НЕИНВАЗИВНАЯ ДИАГНОСТИКА НЕОПУХОЛЕВОЙ ПАТОЛОГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ

Статья в Elpub

Альманах клинической медицины. 2016; 44: 203-212

НЕИНВАЗИВНАЯ ДИАГНОСТИКА НЕОПУХОЛЕВОЙ ПАТОЛОГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ

Меллер А. Е., Мотовилова Т. М., Пантелеева О. Г., Кузнецов С. С., Стройкова К. И., Кондратьева О. А., Кириллин М. Ю., Шахова Н. М.

https://doi.org/10.18786/2072-0505-2016-44-2-203-212

Аннотация

Актуальность. Отличительными чертами со- временных воспалительных заболеваний являются латентное течение и склонность к хронизации. Хроническое воспаление лежит в основе развития тяжелых заболеваний, в том числе аутоиммунных и онкологических, и выступает причиной нарушения основных функций человеческого организма. Диагностика хронических воспалений сопряжена с рядом проблем, которые обусловлены, с одной стороны, многообразием клинических вариантов и морфо- логических форм, а с другой – преобладанием в последнее время латентного течения заболеваний. В свою очередь, правильный выбор тактики лечения может быть основан на пони- мании и четком распознавании этиологических и морфологических типов заболевания. Это определяет актуальность развития новых методов диагностики, одним из которых может стать оптическая когерентная томография (ОКТ). Цель – показать принципиальную возможность ОКТ в распознавании морфологических изменений, сопровождающих хронические воспалительные заболевания различной локализации. Материал и методы. ОКТ-исследование выполнено комплементарно стандартным диагностическим процедурам у 225 пациентов с хроническими воспалительными заболеваниями различной локализации: хроническим рецидивирующим ринитом, хроническим латентным сальпингитом и хроническим эндометритом. Для ОКТ использована установка «ОКТ-1300У» (длина волны излучения 1280 нм, разрешение 15–20 мкм, время получения ОКТ-изображений 8 кадров в секунду, глубина зондирования – 1,4 мм, диаметр зонда 2,4 мм). Использованы методы численной обработки ОКТ-изображений: численная характеризация гистограмм и текстуры ОКТ-изображений с последующим определением значений, характерных для различных групп изображений, соответствующих определенным состояниям биоткани, и нейронная сеть, входными параметрами которой служили гистограммы и двумерные Фурье-образы ОКТ-изображений. Результаты. При ОКТ-лапароскопии получено 3 типа изображений маточных труб с ОКТ- признаками, характерными для нормы и воспаления. Появление неоднородности в структуре ОКТ-изображения свидетельствовало о морфо- логической неоднородности мышечного слоя маточной трубы, что позволяло нам делать заключение о хроническом сальпингите. При ОКТ-гистероскопии нами показано, что ОКТ способна визуализировать патоморфологические особенности хронических эндометритов. Полученные при ОКТ-риноскопии данные дают основание сделать предварительные выводы о возможности детектировать специфические черты различных вариантов хронического ринита. Применение численной обработки ОКТ- изображений позволило повысить диагностическую точность метода и объективизировать его. Заключение. ОКТ способна детектировать морфологические изменения, вызванные хроническим воспалительным процессом. ОКТ-критерии воспалительных процессов достаточно универсальны для разных органов. Продемонстрирована возможность неинвазивной диагностики патоморфологических вариантов заболеваний. Показаны трудности в развитии ОКТ для диагностики неопухолевой патологии и некоторые пути их преодоления, в частности, применение численной обработки изображений. Аргументирована целесообразность дальнейших исследований.

Список литературы

1. Willoughby DA, Giroud JP, Velo GP. Perspectives in inflammation: future trends and developments. Springer Science & Business Media; 2012. 638 p.

2. Angier E, Willington J, Scadding G, Holmes S, Walker S; British Society for Allergy & Clinical Immunology (BSACI) Standards of Care Committee. Management of allergic and non-allergic rhinitis: a primary care summary of the BSACI guideline. Prim Care Respir J. 2010;19(3):217– 22. doi: 10.4104/pcrj.2010.00044.

3. Mølgaard E, Thomsen SF, Lund T, Pedersen L, Nolte H, Backer V. Differences between allergic and nonallergic rhinitis in a large sample of adolescents and adults. Allergy. 2007;62(9):1033– 7. doi: 10.1111/j.1398-9995.2007.01355.x.

4. Астафьева НГ, Удовиченко ЕН, Гамова ИВ, Перфилова ИА, Наумова ОС, Кенесариева ЖМ, Вачугова ЛК, Гапон МС. Аллергические и неаллергические риниты: сравнительная характеристика. Лечащий врач. 2013;(4):10–3. Доступно на: http://www. lvrach.ru/2013/04/15435672/ (Дата обращения 23.11.2015).

