Флуоро-навигация в хирургии

Люминесцентная и флуоресцентная навигация

Современная хирургия нуждается в интраоперационных методах визуализации патологических процессов, сосудов и важных анатомических структур, непреднамеренное повреждение которых нежелательно и приводит к осложнениям, снижающим качество жизни. Это актуальной для отрытой и еще больше -для эндоскопической хирургии, при которой экспозиция анатомического пространства меньше, и нет большой свободы хирургической ревизии. Возможность визуализации патологических очагов в целом повышает радикальность и безопасность их хирургического удаления, а также позволяет осуществлять контроль радикальности операции.

Люминесцентная визуализация ( работа с не ИИ)

Клинически, люминесцентная визуализация была впервые описана в 1924 году с открытия «красного» флуоресцентного излучения, исходящего от гематопорфирина, под воздействием лампы Вуда. В 1940-х годах было описано определение границ опухоли мозга с помощью красителя флуоресцеин. В последнее десятилетие разработка светочувствительных (близкого к инфракрасному спектру) флуоресцентных камер вызвала новый интерес к этим оптическим технологиям. Использование люминесцентной визуализации в качестве диагностического инструмента в ходе операции дает хирургу больше информации об интересующей его структуре и повышает точность выявления патологических процессов в реальном времени.

Поскольку получаемое при люминесцентной визуализации изображение формируется от структур, находящихся на глубине до 1 см, технология может использоваться только для исследования поверхностных поражений с известной расположением. Применение интраоперационной визуализации для более глубоких поражений или поражений с неизвестным местоположением требует комбинированного подхода при исследовании таких структур. В качестве сочетанной визуализации совместно с люминесценцией используют УЗИ, пленочная рентгенография, рентгеновская компьютерная томография, магнитно-резонансная томография, однофотонная эмиссионная компьютерная томография совмещенная с КТ (ОФЭКТ/КТ) или позитронно-эмиссионная томография совмещенная с КТ (ПЭТ/КТ). Перечисленные выше методы не только обеспечивают «предварительный отбор» пациентов, которым показана операция и как следствие сопутствующее применение интраоперационной люминесцентной визуализация, но они также могут служить базой для создания дальнейшей навигационной карты, с одновременной качественной и количественной оценкой изображения люминесценции.

Основные принципы интраоперационной люминесцентной визуализация

Что такое люминесценция? Какова ее природа? Как отличить это явление от других? на эти вопросы попытался ответить С. И. Вавилов при определение данного явления, предложив следующее определение: люминесценцией тела в данной спектральной области называют избыток излучения над температурным при условии, что это избыточное излучение обладает конечной длительностью, превышающей период световых колебаний.

Явление люминесценции основано на поглощение фотона молекулой и переходом ей в возбужденное состояние. При этом для физического понимания обращаемся к представлению атома как совокупности энергетических уровней. При поглощение энергии электрон из основного состояния (невозбужденного) переходит на более высокие энергетические уровни. При этом переход на тот или иной уровень связан с длиной волны поглощенного фотона. Энергетическая релаксация ведет к обратному переходу в основное состояние, что приводит к уменьшению энергии системы, которая может выделиться по частям. Часть энергии переходит в тепло, а часть испускается в виде люминесцентного фотона. По типу энергетической релаксации люминесценция делится на флуоресценцию синглетный переход и фосфоресценцию – триплетно-синглетный переход. В практических целях применяется флуоресценция как более вероятный путь к просвечиванию.

Основным принципом интраоперационной люминесцентной визуализация является обнаружение свечения, излучаемого участком опухоли при поглощение им энергии. Спектр излучения люминесцентных индикаторов, предназначенных для медицинского применения, включает ультрафиолетовый свет (400 нм), видимый свет (400–650 нм), ближний красный свет (650–900 нм) и дальний инфракрасный свет (900–2000 нм).

Флуоресцентная визуализация в околоинфракрасной области спектра (NIR/ICG)

Флуоресцентная визуализация является одним из самых распространенных методов, используемых в настоящее время в интраоперационной навигации. Однако применение данной методики непосредственно в ходе операции по удалению биологических структур, имеющих онкологическую природу, активно начало развиваться только в последние десятилетие. Первоначально ICG был принят на вооружение в медицинских учреждениях как инструмент для оценки сердечной и печеночной функции в 1956 году, а затем широко использовался в офтальмологии в режиме ангиографии. В последние время количество публикаций, связанных с использованием ICG растет и за предыдущие 5 лет составило около 12 тыс. публикаций (согласно Google scholar), что говорит об актуальности методики и постоянном её развитии.

