Результат интеллектуальной деятельности: Способ формирования фантомов кровеносных сосудов для эндоскопической оптической когерентной эластографии

Предлагаемое изобретение относится к области научных, медицинских и математических моделей, в частности к способам формирования слоистых фантомов (т.е. физических моделей, имитаторов) кровеносных сосудов, и может быть использовано в медицине и ветеринарии для обучения персонала проведению диагностических измерений на эндоскопических оптических когерентных томографах, в том числе с функцией эластографии, а также в физике для проведения измерений или испытания оптических и акустических приборов.

Медицинские фантомы представляют собой физические модели, специально разработанные для тестирования и отладки систем медицинской визуализации, а также для обучения персонала работе с ними. Широкое использование медицинских фантомов в реальной клинической практике обусловлено отсутствием необходимости подвергать живой субъект риску, высокой воспроизводимостью результатов сканирования, доступностью подобных изделий и возможностью изготовления фантома под конкретную ситуацию.

По патенту US 20100047752 А1, МПК В32В 38/04, В28В 5/00, G09B 23/30, опубл. 25.02.2010 г. известны анатомические и функциональные фантомы мягких биологических тканей и способ их формирования. Способ формирования анатомических и функциональных фантомов мягких биологических тканей включает в себя: размещение моделируемого органа или ткани в контейнере с расплавленным эластомерным материалом, введение множества стержней через стенку контейнера и расплавленный эластомерный материал в моделируемый орган или ткань, затвердевание расплавленного эластомерного материала, удаление моделируемого органа или ткани из контейнера, замену удаленного органа или ткани множеством эластомерных сегментов, цикличное поштучное удаление эластомерных сегментов с заполнением образовавшихся пустот расплавленным поливиниловым спиртом и последующим затвердеванием расплавленного поливинилового спирта, выполняемое до тех пор пока все эластомерные сегменты не будут удалены из контейнера, причем цикличные действия осуществляются таким образом, чтобы сегменты из расплавленного поливинилового спирта склеились друг с другом, формируя тем самым фантом органа или ткани. Известны варианты способа формирования анатомических и функциональных фантомов мягких биологических тканей в которых: фантом органа или ткани посредством использования дополнительного сегмента из поливинилового спирта сформирован полым; фантом органа или ткани содержит внутреннюю сосудистую сеть сформированную после стадии удаления моделируемого органа или ткани из контейнера посредством создания и удаления эластомерных слепков внутренней сосудистой сети моделируемого органа или ткани, формирования негативных отливных форм (обратные модели) из удаленных эластомерных слепков внутренней сосудистой сети, формирования на основе негативных отливных форм пластиковых позитивных форм (прямые модели) и вставки затвердевших пластиковых позитивных форм в контейнер на стадии замены удаленного органа или ткани множеством эластомерных сегментов. Техническим результатом предложенного способа является формирование анатомически и функционально точных фантомов мягких биологических тканей.

Недостатком данного способа является невысокая достоверность физического моделирования реальных биологических объектов или их частей, вызванная тем, что получаемые по данному способу фантомы не обладают оптическими и механическими (упругими) свойствами имитируемых биологических объектов или их частей.

По патенту US 8888498 В2, МПК А61В 5/00, G09B 23/28, G09B 23/30, опубл. 18.11.2014 г. известны многослойные фантомы биологических тканей, способы их изготовления и использования. Способ изготовления многослойных фантомов биологических тканей включает в себя последовательное формирование по меньшей мере двух слоев фантома посредством: осаждения вязкого текучего материала на опорный элемент, его часть или предварительно сформированный слой фантома, избирательного перераспределения вязкого текучего материала в процессе его затвердевания таким образом, чтобы обеспечить нужную толщину формируемого слоя, затвердевания вязкого текучего материала до состояния готовности, причем соседние слои фантома характеризуются по меньшей мере различной толщиной и составом, обеспечивающими заданные оптические и механические свойства, а избирательное перераспределение вязкого текучего материала в процессе его затвердевания организовано посредством контакта с распределительным устройством, находящимся во вращательном движении относительно вязкого текучего материала. Известны варианты способа изготовления многослойных фантомов биологических тканей в которых: распределительное устройство избирательно перераспределяет вязкий текучий материал по всей его глубине или на часть его глубины; вращательное движение распределительного устройства по объему перераспределяемого вязкого текучего материала является неравномерным; вязкий текучий материал не менее чем на 40% состоит из полимерной смолы; вязкий текучий материал содержит силикон и(или) полидиметилсилоксан; оптические и механические свойства слоев фантома задаются посредством концентрации в них сажи, диоксида титана, оксида алюминия в порошкообразных формах; температура вязкого текучего материала в процессе его осаждения регулируется; вязкий текучий материал для более эффективного осаждения вращается относительно своей оси. Техническим результатом предложенного способа является формирование фантомов оптических и механических свойств биологических тканей для нужд оптической когерентной томографии.

