P. 047002. doi: 10.1117/1.JBO.18.4.047002
  9. Cheng X., Xu X. Study of the pressure effect in near-infrared spectroscopy // Optical Tomography and Spectroscopy of Tissue V // SPIE. 2003. Vol. 4955. P. 397–406. doi: 10.1117/12.476783
  10. Ahmed I., Ali M., Butt H. Investigating the Influence of Probe Pressure on Human Skin Using Diffusive Reflection Spectroscopy // Micromachines. 2023. Vol. 14, N 10. P. 1955. doi: 10.3390/mi14101955
  11. Патент РФ на изобретение № 2758868/ 02.11.2021. Бюл. № 31. Сафонова Л.П., Шкарубо А.Н., Беликов Н.В., Федоренко В.И., Колпаков А.В. Система для интраоперационного обнаружения и распознавания нейроваскулярных структур в объёме биологической ткани. EDN: KQMGQM

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Эко-вектор, 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 79539 от 09 ноября 2020 г.