Интраоперационная оценка жизнеспособности тканей кишечника с применением современных оптических технологий

ВВЕДЕНИЕ

В ургентной хирургии органов брюшной полости наиболее значимой проблемой является нарушение перфузии кишечной стенки. Некроз кишечника – это терминальная стадия различных патологических процессов с ишемическим повреждением тканей вследствие снижения кровоснабжения одного из отделов кишечника [1]. Ишемия кишечника может быть как окклюзионной, так и неокклюзионной природы. Окклюзионная форма включает эмболию брыжеечной артерии (50 %), тромбоз брыжеечной артерии (20–35 %) и тромбоз брыжеечной вены (5–15 %). Острая брыжеечная ишемия составляет 0,1 % всех случаев госпитализации, однако имеет высокую летальность до 90 % [2]. Основными причинами некроза кишечника являются окклюзионные факторы, в частности компрессия питающих сосудов при странгуляционной кишечной непроходимости. Это может быть вызвано различными патологиями, такими как спаечная болезнь брюшной полости, при которой фиброзные тяжи сдавливают сосуды, нарушая кровообращение кишечника. Другой причиной является инвагинация – внедрение одного участка кишки в просвет другого, что также сдавливает сосуды брыжейки. Заворот кишечника, при котором петли перекручиваются вокруг оси брыжейки, вызывает ишемию из-за нарушения кровотока. Кроме того, окклюзия сосудов может быть обусловлена узлообразованием, при котором петли кишечника образуют узлы, сдавливающие питающие артерии и вены [3]. Отдельного внимания заслуживают ущемленные грыжи, при которых происходит сдавление кишечника и его сосудов в грыжевых воротах, что приводит к острой ишемии и некрозу тканей [4].

Интраоперационная оценка жизнеспособности кишечника представляет собой одну из наиболее сложных и ответственных задач в хирургической практике. Она играет ключевую роль в определении объема оперативного вмешательства, прогнозировании течения послеоперационного периода, а также в предотвращении развития осложнений и улучшении исходов заболевания. Точная диагностика состояния кишечника во время операции позволяет хирургу принять решение о необходимости сохранения или удаления пораженного участка кишки. Это, в свою очередь, влияет на процесс восстановления пациента и снижает риск послеоперационных осложнений [5][6]. Общепринятым методом интраоперационной оценки жизнеспособности кишечника является визуальный метод Керте, который широко используется в хирургической практике [7]. Данный метод основан на комплексной оценке нескольких ключевых критериев: наличия пульсации брыжеечных сосудов, что свидетельствует о сохранении кровоснабжения; активности перистальтических сокращений, отражающих функциональную состоятельность кишечной стенки; а также визуального анализа цвета серозной оболочки кишечника, который служит индикатором уровня оксигенации тканей. В норме жизнеспособная кишка имеет розовый цвет, выраженную пульсацию сосудов и активную перистальтику. Отклонения от этих параметров, такие как бледность, цианоз или темный оттенок стенки, отсутствие пульсации и перистальтики, могут указывать на ишемические изменения или некроз. Несмотря на свою простоту и доступность, метод Керте остается субъективным и зависит от опыта хирурга [8]. Согласно исследованию A. Karliczek и соавт. [9], диагностическая точность визуальной оценки жизнеспособности кишечника характеризуется чувствительностью на уровне 61,3 % и специфичностью, достигающей 88,5 %. Это свидетельствует о том, что, несмотря на относительно высокую способность метода правильно идентифицировать жизнеспособные ткани, его способность выявлять нежизнеспособные участки остается умеренной. Эти данные говорят о том, что визуальный метод не всегда помогает понять, есть ли ишемические изменения в кишечнике. Нужно использовать более точные инструменты или технологии, чтобы лучше оценить состояние кишечника во время операции.