Прежде чем, начать разговор о применение, лучше понимать преимущества и недостатки настоящего метода, необходимо обсудить его физические основы, которые являются фундаментом любого метода визуализации. По своим физическим основам флуоресценция является частным случаем люминесценции. Отличительной особенностью явления является прямой переход – синглетно-синглетный при этом высвечивается квант света флуоресценции. т.е соблюдается принцип перехода электронов с основного состояния в возбужденное под действием света в диапазоне длин волн 760-800 нм и последующая релаксация с испускания фотона на длинах волн выше 800 нм (для йодоционина зеленого высвечивание происходит на центральной длине волны 845 нм). Эти оптические характеристики очень важны для измерения свойств ткани так, как в теле человека основными оптическими поглотителями являются гемоглобин и вода. Видимый свет с длиной волны ниже 650 нм будет сильно поглощаться гемоглобином, а инфракрасный свет с длиной волны более 900 нм будет поглощаться водой. Длина волны ближнего инфракрасного диапазона от 650 до 900 нм, так называемое оптическое окно (NIR-1), является относительно «прозрачной» из-за низкого оптического поглощения гемоглобина и воды. Это причина, почему ICG флуоресцентный метод способен наблюдать глубокое (около 10 мм) изображение от поверхности исследуемой структуры.

Реализация методики начинается с введения флуорофора (Таблица с красителями №). После чего происходит его распределение по организму и накопление в области патологического образования. Далее осуществляется активация красителя пучком света из диапазона представленного выше. В ткани пучок поглощается, рассеивается и отражается, что приводит к активации красителя и последующей релаксации с испусканием флуоресценции:

Схематическое представление ICG визуализации

Флуоресцентные красители

Название красителя	Длины волн возбуждения,нм	Диапазон высвечивания, нм	Компания производитель	Food and Drug Administration and the European Medicines Agency
ICG	750-800 700-950	800 -860 (NIR-1) 1000-1400 (NIR-2)	Iris Biotech GmbH	одобрен
Метиленовый синий	600-700	~700	Jichuan Pharmaceutical, Taizhou, China	одобрен
5-аминолевулиновая кислота (5-ALA)	400-510	620-710	SBI holding	одобрен
IRDye 800CW	775	805	LI-COR Biosciences, Lincoln, NE	клинические испытания
VivoTag 800	785	810	PerkinElmer, Hopkinton, Massachusetts	клинические испытания
ZW800-1	772	788	Curadel ResVet Imaging, Worcester, Massachusetts	клинические испытания

Оборудование для флуоресцентной визуализации

Производитель	Название установки	Страна	Чувствительность	Разрешение на использование в клиниках FDA	Рабочий диапазон регистрируемых и испускаемых длин волн, нм
PerkinElme	PerkinElmer Solaris	США	<10 нM	нет	470 – 800
FLUOPTICS	Fluoptics Fluobeam 800	Франция	5нМ	да	780-850
Curadel	Curadel Lab-Flare	США	10нМ	нет	650-800
Quest Medical Imaging BV	Quest Spectrum	Недерланды	10нМ	да	700-1000
Stryker	Novadaq SPY Elite	США	5нМ	да	825-850
Hamamatsu	Hamamatsu PDE Neo-II	Япония	15нМ	да	700-900

