Роль спектроскопии ближнего ИК диапазона в лечении остеоартрита

Медицинские исследователи, изучающие остеоартрит, рассматривают возможность использования спектроскопии отражения в ближнем инфракрасном диапазоне (NIRS) для определения характеристик костной ткани и улучшения стандартов ухода за артроскопическими операциями. Спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне находит широкое применение в области биомедицинских исследований, включая неинвазивный мониторинг, анализ крови, идентификацию белков и многое другое. Важность ближнего инфракрасного диапазона обоснована тем, что он обеспечивает наилучшее качество измерений спектров отражения с наименьшим рассеянием и поглощением между 650 нм и 1900 нм. Спектральные измерения в ближнем инфракрасном диапазоне являются неинвазивными и неразрушающими, что делает их особенно привлекательными для потенциального развития клинических приложений.

Семейство инструментов NIR Avantes предлагает лучшее сочетание чувствительности и разрешения для медицинских приложений с ближней ИК спектроскопией. Электроника нового поколения обеспечивает низкий уровень шума и предлагает новейшие возможности высокоскоростной связи для быстрой передачи данных при работе in vivo.

Что такое остеоартрит?

Остеоартрит – распространенное дегенеративное заболевание, характеризующееся истощением хрящевой ткани в суставах, вызывающим боль и потерю подвижности. Частая причина остеоартрита – возраст; однако травматическое повреждение может вызвать дегенерацию сустава у людей любого возраста. Прогрессирование остеоартрита можно замедлить, а симптомы контролировать, но нет никакого способа обратить вспять основные причины, приводящие к развитию этого заболевания.

Недавние исследования остеоартрита показали, что изменения субхондральных (под хрящом) костных структур, таких как утолщение субхондральной пластинки, можно выявить до того, как в самом хряще станут заметны поражения или другие симптомы.

Современные стандарты диагностики и лечения остеоартрита основываются на рентгенографической визуализации для выявления уплотнения субхондрального слоя или уменьшения суставной щели, а также на визуальном и тактильном осмотре у артроскопического хирурга. В последние годы достижения в области визуализации и вычислительной мощности привели к повышенному интересу использования ближнего ИК спектра для количественной оценки повреждения суставов и оценки лечения во время артроскопии in-vivo.

Рисунок 1. Поперечный разрез кости

Оценка биомеханических свойств кости внутри живого организма.

В исследовании Университета Восточной Финляндии, опубликованном в июне 2018 года в журнале Nature, изучалась возможность использования спектроскопии ближнего инфракрасного диапазона для характеризации свойств субхондральных костей человека. В то же время искался диапазон длин волн, позволяющий оценить свойства костей человека в клинических условиях.

В этом эксперименте были изучены несколько ключевых параметров целостности костей в образцах, взятых из человеческих трупов, включая толщину субхондральной костной пластинки, минеральную плотность кости и индекс структурной модели с использованием спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне.

Спектральные данные ближнего ИК были собраны с использованием двухканальной системы Avantes, которая объединила спектрометры AvaSpec-ULS2048L-EVO с высокочувствительным AvaSpec-NIR256/512-2.5-HSC-EVO (версия с 256 пикселями). Спектры были собраны в трех диапазонах длин волн, уже идентифицированных по способности проникновения в живую ткань, которые называются биологическим или терапевтическим оптическим окном. Первое окно охватывает диапазон 650-950 нм, второе - 1100-1350 нм, а третье исследованное биологическое окно 1600-1870 нм. Эти данные были сопоставлены с результатами микрокомпьютерной томографии тех же образцов кости с использованием частичной регрессии методом наименьших квадратов.

Эта работа показала, что зависимость проникновения света в костно-хрящевые образцы от длины волны играет важную роль во взаимосвязи между оптическим откликом и свойствами субхондральной кости. Первое оптическое окно λ = 650-950 нм показало самую сильную корреляцию и самый низкий уровень ошибок по сравнению с результатами томографии и продемонстрировало наибольший потенциал для адаптации к стандартам артроскопии.