Недостатком данного способа является невысокая достоверность физического моделирования реальных биологических объектов или их частей, вызванная тем, что получаемые по данному способу фантомы не позволяют имитировать кровоток в биологических объектах или их частях.

По патенту WO 2011032840 А1, МПК А61В 5/00, А61В 8/08, G09B 23/28, опубл. 24.03.2011 г.) известны биомодальные фантомы живых органов и способ их изготовления. Способ изготовления биомодальных фантомов живых органов включает в себя: заполнение стаканообразного контейнера дистиллированной водой, добавление в дистиллированную воду китайской черной туши (краситель Indian Ink) и порошкообразного поливинилового спирта, магнитное перемешивание дистиллированной воды, китайской черной туши и порошкообразного поливинилового спирта в стаканообразном контейнере с термостатическим регулированием, добавление кварцевой пудры и диоксида титана в стаканообразный контейнер с термостатическим регулированием при продолжающемся магнитном перемешивании, нагревание получившейся смеси при продолжающемся магнитном перемешивании в стаканообразном контейнере с термостатическим регулированием, последующую вакуумную обработку и циклы заморозки-разморозки. Известны варианты способа в которых: количество циклов заморозки-разморозки составляет от одного до десяти, а предпочтительное их количество находится в диапазоне от двух до шести; матриксу фантома (материалу, получившемуся после циклов заморозки-разморозки) с использованием нейлоновых форм придаются контуры имитируемого органа. Техническим результатом предложенного способа является бимодальность получаемых фантомов, т.е. повышение достоверности физического моделирования реальных биологических объектов или их частей за счет имитации не только оптических, но и механических характеристик мягких биологических тканей.

Недостатком данного способа является невысокая достоверность физического моделирования реальных биологических объектов или их частей, вызванная тем, что получаемые по данному способу фантомы не позволяют имитировать кровоток в биологических объектах или их частях.

Ближайшим аналогом (прототипом) разработанного способа является способ изготовления фантомов тканей человека (патент на фантомы тканей человека и способ их изготовления US 20080076099 А1, МПК G09B 23/28, опубл. 27.03.2008 г.) включающий в себя: изготовление формы для литья, повторяющей контур имитируемой ткани человека, заполнение формы для литья двухкомпонентным жидким силиконом (прозрачный двухкомпонентный силиконовый гель) с модулем Юнга в диапазоне от 2 до 30 килопаскаль, формирование в отдельных формах для литья имитаторов патологических тканевых структур из двухкомпонентного жидкого силикона с модулем Юнга в диапазоне от 30 до 600 килопаскаль, добавление в заполненную двухкомпонентным жидким силиконом форму для литья с контуром имитируемой ткани человека этих отдельно сформированных имитаторов патологических тканевых структур, покрытие внешнего контура изготавливаемого фантома защитным слоем, имеющим механические свойства как у защитных оболочек имитируемой ткани. Известны варианты способа изготовления фантомов тканей человека в которых: в качестве используемого на различных этапах формирования фантома двухкомпонентного жидкого силикона применены готовые прозрачные двухкомпонентные силиконовые гели фирмы Wacker Chemie AG (SEMICOSIL 921, SEMICOSIL 745 and SEMICOSIL 934), либо двухкомпонентный жидкий силикон изготавливается самостоятельно, причем механические свойства варьируются путем изменения массовой доли кремния в нем; при формировании в отдельных формах для литья имитаторов патологических тканевых структур из двухкомпонентного жидкого силикона использованы специальные добавки усиливающие контраст имитируемых тканевых структур; в качестве усиливающих контраст имитируемых тканевых структур специальных добавок использованы сухой порошок смешанной с солями муки (фантом для рентгеновской визуализации), парамагнитные соли и хелатирующий агент (фантом для магнитно-резонансной томографии), смесь сахарной пудры и измельченного песка (фантом для ультразвуковой визуализации), люминесцентные красители и органические пигменты (фантом для визуализации в оптическом диапазоне длин волн). Техническим результатом предложенного способа является высокоточное физическое моделирование механических свойств тканей и органов (в первую очередь молочной железы и простаты) человека.