5. Quan M, Casale TB, Blaiss MS. Should clinicians routinely determine rhinitis subtype on initial diagnosis and evaluation? A debate among experts. Clin Cornerstone. 2009;9(3):54–60. doi: 10.1016/S1098-3597(09)80014-8.

6. Bousquet J, Khaltaev N, Cruz AA, Denburg J, Fokkens WJ, Togias A, Zuberbier T, Baena-Cagnani CE, Canonica GW, van Weel C, Agache I, Aït-Khaled N, Bachert C, Blaiss MS, Bonini S, Boulet LP, Bousquet PJ, Camargos P, Carlsen KH, Chen Y, Custovic A, Dahl R, Demoly P, Douagui H, Durham SR, van Wijk RG, Kalayci O, Kaliner MA, Kim YY, Kowalski ML, Kuna P, Le LT, Lemiere C, Li J, Lockey RF, Mavale-Manuel S, Meltzer EO, Mohammad Y, Mullol J, Naclerio R, O'Hehir RE, Ohta K, Ouedraogo S, Palkonen S, Papadopoulos N, Passalacqua G, Pawankar R, Popov TA, Rabe KF, Rosado-Pinto J, Scadding GK, Simons FE, Toskala E, Valovirta E, van Cauwenberge P, Wang DY, Wickman M, Yawn BP, Yorgancioglu A, Yusuf OM, Zar H, Annesi-Maesano I, Bateman ED, Ben Kheder A, Boakye DA, Bouchard J, Burney P, Busse WW, Chan-Yeung M, Chavannes NH, Chuchalin A, Dolen WK, Emuzyte R, Grouse L, Humbert M, Jackson C, Johnston SL, Keith PK, Kemp JP, Klossek JM, Larenas-Linnemann D, Lipworth B, Malo JL, Marshall GD, Naspitz C, Nekam K, Niggemann B, Nizankowska-Mogilnicka E, Okamoto Y, Orru MP, Potter P, Price D, Stoloff SW, Vandenplas O, Viegi G, Williams D; World Health Organization; GA(2)LEN; AllerGen. Allergic Rhinitis and its Impact on Asthma (ARIA) 2008 update (in collaboration with the World Health Organization, GA(2)LEN and AllerGen). Allergy. 2008;63 Suppl 86:8–160. doi: 10.1111/j.1398- 9995.2007.01620.x.

7. Gindros G, Kantas I, Balatsouras DG, Kandiloros D, Manthos AK, Kaidoglou A. Mucosal changes in chronic hypertrophic rhinitis after surgical turbinate reduction. Eur Arch Otorhinolaryngol. 2009;266(9):1409–16. doi: 10.1007/s00405-009-0916-9.

8. Ahmadiafshar A, Taghiloo D, Esmailzadeh A, Falakaflaki B. Nasal eosinophilia as a marker for allergic rhinitis: a controlled study of 50 patients. Ear Nose Throat J. 2012;91(3):122–4.

9. Armstrong WB, Ridgway JM, Vokes DE, Guo S, Perez J, Jackson RP, Gu M, Su J, Crumley RL, Shibuya TY, Mahmood U, Chen Z, Wong BJ. Optical coherence tomography of laryngeal cancer. Laryngoscope. 2006;116(7):1107–13. doi: 10.1097/01.mlg.0000217539.27432.5a.

10. Klein AM, Pierce MC, Zeitels SM, Anderson RR, Kobler JB, Shishkov M, de Boer JF. Imaging the human vocal folds in vivo with optical coherence tomography: a preliminary experience. Ann Otol Rhinol Laryngol. 2006;115(4):277–84.

11. Kraft M, Glanz H, von Gerlach S, Wisweh H, Lubatschowski H, Arens C. Clinical value of optical coherence tomography in laryngology. Head Neck. 2008;30(12):1628–35. doi: 10.1002/hed.20914.

12. Ridgway JM, Armstrong WB, Guo S, Mahmood U, Su J, Jackson RP, Shibuya T, Crumley RL, Gu M, Chen Z, Wong BJ. In vivo optical coherence tomography of the human oral cavity and oropharynx. Arch Otolaryngol Head Neck Surg. 2006;132(10):1074–81. doi: 10.1001/archotol.132.10.1074.

13. Mahmood U, Ridgway J, Jackson R, Guo S, Su J, Armstrong W, Shibuya T, Crumley R, Chen Z, Wong B. In vivo optical coherence tomography of the nasal mucosa. Am J Rhinol. 2006;20(2):155–9.