Современные методы интраоперационной диагностики включают ультразвуковую доплерографию, полярографию, лазерную доплеровскую флоуметрию, лазерную спекл-контрастную визуализацию, боковую темнопольную микроскопию, флуоресцентную визуализацию компартментов окислительного метаболизма, оптическую когерентную томографию, фотоплетизмографию и ICG-флуоресцентную визуализацию. Они предоставляют объективные количественные данные о жизнеспособности тканей кишечника [10]. Несмотря на значительный диагностический потенциал, внедрение этих технологий в клиническую практику сопряжено с рядом ограничений. Большинство из них требуют разработки специализированного оборудования, адаптированного для использования в операционных, и многоцентровых клинических исследований для валидации точности, воспроизводимости и безопасности. Кроме того, необходимы обучение медицинского персонала, стандартизация протоколов и интеграция в хирургические алгоритмы [11]. Несмотря на перспективность данных методик, их практическое применение ограничено, что требует дальнейших научных изысканий для оптимизации в клинической практике.

Освещение операционного поля имеет ключевое значение для успешного проведения хирургических вмешательств, помогая визуализировать анатомические структуры пациента и принимать решения [12]. Выбор оптимальных параметров освещения важен для безопасности пациента и удобства хирургической бригады [13]. Современные хирургические светильники, включая светодиодные модели, обеспечивают непрерывное освещение с естественной цветопередачей, высокую освещенность и снижают риск ожогов. Новые лампы улучшают контрастность биологических тканей за счет «акцентного» освещения с окрашенным светом, учитывающим спектральные характеристики отражения тканей. Подход может быть реализован на основе полихромных светодиодных излучателей с регулируемыми спектрально-цветовыми характеристиками. Свет ламп может иметь различные цвета и оттенки, улучшая видимость деталей операционного поля, особенно для тканей, отражающих свет определенных цветов. Это особенно полезно при операциях, требующих точного определения расположения тканей и органов. Регулировка спектрально-цветового состава света позволяет адаптировать освещение под конкретные потребности операции, например увеличивать яркость или изменять цвет для лучшего видения тканей. Лампы с «акцентным» окрашенным освещением могут значительно повысить качество и безопасность хирургических операций [15].

При разработке инновационных методов диагностики кишечной стенки особое внимание уделяют мезентериальному кровотоку, изменения которого коррелируют с развитием ишемических процессов. Перспективно применение гиперспектральной визуализации – метода оптической диагностики, объединяющего цифровую визуализацию и спектроскопию диффузного отражения. Технология позволяет неинвазивно анализировать спектральные характеристики тканей для оценки уровня оксигенации, микроциркуляции и зон ишемии [16]. Гиперспектральные изображения биологических тканей позволяют определить пространственное распределение и концентрации биологических хромофоров, таких как оксигемоглобин, дезоксигемоглобин, меланин, билирубин, вода и другие. Это обеспечивает высокую точность и детализацию при оценке спектральных характеристик тканей, в отличие от мультиспектральных измерений с ограниченным набором данных. Анализ спектров диффузного отражения для каждого пикселя изображения позволяет определить уровень оксигенации тканей, коррелируя коэффициент отражения с концентрацией Hb/HbO. Это полезно для диагностики и мониторинга различных заболеваний.

Цель работы – повышение точности диагностики нарушений микроциркуляции в тканях кишечной стенки у малых лабораторных животных методом гиперспектральной визуализации с управляемым полихромным светодиодным источником света.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Экспериментальное исследование было выполнено в лаборатории научно-технологического центра биомедицинской фотоники в Орловском государственном университете имени И. С. Тургенева (г. Орел, Россия) в период с сентября по декабрь 2023 года. В исследовании участвовали 10 клинически здоровых, половозрелых крыс-самцов линии Wistar, возрастом 3 месяца и средней массой тела 194 ± 6 г. Все манипуляции проводились с соблюдением принципов надлежащей лабораторной практики (Good Laboratory Practice, GLP). Условия содержания животных и экспериментальные процедуры соответствовали стандартам ГОСТ 33216–2014 «Руководство по содержанию и уходу за лабораторными животными» и этическим нормам, регулирующим гуманное обращение с животными. Протокол исследования был утвержден этическим комитетом Орловской областной клинической больницы (протокол № 2 от 18.09.23 г.). Животные содержались в карантинных условиях с контролем температуры, влажности и чистоты. Специальная предоперационная подготовка не проводилась. Для всех животных использовался единый стандартизированный протокол.