В последнее время внимание исследователей было сосредоточено на интраоперационной визуализации с использованием инфракрасной флуоресценции ближнего ИК-диапазона (NIRF-1) и эндогенных или экзогенных контрастных веществ, которые привлекательны из-за их глубины проникновения и низкого рассеяния в тканях человека. Среди экзогенных флуорофоров ICG занимает ведущее место, принося многообещающие результаты в клинических испытания. ICG визуализация используется в операциях, где идентификация ОЩЖ важна (обычно в процедурах тиреоидэктомии и паратиреоидэктомии).Однако фоновый сигнал от щитовидной железы, интенсивно флуоресцирующий после введения ICG, не всегда удается выделить ОЩЖ (только в случае медленного введения индоцианина) . В отличие от 99m-Tc-MIBI (sestamibi), поглощение ЩЖ не предшествовало поглощению ОЩЖ, поэтому по сравнению с sestamibi у ICG нет преимуществ в этом компоненте при обычном способе введения, но данное вещество не оказывает никакой лучевой нагрузки на организм, что делает его более привлекательным по сравнению с 99m-Tc-MIBI. При планарной сцинтиграфии sestamibi аденома ОЩЖ обнаруживается у 66,7% пациентов. Напротив, ангиография ICG выявляет отчетливую флуоресцентную аденом у всех пациентов. В целом, методы визуализации: sestamibi, КТ и УЗИ, имеют низкую или непоследовательную точность по сравнению с ICG.

Применение ICG c 99m-Tc- TIMGA (макроагрегированный человеческий сывороточный альбумин) является очень перспективным методом и резко повышает качество проведения операций, связанных с повторным злокачественным образованием при ДРЩЖ. По сравнению с одиночным режимом ICG делает очаг более информативным и обеспечивает хорошее отношение сигнал шум, однако применение радиоактивной метки требует более внимательного подхода при планирование операции. ICG имеет чувствительность 91,1%, а также связана с уменьшением времени операции и увеличением частоты полной резекции.

Идентификация ПЖ методами экзогенной флуоресценции

Метиленовый синий

Более 40 лет метиленовый синий (MС) используется для колориметрического определения аденом околощитовидной железы с различными внутривенными дозами и с различными скоростями окрашивания. Данный краситель излучает свет в ближнем ИК диапазоне на длине волны 700 нм. МС может быть использован во время операции для топической диагностики околощитовидных желез. Нормальные ПЖ также могут накапливать MС, что позволяет использовать его для сохранения ПЖ при тиреоидэктомии до 145 мин после введения красителя с уровнем флуоресцентного сигнала на 2,6 выше, чем в ткани щитовидной железы, и на 4,3 выше, чем в мышечной ткани. Тем не менее, были отмечен ряд побочных эффектов МС. В высоких дозах МC оказывает нейротоксическое действие, особенно при использовании в сочетании с ингибиторами обратного захвата серотонина (SSRIs), что влияет на безопасность выполнения процедуры.

Аласенс (5-ALA)

5-ALA является метаболическим нацеливающим агентом и естественным предшественником флуоресцентного протопорфирина (PpIX) в пути синтеза гема. Впервые синтезирован в 1953 году. Настоящий флуорофор является единственным из известных агентов, у которого активация красителя происходит в видимом диапазоне 375-400 нм, а флуоресценция наблюдается в видимой части спектра 635 и 700 нм. Известна теория, что большое количество митохондрий в клетках ПЖ может объяснить их более высокое поглощение 5-ALA. Методика была предложена, чтобы помочь во время операции проверить полноту удаления ткани паращитовидной железы при заболеваниях паращитовидной железы. В серии исследований описаны различные картины флуоресцентного окрашивания, такие как однородный сигнал или спорадические красные пятна, и даже в некоторых случаях отсутствие флуоресценции. Применение 5-ALA было эффективно только в 50% случаев хирургического лечения по поводу первичного или вторичного гиперпаратиреоза описали пероральное введение 5-ALA пациентам, оперированным по поводу тиреоидэктомии, для определения нормального ПЖ. Визуализация ПЖ возможна через 1 ч и до 8 ч после перорального приема 20–30 мг / кг 5-АЛК. Основным недостатком применения 5-АЛК является необходимость защиты пациентов от прямого воздействия света в течение 24–48 ч, чтобы избежать фотосенсибилизации и других фототоксических воздействий на кожу и глаза.