14. Olzowy B, Starke N, Schuldt T, Hüttman G, Lankenau E, Just T. Optical coherence tomography and confocal endomicroscopy for rhinologic pathologies: a pilot study. Proc. SPIE. 2013;8805:880505. doi: 10.1117/12.2033174.

15. Oltmanns U, Palmowski K, Wielpütz M, Kahn N, Baroke E, Eberhardt R, Wege S, Wiebel M, Kreuter M, Herth FJ, Mall MA. Optical coherence tomography detects structural abnormalities of the nasal mucosa in patients with cystic fibrosis. J Cyst Fibros. 2015. pii: S1569-1993(15)00165- 4. doi: 10.1016/j.jcf.2015.07.003.

16. Kamath MS, Bhattacharya S. Demographics of infertility and management of unexplained infertility. Best Pract Res Clin Obstet Gynaecol. 2012;26(6):729–38. doi: 10.1016/j.bpobgyn.2012.08.001.

17. Wiesenfeld HC, Hillier SL, Meyn LA, Amortegui AJ, Sweet RL. Subclinical pelvic inflammatory disease and infertility. Obstet Gynecol. 2012;120(1):37–43. doi: 10.1097/AOG.0b013e- 31825a6bc9.

18. Посисеева ЛВ. Ранние репродуктивные потери: проблемы и решения. Гинекология. 2012;14(6):38–41.

19. Brunham RC, Gottlieb SL, Paavonen J. Pelvic inflammatory disease. N Engl J Med. 2015;372(21):2039–48. doi: 10.1056/NEJMra1411426.

20. Sweet RL, Gibbs RS. Infectious diseases of the female genital tract. Philadelphia, PA: Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams & Wilkins; 2009. 480 р.

21. Gleicher N, Barad D. Unexplained infertility: does it really exist? Hum Reprod. 2006;21(8):1951–5. doi: 10.1093/humrep/ del135.

22. Siristatidis C, Bhattacharya S. Unexplained infertility: does it really exist? Does it matter? Hum Reprod. 2007;22(8):2084–7. doi: 10.1093/ humrep/dem117.

23. Tsuji I, Ami K, Miyazaki A, Hujinami N, Hoshiai H. Benefit of diagnostic laparoscopy for patients with unexplained infertility and normal hysterosalpingography findings. Tohoku J Exp Med. 2009;219(1):39–42. doi: http://doi. org/10.1620/tjem.219.39.

24. Плужникова ТА, Комаров ЕК. Диагностика и лечение хронического эндометрита у женщин с невынашиванием беременности в анамнезе. Проблемы репродукции. 2012;(6): 30–3.

25. Merviel P, Lourdel E, Brzakowski M, Garriot B, Mamy L, Gagneur O, Nasreddine A. Should a laparoscopy be necessary in case of infertility with normal tubes at hysterosalpingography? Gynecol Obstet Fertil. 2011;39(9):504–8. doi: 10.1016/j.gyobfe.2011.07.008.

26. Workowski KA, Berman S; Centers for Disease Control and Prevention (CDC). Sexually transmitted diseases treatment guidelines, 2010. MMWR Recomm Rep. 2010;59(RR-12):1–110.

27. Molander P, Finne P, Sjöberg J, Sellors J, Paavonen J. Observer agreement with laparoscopic diagnosis of pelvic inflammatory disease using photographs. Obstet Gynecol. 2003;101(5 Pt 1):875–80. doi: 10.1016/S0029- 7844(03)00013-9.

28. Ascencio M, Collinet P, Cosson M, Mordon S. The role and value of optical coherence tomography in gynecology. J Gynecol Obstet Biol Reprod (Paris). 2007;36(8):749–55. doi: 10.1016/j.jgyn.2007.07.005.

29. Kirillin M, Panteleeva O, Yunusova E, Donchenko E, Shakhova N. Criteria for pathology recognition in optical coherence tomography of fallopian tubes. J Biomed Opt. 2012;17(8):081413-1. doi: 10.1117/1. JBO.17.8.081413.

30. Trottmann M, Kölle S, Leeb R, Doering D, Reese S, Stief CG, Dulohery K, Leavy M, Kuznetsova J, Homann C, Sroka R. Ex vivo investigations on the potential of optical coherence tomography (OCT) as a diagnostic tool for reproductive medicine in a bovine model. J Biophotonics. 2016;9(1–2):129–37. doi: 10.1002/ jbio.201500009.