Недостатком данного способа является невысокая достоверность физического моделирования реальных биологических объектов или их частей, вызванная тем, что получаемые по данному способу фантомы не позволяют имитировать кровоток в биологических объектах или их частях.

Технической задачей способа является повышение достоверности физического моделирования реальных биологических объектов или их частей, за счет имитации не только оптических и механических свойств этих биообъектов или их частей, но и кровотока в них.

Поставленная техническая задача достигается тем, что способ формирования фантомов кровеносных сосудов для эндоскопической оптической когерентной эластографии, также как и способ, который является ближайшим аналогом, включает изготовление формы для литья, повторяющей контур имитируемой ткани человека, заполнение формы для литья двухкомпонентным жидким силиконом с модулем Юнга в диапазоне от 2 до 30 килопаскаль, формирование в отдельных формах для литья имитаторов патологических тканевых структур из двухкомпонентного жидкого силикона с модулем Юнга в диапазоне от 30 до 600 килопаскаль, использование специальных добавок для усиления контраста при

формировании имитаторов патологических тканевых структур, добавление в заполненную двухкомпонентным жидким силиконом форму для литья с контуром имитируемой ткани человека отдельно сформированных имитаторов патологических тканевых структур, покрытие внешнего контура изготавливаемого фантома защитным слоем, имеющим механические свойства как у защитных оболочек имитируемой ткани, причем механические свойства используемого при изготовления фантома двухкомпонентного жидкого силикона изменяют путем изменения массовой доли кремния в нем.

Новым в разработанном способе формирования фантомов кровеносных сосудов для эндоскопической оптической когерентной эластографии является то, что скорость затвердевания двухкомпонентного жидкого силикона контролируется изменением температуры, в отдельных формах для литья формируют полые структуры с трехслойными стенками, по форме и размерам соответствующие кровеносным сосудам, проходящим сквозь имитируемую ткань человека, и имеющие диаметр превышающий диаметр зонда эндоскопического оптического когерентного томографа, предварительно сведения о форме и размерах кровеносных сосудов в имитируемой ткани человека получают методом ангиографии, при этом каждая полая структура с трехслойными стенками имеет один проксимальный и, по меньшей мере, один дистальный конец, слои стенок полых структур последовательно от внутреннего к наружному изготавливают из двухкомпонентного жидкого силикона, используя при этом одни и те же специальные добавки, а массовая доля специальных добавок должна соответствовать оптическим свойствам соответствующего слоя имитируемой полой структуры, при этом после затвердевания слои имеют различную толщину, полые структуры с трехслойными стенками после затвердевания двухкомпонентного жидкого силикона добавляют в заполненную двухкомпонентным жидким силиконом форму для литья с контуром имитируемой ткани человека совместно с затвердевшими имитаторами

патологических тканевых структур, таким образом, чтобы геометрическое расположение полых структур с трехслойными стенками в форме для литья соответствовало геометрическому расположению ассоциированных с ними кровеносных сосудов в имитируемой ткани человека, причем сведения о геометрическом расположении этих кровеносных сосудов в имитируемой ткани человека предварительно получают методом ангиографии, проксимальные и дистальные концы полых структур с трехслойными стенками после затвердевания двухкомпонентного жидкого силикона в форме для литья, повторяющей контур имитируемой ткани человека и покрытия внешнего контура затвердевшей структуры защитным слоем, снабжают раздвоенными катетерами, таким образом, чтобы одновременно имелась возможность для прокачивания растворов с оптическими свойствами крови через полые структуры с трехслойными стенками и введения в эти полые структуры зонда эндоскопического оптического когерентного томографа, причем защитный слой также содержит в себе специальные добавки для усиления контраста.

