«Шапочка» поможет диагностировать инсульт

Учёные из Объединенного института ядерных исследований в Дубне создают прибор, который сможет оптическими методами измерять оксигенацию глубоких тканей организма. Как просветить головной мозг и выявить инсульт на ранних стадиях, рассказывает Александр Селюнин, научный сотрудник Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ.

— Чем ваша разработка отличается от пульсоксиметра, который тоже измеряет насыщенность крови кислородом?

— Пульсоксиметр излучает непрерывный световой поток на определённых длинах волн. Это излучение постоянно освещает ткани, поэтому при достаточно большой интенсивности света мы хорошо видим изменения общей интенсивности сигнала, но не можем судить, как именно распределяется оксигенация по глубине в тканях. Свет, который проникает на большую глубину, имеет очень малую интенсивность, и на фоне большого сигнала, возвращающегося с поверхности в детектор, вклад глубоко прошедшего света оказывается неразличим, поэтому по нему нельзя оценить оксигенацию в более глубоких слоях тканей. Наша же методика также позволяет регистрировать фотоны, проникающие глубоко в ткани, и таким образом оценивать оксигенацию на этих глубинах.

— Почему важно измерять оксигенацию на глубине?

— Есть задачи, где нужно измерять оксигенацию именно по глубинам. Например, в головном мозге, когда необходимо просветить черепную коробку и исследовать приповерхностные слои мозга. Например, гипоксию головного мозга сейчас определяют различными методами: МРТ, КТ, электроэнцефалографией и эхоэнцефалографией. Также используются оптические методы для мониторинга оксигенации коры мозга – спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне. Но все эти методы не портативные, их можно применить только в поликлинике или стационаре.

— А чем отличается ваш новый метод?

— Мы используем две длины волны света: красную (650–670 нм) и около 800-900 нм – ближний-инфракрасный свет. Есть такая особенность: насыщенные и ненасыщенные кислородом ткани по-разному поглощают эти длины волн. Красный свет сильнее поглощается ненасыщенной кислородом тканью, чем ближний инфракрасный свет. И наоборот, в насыщенной кислородом тканью – сильнее поглощается ближний инфракрасный свет, чем красный. Соответственно, если светить этими длинами волн на ткань человека и затем зарегистрировать рассеянный в тканях свет, то можно по разности интенсивностей определить, какой там уровень оксигенации.

— У вас уже есть готовый прибор?

— У нас пока только прототип: мы занимаемся этим всего год. В приборе пока один канал источника света и один канал фотодетектора. Он позволяет измерять время прихода фотонов на фотодетектор. Более того, мы измеряем время прихода только одиночных фотонов, за счёт возможностей фотодетектора и электроники считывания сигнала с него. В качестве источника света используем лазерные диоды. Мы умеем создавать очень короткие световые импульсы с таких лазеров длительностью менее 100 пикосекунд. Такая короткая длительность требуется для высокой точности измерения оксигенации по глубине. Фотодетектор и лазер, располагаются рядом на поверхности исследуемой ткани. Облучая исследуемую ткань импульсом света, мы регистрируем время прихода одиночного фотона после того, как он многократно рассеялся в этой ткани, соответственно прошёл какой-то путь в ней и затем попал в фотодетектор. Чем дольше фотон «путешествует» по ткани, тем глубже он проникает в неё, и тем больше время прихода фотона на детектор. В итоге после регистрации времени прихода фотонов от множества отдельных импульсов света, мы получаем распределение времён прихода фотонов на фотодетектор. В зависимости от насыщенности тканей кислородом по глубине это распределение имеет немного отличающуюся форму. Откуда мы можем оценить оксигенацию в тканях по глубине.

Сборка из фотодетектора (кремниевый фотоумножитель) и источника лазерного излучения (лазерный диод). Фото Андрея Афанасьева.

— Получается, что вы пока не можете померить уровень оксигенации в мозге?

— Пока не можем. Сейчас мы разрабатываем и изучаем аппаратную часть. Исследуем различные типы фотодетекторов, лазеров, временных анализаторов необходимых для работы прототипа. Также изучаем как правильно анализировать, полученные нами данные.

— Сколько потребуется времени, чтобы закончить эту работу и получить готовый прибор?

— Прошлым летом мы выиграли конкурс в нашем институте на проведение разработок. Когда мы подавали заявку, расписывали планы на три года вперед. К концу третьего года мы уже должны выдать результат. В данной деятельности задействованы коллеги не только нашей группы, которая больше занимается аппаратной частью и анализом данных. В коллектив входят также медики и химики из МГУ, которые помогают нам делать оптические фантомы, имитирующие ткани головного мозга человека. На этих фантомах мы первоначально испытываем наш прибор. За последнее время познакомились с коллегами из Сколково и других институтов, которые занимаются похожими задачами, что расширило наши познания в этой сфере.

— Как будет выглядеть прибор, когда вы его доделаете?

— Прототип прибора, который мы разрабатываем, портативный, это корпус-модуль размером немного больше телефона. Будет несколько источников света и несколько фотодетекторов в небольшой сборке, которая соединяется с основным модулем при помощи гибких кабелей. Сейчас наша задача – сделать прибор для головного мозга. Потому что на данном этапе главная цель – это раннее распознавание инсульта, ишемических областей. Но в принципе его можно использовать и для других участков тела.

Мы надеемся, что в конечном счете наш прибор будет использоваться на скорой помощи. В идеале для этого нужно сделать «шапочку», на которой расположено много лазеров и фотодатчиков. Её надевают на пациента, и с таким прибором за несколько минут можно построить карту оксигенации поверхностных слоев головного мозга и увидеть ишемические области. Это будет многоканальная система, но сейчас в первом прототипе мы делаем один канал – один источник и один фотодатчик.

— Есть ли ещё идеи на будущее?

— Сейчас главная идея – создать такую «шапочку». Ещё хотелось бы попробовать использовать эту методику не только для оксигенации головного мозга, но и других тканей. Также есть исследования, где с помощью таких приборов можно изучать другие материалы. Допустим, структуру дерева из-за разной плотности в древесине. Приходишь с таким датчиком, и если сердцевина уже гнилая, фотоны будут по-разному поглощаться. Можно такой датчик приставить к дереву и посмотреть, гнилая ли сердцевина или нет, нужно ли его спилить или пусть оно ещё растет. Есть работы, где исследуют образцы снега. Можно посветить таким датчиком на снег в индустриальной зоне и увидеть уровень его загрязненности, оценить, насколько индустрия загрязняет окружающую природу.

— Есть ли зарубежные аналоги?

— Да, аналоги существуют. Но они недоступны в России из-за высокой стоимости – десятки и сотни тысяч долларов. Наш прибор будет существенно дешевле. За счёт доступности кремниевых фотоумножителей, лазерных диодов и временных анализаторов мы хотим на порядок снизить стоимость прибора.