31. Пантелеева ОГ, Шахов БЕ, Юнусова КЭ, Кириллин МЮ, Шахова НМ. Оптическая интроскопия – новый метод диагностики в репродуктивной медицине. Вестник рентгенологии и радиологии. 2012;(4):50–5.

32. Meller A, Shakhova M, Rilkin Y, Novozhilov A, Kirillin M, Shakhov A. Optical coherence tomography in diagnosing inflammatory diseases of ENT. Photon Lasers Med. 2014;3(4):323– 30. doi: 10.1515/plm-2014-0025.

33. Kirillin M, Panteleeva O, Agrba P, Pasukhin M, Sergeeva E, Plankina E, Dudenkova V, Gubarkova E, Kiseleva E, Gladkova N, Shakhova N, Vitkin A. Towards advanced OCT clinical applications. Proc. SPIE. 2015;9542:95420I. doi: 10.1117/12.2183794.

34. Vakoc BJ, Fukumura D, Jain RK, Bouma BE. Cancer imaging by optical coherence tomography: preclinical progress and clinical potential. Nat Rev Cancer. 2012;12(5):363–8. doi: 10.1038/nrc3235.

35. Пантелеева ОГ, Кузнецова ИА, Качалина ОВ, Елисеева ДД, Гребенкина ЕВ, Гамаюнов СВ, Кузнецов СС, Юнусова ЕЭ, Губарькова ЕВ, Кириллин МЮ, Шахова НМ. Оптическая когерентная томография как инструмент ре- продуктивной гинекологии. Современные технологии в медицине. 2015;7(1):89–96. doi: 10.17691/stm2015.7.1.12.

36. Корсак ВС, Забелкина ОИ, Исакова ЭВ, Попов ЭН. Диагностика патологии полости матки у больных, страдающих трубно-перитонеальной формой бесплодия. Журнал акушерства и женских болезней. 2005;LIV(3):50–3.

Almanac of Clinical Medicine. 2016; 44: 203-212

NON-INVASIVE DIAGNOSTICS OF NON-TUMOR DISORDERS WITH OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY

Meller A. E., Motovilova T. M., Panteleeva O. G., Kuznetsov S. S., Stroykova K. I., Kondrat'eva O. A., Kirillin M. Yu., Shakhova N. M.

https://doi.org/10.18786/2072-0505-2016-44-2-203-212

Abstract

Introduction: The distinctive features of modern inflammatory diseases are their indolent course and predisposition to chronicity. Chronic inflammation is the basis for the development of serious disorders, including autoimmune and oncologic ones, and a cause of major functional abnormalities of the human body. Diagnostics of chronic inflammation is associated with a number of problems which originate from a variety of clinical phenotypes and morphological forms, on the one hand, and from the rising prevalence of their latent course, on the other. In its turn, an adequate treatment choice may be based on understanding and accurate detection of etiological and morphological types of the disease. In this connection, development of novel diagnostic techniques, such as optical coherence tomography (OCT), is of utmost importance. Aim: To demonstrate feasibility of OCT in detection of morphological abnormalities associated with chronic inflammatory disorders of various localizations. Materials and methods: OCT diagnostics was performed in addition to standard diagnostic procedures in 225 patients with chronic inflammatory disorders of various localizations, such as chronic recurrent rhinitis, chronic latent salpingitis and chronic endometritis. For OCT, an “OCT-1300U” system was used, with central wavelength of 1280 nm, spatial resolution of 15–20 μm, image acquisition rate of 8 frames per second, imaging depth of 1.4 mm and a probe diameter of 2.4 mm. The following techniques of quantitative processing were used for processing of the OCT images. Quantitative characterization of histograms and image texture was performed with further determination of values typical for various images groups corresponding to particular states of biological tissues. Neural network was also employed with histograms and 2D Fourier transforms of the images as input data. Results: OCT laparoscopy allowed to obtain three types of OCT images of fallopian tubes with features typical for healthy and inflammatory states. Presence of heterogeneity in the structure of an OCT image indicated heterogeneity in the muscle layer of the fallopian tube, which allowed for a conclusion on chronic salpingitis. With OCT hysteroscopy we demonstrated the ability of OCT to visualize pathomorphologic features of chronic endometritis. The diagnostic data obtained by OCT-rhinoscopy allowed to draw preliminary conclusions on the OCT ability to detect specific features of various types of chronic rhinitis. Numerical processing of diagnostic OCT images resulted in their higher objectivity and an improvement of diagnostic accuracy of the technique. Conclusion: OCT is able to detect morphological changes induced by a chronic inflammatory process. OCT criteria were shown to be universal for various organs. We demonstrated the possibility of non-invasive diagnostics of pathomorphologic forms of disease, showed some challenges in the development of OCT for diagnostics of non-tumor disorders and ways to overcome them are proposed, in particular, the use of image numerical processing. Further studies seem to be justified.