На фиг. 1 в виде блок-схемы проиллюстрирована последовательность действий при формировании фантомов кровеносных сосудов для эндоскопической оптической когерентной эластографии в соответствии с формулой изобретения. Действия, отличающие разработанный способ от прототипа показаны красным цветом.

Рассмотрим формирование (фиг. 1) фантомов кровеносных сосудов для эндоскопической оптической когерентной эластографии на конкретном примере.

С помощью компьютерной или магнитно-резонансной томографии получают сведения о структурах имитируемой ткани человека, затем с использованием компьютерной или магнитно-резонансной ангиографии оценивают форму, размеры и геометрическое (т.е. пространственное) положение кровеносных сосудов в этой ткани. С использованием 3D принтера изготавливают повторяющую контур имитируемой ткани человека

форму для литья. Аналогичным образом изготавливают формы для литья имитаторов патологических тканевых структур и полых структур с трехслойными стенками. Форму повторяющую контур имитируемой ткани человека заполняют двухкомпонентным жидким силиконом с модулем Юнга в диапазоне от 2 до 30 килопаскаль и хранят при пониженной температуре для замедления процесса затвердевания (которое и так будет медленным из-за значительной толщины объекта).

Формы для литья имитаторов патологических тканевых структур заполняют двухкомпонентным жидким силиконом с модулем Юнга в диапазоне от 30 до 600 килопаскаль. Для придания имитаторам патологических тканевых структур характерных оптических свойств в формы вносят некоторое количество специальных добавок, например, мелкодисперсного порошка диоксида титана (рассеивающий агент) и китайской черной туши (поглощающий агент). Для ускорения процесса затвердевания формы для литья имитаторов патологических тканевых структур оставляют при повышенной температуре. Относительно небольшая толщина имитаторов патологических тканевых структур также будет способствовать ускорению процесса затвердевания.

С помощью форм для литья и повышенной температуры внутренний слой (интима) каждой полой структуры с трехслойными стенками изготавливают из двухкомпонентного жидкого силикона смешанного с определенным количеством специальных добавок (массовая доля добавок должна соответствовать оптическим свойствам интимы имитируемого кровеносного сосуда). Средний слой (медиа) каждой полой структуры с трехслойными стенками изготавливают нанося смесь двухкомпонентного жидкого силикона и тех же самых специальных добавок на слой полой структуры, соответствующий интиме. Причем массовая доля специальных добавок и толщина среднего слоя должны отличаться от соответствующих параметров внутреннего слоя. Повышенная температура и небольшая (около миллиметра) толщина способствует быстрому затвердеванию этого слоя.

Наружный слой (адвентиция) каждой полой структуры с трехслойными стенками изготавливают аналогично среднему слою. Этот слой также быстро затвердевает из-за небольшой толщины и повышенной температуры.

Затвердевшие имитаторы патологических тканевых структур и затвердевшие полые структуры с трехслойными стенками добавляют в повторяющую контур имитируемой ткани человека заполненную двухкомпонентным жидким силиконом форму для литья. Причем, полые структуры с трехслойными стенками в форме для литья геометрически располагают так, чтобы они соответствовали геометрическому расположению ассоциированных с ними кровеносных сосудов в имитируемой ткани человека. Аналогичным образом располагают имитаторы патологических тканевых структур. С помощью повышения температуры добиваются полного затвердевания двухкомпонентного жидкого силикона и расположенных в нем структур.