Для освещения операционного поля использовался управляемый цветодинамический хирургический осветитель (НТЦ микроэлектроники РАН, Санкт-Петербург) с шестью спектральными компонентами: синий (460 нм), бирюзовый (505 нм), зеленый (530 нм), зелено-желтый (550 нм), оранжевый (590 нм) и красный (630 нм). Такая конфигурация охватывает до 90 % видимого спектра отражения биологических тканей. Оптическая система формирует однородное световое пятно (200 × 200 мм) с неравномерностью освещенности ≤ 5 % и цветовой неоднородностью σ < 0,05 при максимальной освещенности 30 клк. Программное обеспечение позволяет регулировать интенсивность излучения всех шести типов светодиодов. Управление осуществлялось удаленно с компьютера через Bluetooth с помощью разработанного программного обеспечения. Для объективной оценки перфузии кишечной стенки была разработана система гиперспектральной визуализации с источником света FRI61F50 (Thorlabs, Inc.) и камерой Specim IQ (Specim, Spectral Imaging Ltd.), охватывающей диапазон от 400 до 1000 нм. Для точности измерений использовался эталон диффузного отражения. Оперативное вмешательство выполнялось под ингаляционной анестезией с использованием 1,5 % изофлурана и проводилось в строгих асептических условиях. Для моделирования ишемии была осуществлена срединная лапаротомия, после которой тонкая кишка была извлечена из брюшной полости, а ее магистральные сосуды перевязаны капроновыми лигатурами 3.0. После перевязки кишечник возвращался в брюшную полость, а хирургическая рана закрывалась с помощью полипропиленовой нити 2.0 методом непрерывного шва. Для анализа состояния и патологических изменений кишки в результате ишемии проводилось морфологическое исследование на различных временных интервалах после наложения лигатуры: через 1, 6 и 12 часов. Каждому животному в соответствии с этими временными рамками проводилась повторная лапаротомия.

Переоснащенный хирургический светильник с изменяемым спектром устанавливался на высоте 70 см над специализированным операционным столом для мелких лабораторных животных, что способствовало формированию однородного светового поля не менее 20 × 20 см (рис. 1).

Для оценки некроза кишечника методом Керте использовался управляемый полихромный светодиодный источник света в двух условиях освещения: стандартном хирургическом (рис. 1 б) и оптимизированном для контрастной визуализации тканей (рис. 1 в). Спектральный состав излучения контролировался портативным спектрометром MK350 (UPRtek, Тайвань). Пять хирургов независимо оценивали состояние кишечника в обоих режимах освещения. Сначала оценивалась жизнеспособность кишечника при стандартном освещении, затем – при оптимизированном спектре. Во время исследования производилась регистрация гиперспектральных изображений тонкой кишки для анализа в указанные временные интервалы. Для стандартизации и корректного анализа данных был применен эталон диффузного отражения, что повысило достоверность исследования [17][18]. На основе различия в поглощении света несвязанной и связанной с кислородом формами гемоглобина был разработан параметр тканевой сатурации. Это было выполнено двухволновым методом в ближней инфракрасной области, с использованием измеренных коэффициентов диффузного отражения [19][20].

,

где R₇₉₅ и R₇₅₀ – измеренные коэффициенты диффузного отражения на длинах волн 797 и 750 нм соответственно;

μ_Hb (750) и μ_HbO2 (750) – коэффициенты поглощения в неизобестической точке дезоксигенированной и насыщенной кислородом крови соответственно;

μ_Hb (795) – коэффициент поглощения дезоксигенированной крови в изобестической точке.

