Method of Objective Assessment of Intestinal Viability Using “Smart Light” Polychrome LED Light Source for Contrast Imaging of Biological Tissues during Surgical Operations

Full Text

В настоящее время заболевания, сопровождающиеся нарушением кровоснабжения кишечной стенки, занимают одно из ведущих мест в рейтинге актуальных вопросов ургентной хирургии органов брюшной полости. Развитие некроза кишечника является поздней стадией нескольких различных патологических процессов, характеризующихся гибелью клеток из-за снижения притока крови к желудочно-кишечному тракту. Частыми причинами ишемии и последующего некроза кишечника являются: острая брыжеечная окклюзия, хроническая ишемия, воспалительные заболевания, механические препятствия и внешнее сдавление. Прогноз при этом осложнении неблагоприятный, а снижение летальности зависит от раннего выявления патологических изменений и сроков выполнения оперативного вмешательства [1]. Резекция кишечника выполняется у 12% пациентов с периодом ожидания операции менее 24 часов и у 29% – с ожиданием более суток [2].
Интраоперационная оценка жизнеспособности кишки является одной из самых сложных задач и играет ведущую роль в определении объема оперативного пособия, прогнозе течения послеоперационного периода, развитии осложнений и исходе заболевания [3–5]. У 14-16% пациентов перенесших резекцию тонкой кишки наблюдаются осложнения, а летальность доходит до 60% [6]. В таких случаях определяющим фактором в решении вопроса о жизнеспособности кишечной стенки является визуальная оценка её состояния в динамике. Любые сомнения в жизнеспособности кишки трактуются в пользу выполнения резекции [7].
Таким образом, улучшение и повышение точности интраоперационной диагностики жизнеспособности кишки остается актуальным вопросом в современной хирургии. Традиционным и доступным способом определения жизнеспособности кишечной стенки является визуальный метод Керте. Визуальная оценка кишечника опирается на артериальные пульсации, присутствие перистальтики и субъективное определение цвета, хотя эти параметры не являются специфическими [8]. Жизнеспособная кишечная стенка имеет цвет красных оттенков, при этом орошение теплым физиологическим раствором может улучшить цвет жизнеспособного кишечника. При пальпации кишечной стенки в норме выявляется нормальная или увеличенная толщина стенки по сравнению с остальной частью прилегающей кишки. Жизнеспособная кишечная стенка способна инициировать и распространять перистальтические волны. Наличие артериального пульса в сосудах, снабжающих пораженный участок также является признаком жизнеспособности. Все перечисленные признаки относятся к визуальным характеристикам ишемически измененного органа и их определение сугубо субъективно. Это обуславливает поиск путей оптимизации метода с целью улучшения визуализации признаков изменения витальных свойств кишечника.
Крайне важным при проведении оперативных вмешательств является высококачественное хирургическое освещение для точной визуализации и интерпретации анатомических структур пациентов. Правильный выбор параметров искусственного света в операционной имеет решающее значение для безопасности пациента и комфорта хирургической бригады. Современные бестеневые хирургические светильники, в том числе светодиодные, предназначены для обеспечения бесперебойного освещения с естественной цветопередачей, контролем теней и высокой освещенностью операционного поля без чрезмерного нагрева воздуха. Плохое освещение во время оперативных вмешательств может привести к утомлению глаз хирурга и поставить под угрозу безопасность пациента. Новое технологическое направление модернизации освещения хирургических операционных направлено на разработку ламп, позволяющих улучшать контрастность биологических тканей на основе «акцентного» окрашенного освещения, учитывающего спектральные характеристики отражения биологических тканей [9, 10]. Такой подход можно реализовать на базе полихромных светодиодных излучателей с регулируемыми спектрально-цветовыми характеристиками [11]. Разработка оптимальных источников света для улучшения контрастирования биологических тканей является актуальной, в том числе для усиления цветовых различий между ишемизированными и нормальными тканями кишечника [12].
Цель
Изучить возможность использования контрастной визуализации с применением управляемого полихромного светодиодного источника света для оценки жизнеспособности кишечной стенки модельного животного в условиях острой ишемии.
Материалы и методы
Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на базе НТЦ биомедицинской фотоники ФГБОУ ВО «ОГУ им. И.С. Тургенева» (г. Орел, Россия) в период с сентября по декабрь 2022 г. Исследования проводились на 15 клинически здоровых половозрелых лабораторных крысах линии Wistar (самцы) трехмесячного возраста с массой тела 200 г. Содержание животных и экспериментальные работы соответствовали ГОСТ 33216-2014 «Руководство по содержанию и уходу за лабораторными животными» и этическим нормам по гуманному обращению с животными. Все проведенные манипуляции были одобрены Этическим комитетом Орловского государственного университета имени И.С. Тургенева (протокол № 12 от 06.09.2018), разработанным в соответствии с принципами надлежащей лабораторной практики GLP (согласно ГОСТу 33647-2015). Животных содержали в условиях карантина, контролируемых по температуре, влажности и чистоте. Специальной предоперационной подготовки животным не проводилось. На всех экспериментальных животных заводились индивидуальные протоколы исследования.
В качестве источника света для подбора оптимального освещения использовался специально разработанный НТЦ микроэлектроники РАН (г. Санкт-Петербург, Россия) управляемый цветодинамический хирургический осветитель на основе светодиодной матрицы, состоящей из шести спектральных составляющих от светодиодов синего (460 нм), бирюзового (505 нм), зеленого (530 нм), зелено-желтого (550 нм), оранжевого (590 нм) и красного (630 нм) цветов свечения для синтеза окрашенного освещения с практически любыми цветовыми координатами (рис. 1). Как видно из рис. 1б, такой набор оригинальных излучателей позволяет синтезировать около 90% реальных цветов. Используя такую полихромную светодиодную матрицу, можно перекрыть видимый диапазон спектров отражения большинства биологических тканей. Также использование шести независимых спектральных компонентов обеспечивает точную настройку спектра излучения для соответствия спектрам отражения различных тканей. Оптическая система, состоящая из фокона в форме четырехугольной пирамиды и проекционного объектива создает однородное световое пятно 200 х 200 мм на расстоянии 700 мм от поверхности объектива [13], Неравномерность по освещенности светового поля лежит в пределах 5%, а неоднородность по цветности σ<0.05. Максимальная освещенность светового пятна достигает 30 клк.
Программное обеспечение данного светильника позволяет изменять интенсивность всех шести типов светодиодов в составе матрицы. Управление световыми параметрами хирургического осветителя во время проведения исследований осуществлялось удалённо с компьютера с использованием разработанного программного обеспечения, связанного с осветителем по интерфейсу Bluetooth.
Оперативное пособие проводилось с применением ингаляционной анестезии на основе изофлурана 1,5% в стандартных дозировках. Все оперативные вмешательства выполнялись в строго асептических условиях. Моделирование ишемии тонкой кишки производилось следующим способом. После введения животного в состояние наркоза его размещали на специальной фиксирующей платформе и подготавливали операционное поле путем выбривания области передней брюшной стенки и обработки растворами антисептиков. В качестве операционного доступа использовалась срединная лапаротомия. Из брюшной полости извлекалась тонкая кишка и выполнялась перевязка магистральных сосудов, кровоснабжающих кишечник, капроновыми лигатурами 3.0. После чего кишечник погружался в брюшную полость. Закрытие лапаротомной раны производилось наложением непрерывного шва нитью полипропилен 2.0.
Для определения пограничных состояний кишки и ее патологических изменений, при моделировании ишемии с позиции оценки возможностей управляемого бестеневого полупроводникового источника света для контрастной визуализации биологических тканей при хирургических операциях, проводилось морфологическое исследование в различные временные интервалы после наложения лигатуры на магистральные сосуды кишечника: через 1, 6 и 12 часов.
Каждому животному через соответствующий временной интервал выполнялась лапаротомия. Перестраиваемый по спектру хирургический светильник устанавливался над специальным операционным столом для мелких лабораторных животных на расстоянии 70 см, что обеспечивало создание однородного светового поля размером не менее 20 × 20 см. (риc. 2). Из брюшной полости извлекался кишечник и проводилась оценка визуальных параметров некроза кишечной стенки методом Керте. Исследования с применением управляемого полихромного светодиодного источника света проводились в двух условиях освещенности: при спектральном составе света, соответствующем стандартному операционному хирургическому светильнику, и с подобранным оптимальным спектральным составом для контрастной визуализации биологических тканей. Спектральный состав излучения светильника контролировался портативным спектрометром для универсального применения MK350 (UPRtek, Тайвань).
