Учёные ИПФ РАН создали новую модель нелинейной упругости биотканей и применили её вместе с врачами для высокочувствительной диагностики онкологических заболеваний по отличиям их упругих характеристик от ткани в норме. Важно, что этот подход основывается на физических параметрах, а не на обычных феноменологических моделях биомеханических свойств тканей.
Упругие свойства здоровых и больных тканей различны. Например, при сжатии ткань по-разному «набирает» жесткость. Визуализировать и количественно характеризовать отличающиеся по жесткости области ткани помогают методы, такие как ультразвуковая эластография или метод эластографии на основе оптической когерентной томографии (ОКТ). Эти методы позволяют оценить жесткостные свойства биотканей, прикладывая к ним механическое нагружение и анализируя вызванные им деформации. Предполагалось, что деформация ткани линейно пропорциональна приложенной нагрузке: чем выше нагрузка, тем больше деформируется ткань. Коэффициентом пропорциональности является модуль упругости (модуль Юнга), который характеризует способность ткани поддерживать свою форму при нагружении, то есть ее жесткость.
Развитие ОКТ-эластографии показало, что большинство биотканей ведут себя механически нелинейно. Например, деформация ткани опухоли на несколько процентов может приводить к изменению ее упругого модуля в разы. Такое нелинейно-упругое поведение позволяет отличать доброкачественные опухоли от злокачественных и выделять разные типы злокачественных опухолей. Возможность адекватно характеризовать нелинейно-упругие свойства тканей повышает точность диагностики с помощью эластографии.
Нижегородские учёные из Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН создали модель, которая показывает, как меняются упругие свойства тканей под воздействием нагрузки. Исследователи использовали параллель с трещиноватыми горными породами, которые при нагружении из-за постепенного закрытия трещин становятся заметно жестче. В биологических тканях тоже есть различные «неплотности», поры, которые ведут себя так же, поэтому при усилении нагрузки ткани тоже становятся более жесткими. Для диагностики важно то, что параметры модели, описывающей такое поведение, сильно различаются для разных типов тканей (например, нормальных и опухолевых или различных видов опухолей).
В отличие от традиционных феноменологических подходов, известных в биомеханике, введенные параметры имеют ясный физический смысл. Модель хорошо описывает нелинейные зависимости напряжение-деформация для различных типов и состояний тканей. Она позволяет предложить четкие критерии дифференцирования таких типов для широкого класса биомедицинских проблем, – говорит заведующий лабораторией волновых методов исследования структурно-неоднородных сред, член-корреспондент РАН Владимир Зайцев. Уникальная модель уже апробирована на большом объеме экспериментальных данных, получаемых методом компрессионной оптической когерентной эластографии (К-ОКЭ), также развитом в ИПФ РАН. Эта модель показала свою высокую эффективность и полезность для получения биомедицинских диагностических заключений на основе метода К-ОКЭ.
Применимость модели проверена совместно с коллегами из Приволжского исследовательского медицинского университета, Нижегородского областного онкодиспансера, ЦКБ Управления делами президента РФ. Проводимые ими измерения и формулировка диагностических признаков позволили получить данные по нелинейно-упругим свойствам для 7 существенно различных типов тканей: роговица глаза, перикард, ткани модельных опухолей на мышах, ткани рака груди, лимфоузлы, в том числе с метастазами, ткани тонкого кишечника, различные стенки сосудов с бляшками. Для всех этих очень различных типов ткани предложенная модель значительно повысила ценность диагностических исследований биотканей, проводимых с помощью развитого в ИПФ РАН метода К-ОКЭ.
В настоящее время учёные изучают потенциальное применение ОКТ-эластографии для визуализации проникновения веществ, используемых в медицине и косметологии, в биологические ткани. Первые результаты этого направления весьма обнадеживающие.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 22-12-00295). Научные выводы представлены в журнале. Materials.
Информация предоставлена пресс-службой ИПФ РАН
Источник фото: ru.123rf.com