После исследования признаков ишемии и некроза стенки кишечника была выполнена резекция тонкой кишки с фиксацией образцов в 10 % забуференном формалине в течение 24 часов. Из проб забирали репрезентативные участки, которые обрабатывались с помощью гистологического процессора LOGOS (Milestone Medical) для получения парафиновых блоков. Срезы толщиной 4 мкм изготавливались на микротоме Leica RM2125 RTS (Leica Biosystems) и окрашивались гематоксилином и эозином (Biovitrum). Оценка патоморфологических изменений проводилась при моделировании ишемии различной длительности по классификации Park-Chiu [21]. По завершении экспериментов животные были выведены из исследования в соответствии с протоколом, одобренным этическим комитетом.

Статистическую обработку полученных данных выполняли в программной среде OriginPro. Полученные результаты представлены в виде диаграмм размаха. Для определения различий показателей между группами использовали критерий Манна – Уитни. Различия считали статистически значимыми при p < 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ

На основе индивидуальных оценок участников экспертизы, а также их последующего обсуждения и достижения общего мнения было установлено, что для наиболее эффективной визуализации некроза кишечника оптимально использовать спектр излучения, представленный на рис. 2, при освещенности около 6000 лк.

Этот спектр является суммарным и состоит из двух спектров с центральными длинами волн 503 и 594 нм, с соотношением интенсивностей 2 : 1. Координаты цветности этого света на диаграмме Международной колориметрической системы 1931 составляют: X = 0,27, Y = 0,51. Использование этого полихроматического освещения критически важно.

На гиперспектральных картах интактная кишечная стенка была светло-зеленой (рис. 3 а) со средним значением сатурации 66 ± 2 %. Через час после лигирования магистральных сосудов кишечника сатурация снизилась до 42 ± 5 %, а ткань приобрела светло-коричневый оттенок (рис. 3 б). Через 6 часов значение сатурации уменьшилось до 26 ± 3 %, что сопровождалось темно-коричневым окрашиванием (рис. 3 в). Через 12 часов сатурация составила 21 ± 3 %, кишечная стенка визуализировалась черным цветом (рис. 3 г). На всех этапах исследования гиперспектральные карты демонстрировали увеличение контрастности в зонах ишемии (табл.).

Для объективной оценки улучшений в качестве визуализации ишемических и некротических изменений в кишечной ткани был проведен численный эксперимент с оптимизированным спектральным составом света, определенным экспертами. Архитектура компьютерного зрения Unet, включающая сверточные слои, регуляризаторы и межслойные соединения для сегментации изображений, стала основой исследования. В рамках эксперимента было разработано 20 моделей, обученных на 98 изображениях. Данные были разделены на тренировочную и тестовую выборки в пропорции 80/20. Контрольная группа – это результаты диагностики ишемии и некроза кишечника, полученные при имитации освещения операционного поля хирургической лампой белого света. Обучено около 20 моделей, которые должны точно выделять три класса: «ишемия», «здоровый кишечник» и «фон», минимизируя ложноположительные и ложноотрицательные результаты. Эффективность сегментации оценивалась с помощью коэффициента Жаккара (IoU), стандартного показателя для оценки качества сегментации. Модели обучались с использованием библиотек Python: «Segmentation Models», «Keras» и «NumPy». Изображения размещались на три класса: «ишемия», «здоровый кишечник» и «фон». Средний коэффициент Жаккара [22] для освещения стандартной операционной лампы составил 0,814 ± 0,010, в то время как для спектра света, предложенного экспертами, этот показатель увеличился до 0,823 ± 0,019 (рис. 5).

Использование оптимизированного освещения повысило точность распознавания на моделях, обученных с его применением. Это подтверждает, что применение более информативного спектрального состава света улучшает визуализацию ишемических изменений в кишечной ткани, что усиливает диагностическую ценность метода. Морфологическое исследование показало, что через 1, 6 и 12 часов после наложения лигатуры в тканях кишечной стенки происходят значительные изменения. Через 1 час наблюдается десквамация эпителия и отек ворсинок, в слизистой оболочке – лимфогистиоцитарная инфильтрация, а в подслизистом слое – полнокровие сосудов, что соответствует второй степени ишемии. Через 6 часов возникает диффузный некроз ворсинок с геморрагическим компонентом и деструкцией крипт, отек и полиморфноклеточная инфильтрация в подслизистом слое, а сосуды становятся расширенными с явлениями сладжа, что соответствует пятой–шестой степени ишемии. Через 12 часов стенка кишки некротизируется, что говорит о необратимых изменениях.