После определения визуальных признаков ишемии и некроза кишечной стенки производилась резекция тонкой кишки с последующей фиксацией в 10% забуференном формалине в течение суток. Осуществлялась вырезка репрезентативных участков кишки, которые впоследствии подвергались гистологической проводке по стандартной методике (с помощью гистологического процессора LOGOS (Milestone Medical) и изготавливали парафиновые блоки. Срезы толщиной 4 мкм получали на ротационном микротоме Leica RM2125 RTS (Leica Biosystems), окрашивали гематоксилином и эозином (Biovitrum). Оценивались патоморфологические изменения в кишечной стенке в условиях смоделированной ишемии тонкой кишки различной длительности. Выраженность морфологической картины ишемии оценивали по классификации Park Chiu [14]. Исследования завершались выведением животных из эксперимента в соответствии с протоколом, одобренным этическим комитетом.
В исследовании принимали участие 5 врачей-хирургов, которые проводили независимую оценку состояния кишечника визуальным методом Керте в двух режимах управляемого полихромного светодиодного источника света. Последовательно проводилась оценка витальности кишечника при освещении, соответствующем спектральному составу хирургического операционного осветителя, и оценка этих же признаков при подборе оптимизированного состава спектрального освещения.
Статистическая обработка данных включала методы коллективной работы экспертной группы с получением общего мнения в ходе совместного обсуждения решаемой проблемы, метод сегментации на основе использования глубоких нейронных сетей для объективного подтверждения информативности изображения при изменении параметров освещения биологического объекта. Влияние определённого признака на качество моделей оценивали кросс-валидацией модели сегментации изображения на случайных тренировочных и тестовых подвыборках. Оценка точности проводилась с помощью меры перекрытия размеченных областей - коэффициент Жаккарда, с учетом высокой значимости в машинном обучении прироста точности на 1% из-за изменения одного фактора (цвет освещения).
Результаты
Исходя из данных, полученных с помощью спектрометрического анализа состава света операционной лампы в стационаре, с помощью управляемого полихромного светодиодного источника света был проведен синтез соответствующего спектра операционной лампы показанный на рис. 3. Подобное излучение представляет собой белый свет с цветовой температурой 4300К (координаты цветности на диаграмме МКО 1931: Х=0.39, Y=0.45) и главным индексом передачи (CRI) 90. Освещенность операционного поля при этом составляла почти 10000 лк. На основе индивидуальной оценки каждого эксперта, а затем обсуждения и получения общего коллективного экспертного мнения было установлено, что, наиболее четкая визуализация некроза кишки достигается при освещении спектром излучения, показанном на рис. 3, при освещенности примерно 6000 лк. Данный спектр является суммарным и состоит из двух спектров с двумя центральными линиями: λpeak = 503 нм, λpeak = 594 нм и соотношением интенсивностей примерно 2:1. Его координаты цветности на диаграмме МКО 1931 составляли: Х=0,27, Y=0,51. Это цветное, то есть полихроматическое освещение. Следует отметить, что освещенность, которую создает белый свет, имитирующий хирургическую лампу на 4000 лк, выше по сравнению с такой же величиной оптимального освещения для контрастной визуализации. Это еще раз указывает на то, что при использовании акцентного освещения большую роль при визуализации биологических тканей играет цветовой контраст, то есть глаз хирурга в первую очередь чувствителен к изменению цвета, а уже во вторую – к интенсивности освещения [11].
Для объективизации оценки улучшения качества визуализации ишемических и некротических изменений в кишечной стенке с помощью подобранного экспертами спектрального состава света был проведён численный эксперимент. На основе работы модели компьютерного зрения архитектуры Unet [15], представляющей собой последовательность свёрточных слоёв скрытого пространства признаков, слоёв регуляризации и межслойных связей, и позволяющей сегментировать изображения, была проведена генерация серии из 20 моделей на выборке из 98 изображений, полученных в течение эксперимента. Выборки для тренировки моделей отбирались на основе случайного разбиения на тренировочную и тестовую подвыборки в пропорции 80/20 для каждой модели. В качестве объекта для сравнения использовались результаты исследования ишемии и некроза кишечника, полученные при имитации освещения операционного поля белым светом, соответствующим спектральной характеристике излучения стандартной хирургической лампы. На основании этого было также сгенерировано 20 моделей. Задача сегментации состояла в том, чтобы верно определить размеченные