References

1. Willoughby DA, Giroud JP, Velo GP. Perspectives in inflammation: future trends and developments. Springer Science & Business Media; 2012. 638 p.

4. Astaf'eva NG, Udovichenko EN, Gamova IV, Perfilova IA, Naumova OS, Kenesarieva ZhM, Vachugova LK, Gapon MS. Allergicheskie i neallergicheskie rinity: sravnitel'naya kharakteristika. Lechashchii vrach. 2013;(4):10–3. Dostupno na: http://www. lvrach.ru/2013/04/15435672/ (Data obrashcheniya 23.11.2015).

8. Ahmadiafshar A, Taghiloo D, Esmailzadeh A, Falakaflaki B. Nasal eosinophilia as a marker for allergic rhinitis: a controlled study of 50 patients. Ear Nose Throat J. 2012;91(3):122–4.

11. Kraft M, Glanz H, von Gerlach S, Wisweh H, Lubatschowski H, Arens C. Clinical value of optical coherence tomography in laryngology. Head Neck. 2008;30(12):1628–35. doi: 10.1002/hed.20914.

13. Mahmood U, Ridgway J, Jackson R, Guo S, Su J, Armstrong W, Shibuya T, Crumley R, Chen Z, Wong B. In vivo optical coherence tomography of the nasal mucosa. Am J Rhinol. 2006;20(2):155–9.

16. Kamath MS, Bhattacharya S. Demographics of infertility and management of unexplained infertility. Best Pract Res Clin Obstet Gynaecol. 2012;26(6):729–38. doi: 10.1016/j.bpobgyn.2012.08.001.

17. Wiesenfeld HC, Hillier SL, Meyn LA, Amortegui AJ, Sweet RL. Subclinical pelvic inflammatory disease and infertility. Obstet Gynecol. 2012;120(1):37–43. doi: 10.1097/AOG.0b013e- 31825a6bc9.

18. Posiseeva LV. Rannie reproduktivnye poteri: problemy i resheniya. Ginekologiya. 2012;14(6):38–41.

19. Brunham RC, Gottlieb SL, Paavonen J. Pelvic inflammatory disease. N Engl J Med. 2015;372(21):2039–48. doi: 10.1056/NEJMra1411426.

20. Sweet RL, Gibbs RS. Infectious diseases of the female genital tract. Philadelphia, PA: Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams & Wilkins; 2009. 480 r.

21. Gleicher N, Barad D. Unexplained infertility: does it really exist? Hum Reprod. 2006;21(8):1951–5. doi: 10.1093/humrep/ del135.

22. Siristatidis C, Bhattacharya S. Unexplained infertility: does it really exist? Does it matter? Hum Reprod. 2007;22(8):2084–7. doi: 10.1093/ humrep/dem117.

24. Pluzhnikova TA, Komarov EK. Diagnostika i lechenie khronicheskogo endometrita u zhenshchin s nevynashivaniem beremennosti v anamneze. Problemy reproduktsii. 2012;(6): 30–3.

26. Workowski KA, Berman S; Centers for Disease Control and Prevention (CDC). Sexually transmitted diseases treatment guidelines, 2010. MMWR Recomm Rep. 2010;59(RR-12):1–110.

31. Panteleeva OG, Shakhov BE, Yunusova KE, Kirillin MYu, Shakhova NM. Opticheskaya introskopiya – novyi metod diagnostiki v reproduktivnoi meditsine. Vestnik rentgenologii i radiologii. 2012;(4):50–5.

34. Vakoc BJ, Fukumura D, Jain RK, Bouma BE. Cancer imaging by optical coherence tomography: preclinical progress and clinical potential. Nat Rev Cancer. 2012;12(5):363–8. doi: 10.1038/nrc3235.

35. Panteleeva OG, Kuznetsova IA, Kachalina OV, Eliseeva DD, Grebenkina EV, Gamayunov SV, Kuznetsov SS, Yunusova EE, Gubar'kova EV, Kirillin MYu, Shakhova NM. Opticheskaya kogerentnaya tomografiya kak instrument re- produktivnoi ginekologii. Sovremennye tekhnologii v meditsine. 2015;7(1):89–96. doi: 10.17691/stm2015.7.1.12.

36. Korsak VS, Zabelkina OI, Isakova EV, Popov EN. Diagnostika patologii polosti matki u bol'nykh, stradayushchikh trubno-peritoneal'noi formoi besplodiya. Zhurnal akusherstva i zhenskikh boleznei. 2005;LIV(3):50–3.