ОБСУЖДЕНИЕ

Сегодня в клинической практике отсутствует универсальный и общедоступный метод оценки жизнеспособности кишечной ткани, который мог бы быть эффективно применен в ходе оперативных вмешательств. Существующие традиционные методы интраоперационной визуальной оценки состояния кишечной стенки, основанные на макроскопических критериях (таких как цвет, перистальтика, пульсация сосудов брыжейки), демонстрируют ограниченную прогностическую ценность в отношении диагностики ишемического некроза тканей. Эти методы характеризуются недостаточной чувствительностью и специфичностью, что приводит к значительному количеству ложноположительных и ложноотрицательных результатов при интерпретации изменений морфофункционального состояния кишечной стенки. Ложноположительные результаты могут стать причиной необоснованной резекции кишечника, что увеличивает риск послеоперационных осложнений, таких как синдром короткой кишки, нарушение нутритивного статуса и развитие спаечной болезни. Ложноотрицательные результаты, напротив, могут привести к сохранению нежизнеспособных участков кишечника, что чревато прогрессированием ишемии, перфорацией стенки кишки и развитием перитонита. В настоящее время предложен ряд альтернативных методов оценки жизнеспособности кишечника, включая флуоресцентную ангиографию с использованием индоцианина зеленого, лазерную доплеровскую флоуметрию, спектрофотометрию, а также оценку тканевого pH и уровня маркеров ишемии. Однако каждый из этих методов имеет свои ограничения, связанные с доступностью оборудования, сложностью интерпретации данных, необходимостью дополнительного обучения персонала и высокой стоимостью. Таким образом, многообразие существующих подходов подчеркивает актуальность дальнейших исследований, направленных на разработку оптимального метода оценки жизнеспособности кишечника. Идеальный метод должен сочетать в себе высокую диагностическую точность, доступность в условиях экстренной хирургии, простоту использования, минимальную инвазивность и экономическую целесообразность. Внедрение такого метода в клиническую практику позволит снизить частоту послеоперационных осложнений, улучшить прогноз и качество жизни пациентов, а также оптимизировать тактику хирургического лечения при патологиях, сопровождающихся ишемией кишечника.

В ходе нашего исследования установлено, что использование гиперспектральной визуализации предоставляет возможность получения информации о состоянии микроциркуляции крови в тканях кишечной стенки через оценку показателя тканевой сатурации. Гиперспектральная визуализация обеспечивает высокую точность и объективность диагностики в режиме реального времени, что делает ее ценным инструментом для интраоперационного мониторинга и определения тактики хирургического вмешательства [23]. Применение светодиодного излучателя с различными спектрально-цветовыми характеристиками способствует улучшению визуальной интерпретации ишемических и некротических изменений в тканях кишечной стенки. Важно определить показания для применения гиперспектральной визуализации и ее место в диагностическом алгоритме острой ишемии кишечника. Также необходимо внедрить контрастное освещение в рутинную хирургическую практику.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основываясь на мнении группы хирургов-экспертов, было выбрано оптимальное спектральное освещение, позволяющее более точно идентифицировать набор визуализационных признаков жизнеспособности кишечной ткани по методике Керте. Использование гиперспектральной визуализации предоставляет возможность проведения неинвазивной и объективной интраоперационной оценки характера ишемического повреждения стенки кишечника, исключая необходимость применения экзогенных флуоресцентных препаратов. Таким образом, интеграция гиперспектральной визуализации и контрастного освещения биологических тканей в клиническую практику создает новые перспективы для совершенствования диагностики и лечения патологий, связанных с нарушением мезентериального кровообращения.