классы данных («ишемия», «здоровый кишечник», «фон») с наименьшим значением ложноположительных и ложноотрицательных срабатываний модели. При этом точность оценивалась специальный мерой, называемой IoU (Intersection over Unit) или коэффициентом Жаккарда [16], который показывает отношение перекрытия классов к их общей площади и является распространённой метрикой оценки качества сегментации. Обучение осуществлялось на основе свободно-распространяемых электронных библиотек для языка Python: «Segmentation models», «Keras», «numpy». Разметка производилась на три класса: «ишемия», «здоровый кишечник» и нулевой класс «фон». Средний коэффициент Жаккарда для света операционной лампы составил 0,814±0,010, тогда как, для подобранного экспертами света – 0,823±0,019 (рис. 4). Таким образом, показан прирост средней точности распознавания на моделях, полученных для двух типов операционного освещения и случайного распределения на тренировочные и тестовые подвыборки. Данный результат был достигнут за счёт использования оптимального и более информативного освещения операционного поля, который позволяет лучше выявлять на изображении ишемию кишечника.
По результатам морфологического исследования было установлено, что значимые изменения, с точки зрения жизнеспособности стенки кишки, имели место от момента наложения лигатуры через 1, 6 и 12 часов. Через 1 час от момента создания ишемии, при морфологическом исследовании во фрагментах тонкой кишки обнаружена фокальная десквамация эпителия и выраженный отек ворсин. В собственной пластинке наблюдалась умеренная лимфогистиоцитарная инфильтрация, в подслизистой – отек и инъецированные сосуды. Описанные изменения соответствовали интестинальной ишемии Grade 2 по классификации Park Chiu. Морфологические изменения стенки тонкой кишки через 6 часов от момента моделирования ишемии были представлены диффузным коагуляционным некрозом ворсин с геморрагическим компонентом и фокальной деструкцией крипт. Подслизистая оболочка с признаками выраженного отека, с полиморфноклеточной инфильтрацией, расширенными сосудами с наличием сладжа. Описанные изменения соответствовали интестинальной ишемии Grade 5-6 по классификации Park Chiu. Спустя 12 часов от момента создания ишемии стенка тонкой кишка была представлена некротизированной тканью с примесью крови.
Обсуждение
В данной статье рассмотрены вопросы улучшения визуального определения in vivo ишемических и некротических изменений кишечника. На сегодняшний день не существует стандартизированного и широкодоступного метода оценки жизнеспособности кишечника во время проведения оперативного вмешательства. Традиционная интраоперационная визуальная оценка состояния кишечной стенки имеет низкую прогностическую ценность относительно развития некротических изменений [6]. Стандартные визуальные критерии жизнеспособности кишечника не обладают необходимой чувствительностью и специфичностью и зачастую могут приводить к ложноположительным и ложноотрицательным интерпретациям видимых изменений кишечной̆ стенки.
Описаны многочисленные методы объективной инструментальной оценки различных параметров жизнеспособности кишечника, однако единого мнения об их клиническом применении нет [5, 17]. Многообразие предложенных методик свидетельствует о необходимости дальнейших поисков оптимального метода оценки жизнеспособности кишечника, обладающего такими параметрами как доступность, возможность применения в условиях ургентной хирургии, удобство использования и экономическая эффективность. Применение светодиодных излучателей с вариативными спектрально-цветовыми характеристиками улучшает визуальную интерпретацию ишемических и некротических изменений кишечной стенки. В то же время метод не решает проблему объективного определения признаков ишемии и некроза, однако его преимуществами является интуитивная доступность, простота в применении и возможность встраивания в стандартные операционные лампы. Предложенная методика позволяет неинвазивно оценивать жизнеспособность кишечника в режиме реального времени и не подвержена влиянию таких факторов как перистальтика и пульсация магистральных сосудов.
Заключение
В исследовании была предложена технология оптимизации хирургического освещения для улучшения контрастной визуализации ишемических и некротических изменений кишечника. На основе мнения группы хирургов-экспертов был подобран оптимальный спектр освещения, который позволил более четко определять набор визуализационных признаков жизнеспособности кишки методом Керте. Это было подтверждено более высоким коэффициентом качества сегментации изображений тканей кишечника с помощью нейросети при цветном освещении (полихроматический источник света) в сравнении с белым (стандартная операционная лампа).