Аутофлyоресценция

Аутофлyоресценция (АФ) биологической структуры – явление, в основе которого лежит возбуждение собственной флуоресценции биологической ткани посредством смещения длины волны падающего света из одного диапазона в другой. Представляет собой излучение света объектами в около-инфаркрасном и инфракрасном спектре. АФ тканей происходит за счет наличия флуорофоров, которые естественным образом встречаются в большинстве тканей человека. В природе флуорофоры - это коллаген, триптофан, эластин, кератин, гемоглобин и т.п. Потенциально злокачественные образования вызывают изменение концентрации этих флуорофоров. Они также вызывают изменения в свойствах рассеяния и поглощения естественного света тканями.
Повреждение паращитовидных желез во время операций на щитовидной железе является распространенным явлением и послеоперационный гипопаратиреоз представляет собой серьезное осложнение. Паращитовидные железы обладают уникальной аутофлуоресценцией в ближней инфракрасной области спектра, которая может использоваться для их идентификации и защиты во время операции. При длине волны возбуждения в ближней инфракрасной области (Near-InfraRed, NIR) около 800 нм аутофлуоресценция излучается при длине волны около 820 нм, что в 11 раз выше, чем у окружающей ткани (интенсивность свечения папиллярной карциномы превосходит соответствующую величину для ЩЖ в 3 раза , при длине волны 800–950 нм). Поскольку большинство типов тканей практически полностью лишены аутофлуоресценции в ближнем инфракрасном спектре, даже слабый флуоресцентный сигнал может обеспечить высокую контрастность. Данный метод идентификации паращитовидных желез дает возможность в 87-90 % случаев успешно определить наличие околощитовидных желез при операции на щитовидной железы.
Паращитовидные железы продемонстрировали статистически более высокую интенсивность аутофлуоресценции по сравнению с щитовидной железой и окружающими тканями (р <0,0014). Возможно, что аутофлуоресценцию можно будет использовать для визуализации карцином щитовидной железы и других опухолях.

Флуоресцентная ангиография

Функциональная визуализация околощитовидных желез

Технология успешно применятся как при открытых, так и эндоскопических операциях при различных заболеваниях: эндокринная хирургия, пластика и реконструкция, онкология, оперативная хирургия и др.

Паратиреоидэктомия

Осложнение тироидной хирургии (2-5%), особенно при удалении центральной клетчатки шеи
Удаление околощитовидных желез:

Субтотальная паратиреоидэктомия (вторичный или третичный ГПТ)
Тотальная паратиреоидэктомия с/без аутотрансплантации
Послеоперационный гипопаратиреоз возникает из-за непреднамеренного удаления или травмой кровоснабжения (деваскуляризацией) околощитовидных желез. Во время операции невозможно визуально оценить их кровоснабжение.
Послеоперационная гипокальциемия вследствие гипопаратиреоза значительно снижает качество жизни пациентов

Как это работает?

Индоцианин зеленый вводится внутривенно (зарегистрирован в РФ)

2. Лазерное излучение нижнего инфракрасного диапазона активирует флюоресцентную метку в реальном масштабе времени (интраоперационно)

Интраоперационная in vivo флюоресцентная ангиография при тиреоидной и паратиреоидной хирургии

Вводится 3,5 мл индоцианина в/в струйно

Время до накопления – 3 мин (среднее)

Визуализация кровоснабжения паращитовидных желез на любом этапе (поиск, мобилизация, удаление щитовидной железы и центральной клетчатки шеи, контроль после удаление макропрепарата)

Корреляция между интраоперационной васкуляризацией и послеоперационным уровнем паратгормона

Интраоперационная оценка кровоснабжения

Опыт европейских клинических исследований

Если хотя бы одна паращитовидная железа хорошо васкуляризирована по данным интраоперационной флюоресцентной ангиографии
Послеоперационный гипопаратироз отсутствует

Система LUNA

Диабетическая стопа

Визуализация кровотока и гиперемии

Серийный функциональный анализ

Лимфатические узлы

«Сторожевые» лимфатические узлы

Verbeek F et al. (2014) Breast Cancer Res Treat, 143:333-342

Визуализация “сторожевых” лимфоузлов при раке молочной железы

Резюме

Пациенты с хотя бы одной хорошо кровоснабжаемой (по данным ИФА) паращитовидной железой демонстрируют после операции уровень паратгормона в пределах референсного диапазона нормальных значенийСуществующие методы оценки состояния паращитовидных желез, кроме ИФА, не позволяют принимать во время операции решения об их функциональной состоятельности

Возможна дифференциальная диагностика in vivo паращитовидных желез и лимфатических узлов

Позволяет объективизировать оценку кровоснабжения при диабетической стопе и контроль эффективности лечения

Информативный и безопасный (по сравнению с гамма-детекцией) метод интраоперационной визуализации «сторожевых» лимфоузлов у больных злокачественными новообразованиями