Рисунок 2. Гонартроз коленного сустава

Разработка клинических приложений для NIRS артроскопии.

Вторая группа исследователей из Утрехтского университета в Нидерландах и Университета Восточной Финляндии в сентябре 2018 года опубликовала в журнале Nature исследование, целью которого было доказать надежность спектроскопии ближнего ИК для одновременной оценки суставного хряща и субхондральной кости внутри живого организма с помощью искусственной нейронной сети (ИНС).

В настоящее время нет количественных артроскопических инструментов для оценки хряща и субхондральной кости. Хирурги-ортопеды используют рентгенографические изображения и субъективную оценку тяжести травмы на основе визуального осмотра и тактильного зондирования с помощью металлического крючка во время артроскопических операций. Хоть и существуют некоторые клинические инструменты для оценки хряща, их использование ограничено практическими проблемами, и в настоящее время не существует клинических инструментов для оценки морфологии субхондральной кости.

С использованием спектрометра AvaSpec-ULS2048XL-EVO сначала были собраны спектральные данные в ближнем инфракрасном диапазоне от пони через 12 месяцев после проведения экспериментальных процедур по восстановлению суставов, а затем собраны образцы от тех же пони для спектральных измерений in vitro. Дополнительные контрольные спектральные данные были собраны in vitro из образцов, взятых у здоровых пони. Эти образцы также прошли оптическую когерентную томографию (ОКТ) для полного анализа морфологии кости, чтобы служить эталоном для прогнозного моделирования с помощью ИНС.

В этом эксперименте были собраны спектры в широком диапазоне длин волн, охватывающим область от 450 до 2500 нм, но длины волн более 1900 нм гасились из-за высоких поглощающих свойств воды. Кроме того, в видимом диапазоне между 450 и 750 нм наблюдалась интерференция от обычного артроскопического света и, следовательно, он использовался только для ориентации и позиционирования зонда и был исключен из моделирования. Диапазон длин волн от 750 до 1900 нм, который охватывает почти все три терапевтических оптических окна, был определен как оптимальный диапазон для прогнозирования биомеханических свойств хряща, включая толщину субхондральной костной пластинки, объемную долю и минеральную плотность кости.

Результаты частичного анализа методом наименьших квадратов позволили создать модель прогнозирования, способную выявлять параметры целостности кости с точностью до 95%. Измерения in vitro показали количество ошибок меньше прогнозируемого, что неудивительно, вероятно, из-за присущих им сложностей в достижении оптимального размещения зонда при выполнении артроскопии. Также было меньше ошибок при анализе биомеханических свойств хряща по сравнению с анализом субхондральной кости из-за глубины ткани. Тем не менее, исследователи пришли к выводу, что спектроскопия ближнего ИК способна одновременно охарактеризовать целостность суставного хряща и субхондральной кости у людей, с потенциалом расширения традиционных методов артроскопии при клинической оценке дефектных суставов.

Рисунок 3. Характеристика свойств субхондральной кости человека с помощью спектроскопии в ближней ИК.

Свет: медицина будущего.

В медицине свет используется для наблюдения за состоянием здоровья, проведения диагностических тестов, помощи в лечении хронических ран, а также для обнаружения и борьбы с раком, и каждый день делаются новые открытия, продвигающие медицинскую науку.

Считается, что инструменты Avantes обеспечивают этим исследователям идеальный баланс между высоким разрешением и чувствительностью, а также имеют модульную конструкцию, идеально подходящую для настройки многоканальных систем. Мы обладаем 25-летний опытом работы рука об руку с исследователями и производителями медицинских и фармацевтических решений, разрабатывая системы и компоненты, которые год за годом приносят невероятные результаты.

© Avantes

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Avantes на территории РФ