About the authors

Nikita Alekseevich Adamenkov

Orel State University; N.A. Semashko Emergency Hospital

Email: nikita-ad@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0238-2941
SPIN-code: 3348-8250

postgraduate student of the Department of Specialized Surgical Disciplines; surgeon  

Russian Federation, 95 Komsomolskaya str., Orel, Oryol region, 302026, Russia; 302027, Orel region, the city of Orel, Matveeva str., 9

Igor Olegovich Kozlov

Orel State University named after I.S. Turgenev

Email: igor57_orel@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4625-9267
SPIN-code: 5192-8450

research intern at the Scientific Research Center of Biomedical Photonics

Russian Federation, 95 Komsomolskaya str., Orel, Oryol region, 302026, Russia

Alexander Alexandrovich Palalov

Orel State University named after I.S. Turgenev

Email: d.alexanderpalalov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4295-9968
SPIN-code: 8216-4277

trainee researcher at the Laboratory of Cellular Physiology and Pathology of the Biomedical Photonics Research Center, assistant of the Department of Histology, Cytology and Embryology

Russian Federation, 95 Komsomolskaya str., Orel, Oryol region, 302026, Russia

Andrey Valmenovich Aladov

Submicron Heterostructures for Microelectronics, Research & Engineering Center Russian Academy of Science

Email: aladov@mail.ioffe.ru
ORCID iD: 0000-0001-8009-7647
SPIN-code: 6514-3771

Ph.D., Senior Researcher

Russian Federation, 26 Politechnicheskaya Street, Saint Petersburg, 194021, Russian Federation

Anton Evgenievich Chernyakov

Submicron Heterostructures for Microelectronics, Research & Engineering Center Russian Academy of Science

Email: chernyakov.anton@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8153-9512
SPIN-code: 5064-1637

Ph.D., Senior Researcher 

Russian Federation, 26 Politechnicheskaya Street, Saint Petersburg, 194021, Russian Federation

Elena Vladimirovna Potapova

Orel State University named after I.S. Turgenev

Email: potapova_ev_ogu@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9227-6308
SPIN-code: 9315-8770

Ph.D., Associate Professor, Senior Researcher at the Scientific and Technological Center for Biomedical Photonics

Russian Federation, 95 Komsomolskaya str., Orel, Oryol region, 302026, Russia

Andrian Valerievich Mamoshin

Orel State University named after I.S. Turgenev; Orel Regional Clinical Hospital

Email: dr.mamoshin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1787-5156
SPIN-code: 2553-1200

M.D., Associate Professor, Senior Researcher at the Scientific and Technological Center of Biomedical Photonics, Professor of the Department of Specialized Surgical Disciplines; surgeon

Russian Federation, 95 Komsomolskaya str., Orel, Oryol region, 302026, Russia; 302028, Orel region, Orel, Victory Boulevard, 10

Andrey Valerievich Dunaev

Orel State University named after I.S. Turgenev

Author for correspondence.
Email: dunaev@bmecenter.ru
ORCID iD: 0000-0003-4431-6288
SPIN-code: 8128-3093

M.D., Associate Professor, Leading Researcher, Scientific and Technological Center of Biomedical Photonics

Russian Federation, 95 Komsomolskaya str., Orel, Oryol region, 302026, Russia

References

Supplementary files