Внешний контур затвердевшей структуры покрывают защитным слоем, имеющим оптические и механические свойства как у защитных оболочек имитируемой ткани. Причем механические свойства используемого при изготовления фантома двухкомпонентного жидкого силикона варьируются путем изменения массовой доли кремния в нем, а оптические свойства варьируются путем изменения массовой доли специальных добавок (в данном примере диоксида титана и китайской черной туши).

Проксимальные и дистальные концы полых структур с трехслойными стенками снабжаются раздвоенными катетерами, таким образом, чтобы одновременно имелась возможность для прокачивания растворов с оптическими свойствами как у крови через полые структуры с трехслойными стенками и введения в эти структуры зонда эндоскопического оптического когерентного томографа (в том числе с функцией эластографии).

Важно отметить, что растворы имитирующие оптические свойства крови не являются частью формируемых фантомов, поэтому их изготовление не описано в формуле изобретения. Однако, для лучшего понимания

конкретного примера, уточняем, что в качестве жидкости с оптическими свойствами крови может быть использован 1% раствор интралипида в воде. Также, формула изобретения не накладывает никаких ограничений на конструкцию зонда эндоскопического оптического когерентного томографа для работы с которым формируется фантом. Уточняется, лишь то, что фантом содержит полые структуры с трехслойными стенками обладающие диаметром превышающим диаметр зонда эндоскопического оптического когерентного томографа. Такое уточнение сугубо связано со сроком возможной эксплуатации фантома. Если диаметр зонда эндоскопического оптического когерентного томографа будет больше диаметра имитируемых сосудов, то фантом будут повреждаться при каждом целевом использовании и быстро станет непригодным для дальнейшей эксплуатации.

Точные названия специальных добавок для имитации оптических свойств биологических тканей не вынесены в формулу изобретения, поскольку многие из них представляют собой коммерческие названия (например, спектральный краситель «Evans Blue» французской фирмы Biochem может быть использован для придания структурам фантома поглощающих свойств). Отметим, что наиболее доступными специальными добавками для варьирования оптических свойств структур фантома являются диоксид титана (рассеивающие свойства), китайская черная тушь и лиофилизированный кофе (поглощающие свойства). Также отметим, что двухкомпонентный жидкий силикон с различной массовой долей кремния позволяет регулировать модуль Юнга моделируемой биологической ткани или ее части, а сахарная пудра и измельченный песок смешанные в различных концентрация (указаны в прототипе как примеры специальных добавок) позволяют регулировать скорость звука, коэффициенты затухания и обратного рассеяния акустического излучения в моделируемой биологической ткани или ее части, что позволяет создавать фантомы для нужд ультразвуковой визуализации. Упругие свойства фантома (модуль Юнга) и способность этого фантома имитировать акустические

характеристики биологических тканей (скорость звука, коэффициенты затухания и обратного рассеяния акустического излучения) не синонимы в контексте предлагаемого способа. Под имитацией механических свойств биологической ткани или ее части по тексту подразумевается имитация ее модуля Юнга.

Наиболее важными отличительными особенностями предложенного способа формирования фантомов кровеносных сосудов для эндоскопической оптической когерентной эластографии являются:

- формирование полых структур с трехслойными стенками по форме и размерам (получены методом ангиографии) соответствующих кровеносным сосудам, проходящим сквозь имитируемую ткань человека;

- добавление полых структур с трехслойными стенками в заполненную двухкомпонентным жидким силиконом форму для литья с контуром имитируемой ткани человека, таким образом, чтобы геометрическое расположение полых структур с трехслойными стенками в форме для литья соответствовало геометрическому расположению (получено методом ангиографии) ассоциированных с ними кровеносных сосудов в имитируемой ткани человека;

- снабжение проксимальных и дистальных концов полых структур с трехслойными стенками раздвоенными катетерами, таким образом, чтобы одновременно имелась возможность для прокачивания растворов с оптическими свойствами крови через полые структуры с трехслойными стенками и введения в эти полые структуры зонда эндоскопического оптического когерентного томографа.

Вышеприведенные отличительные особенности повышают достоверность физического моделирования реальных биологических объектов или их частей, за счет создания возможности имитации кровотока в них.

Другими важными отличительными особенностями предлагаемого способа являются трехслойное строение стенок у каждой полой структуры, и

тот факт, что все три слоя характеризуются различной толщиной и массовой долей специальных добавок. Такой подход к имитированию стенок кровеносных сосудов имеет под собой медицинские основания. Реальные кровеносные сосуды обладают трехслойным строением: адвентиция (наружный слой: соединительная ткань с примесью эластических и мышечных волокон), медиа (средний слой: гладкие мышечные волокна), интима (внутренний слой: плоский эпителий и эластические волокна). Все три слоя стенки кровеносного сосуда имеют разную толщину и состоят из различных типов тканей, а значит обладают различными оптическими и механическими свойствами, что и было реализовано в предлагаемом способе формирования фантомов кровеносных сосудов для эндоскопической оптической когерентной эластографии. Учет медицинских аспектов, связанных со строением реальных кровеносных сосудов повышает достоверность физического моделирования биологических объектов или их частей, в том числе кровотока в них.

Еще одной особенностью предлагаемого способа является контроль над скоростью затвердевания двухкомпонентного жидкого силикона посредством температуры. Такой подход обеспечивает минимальное пространственное смещение имитаторов патологических тканевых структур и полых структур с трехслойными стенками относительно геометрического положения соответствующих структур имитируемой ткани человека, что также повышают достоверность физического моделирования реальных биологических объектов или их частей.

Также следует отметить, что в предлагаемом способе формирования фантомов кровеносных сосудов для эндоскопической оптической когерентной эластографии защитный слой содержит в себе специальные добавки, т.е. этот слой имитирует не только механические, но и оптические свойства защитных оболочек имитируемой ткани. Поскольку глубина визуализации методом оптической когерентной томографии (эндоскопическая оптическая когерентная эластография одна из

разновидностей этого метода) составляет порядка 2.5 миллиметров, исследование покровных, т.е. поверхностных слоев биологических объектов является одним из ключевых направлений использования этого метода медицинской визуализации. Следовательно, фантом сформированный по предложенному способу будет более достоверной физической моделью реального биологического объекта.

В результате, формирование полых структур с трехслойными стенками, по форме и размерам соответствующих проходящим сквозь имитируемую ткань человека кровеносным сосудам, добавление этих структур в заполненную двухкомпонентным жидким силиконом форму для литья с контуром имитируемой ткани человека, таким образом, чтобы геометрическое расположение полых структур с трехслойными стенками в этой форме соответствовало геометрическому расположению ассоциированных с ними кровеносных сосудов в имитируемой ткани человека, снабжение проксимальных и дистальных концов полых структур с трехслойными стенками раздвоенными катетерами, таким образом, чтобы одновременно имелась возможность для прокачивания растворов с оптическими свойствами крови через полые структуры с трехслойными стенками и введения в эти полые структуры зонда эндоскопического оптического когерентного томографа, а также переменная толщина стенок и переменная массовая доля специальных добавок для каждой трехслойной полой структуры повышают достоверность физического моделирования реальных биологических объектов или их частей, за счет имитации не только оптических и механических свойств этих биообъектов или их частей, но и кровотока в них. Контроль над скоростью затвердевания двухкомпонентного жидкого силикона посредством температуры и наличие в защитном слое специальных добавок также способствуют повышению достоверности физического моделирования реальных биологических объектов или их частей. Серия экспериментов со сформированными по предложенному способу фантомами кровеносных сосудов для эндоскопической оптической

когерентной эластографии показала, что эти физические модели позволяют имитировать кровоток в биологических тканях или их частях с достоверностью более 76%, что свидетельствует о выполнении поставленной технической задачи.

Предлагаемый способ формирования фантомов кровеносных сосудов для эндоскопической оптической когерентной эластографии предназначен для изготовления фантомов оптических и механических свойств мягких биологических тканей, а также для имитации потоков крови со сложной гидродинамической структурой внутри этих тканей. Подобные фантомы могут быть использованы для обучения медицинского персонала работе с оптическими и акустическими системами медицинской визуализации, а также для разработки, тестирования и отладки этих и подобных (неразрушающий контроль на оптических и акустических принципах в физике) систем.