Введение

radioelectronics

Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника

Journal of the Russian Universities. Radioelectronics

1993-89852658-4794

Saint Petersburg Electrotechnical University

10.32603/1993-8985-2021-24-5-89-101

radioelectronics-558

Research Article

ПРИБОРЫ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ, КОНТРОЛЯ СРЕДЫ, ВЕЩЕСТВ, МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

MEDICAL DEVICES, ENVIRONMENT, SUBSTANCES, MATERIAL AND PRODUCT

Разработка метода оценки безопасного расстояния между коагулятами для автоматического формирования плана лазерной коагуляции сетчатки при лечении диабетической ретинопатии

Development a Method for Estimating a Safe Distance between Coagulates to Automatically Plan Retinal Laser Coagulation in Diabetic Retinopathy Treatment

https://orcid.org/0000-0002-0413-3391

Широканев

А. С.

Shirokanev

A. S.

Широканев Александр Сергеевич – магистр по направлению "Прикладная математика и информатика" (2017), аспирант, ассистент кафедры технической кибернетики.

Московское ш., д. 34, Самара, 443086, Россия

Alexandr S. Shirokanev, Master (2017) in Applied Mathematics and Informatics, postgraduate student, assistant at the Technical Cybernetics Department

34 Moskovskoye Sh., Samara 443086, Russia

alexandrshirokanev@gmail.com

Самарский национальный исследовательский университет им. акад. С. П. Королева; Институт систем обработки изображений РАН, филиал ФНИЦ "Кристаллография и фотоника" РАНРоссияSamara National Research University; Image Processing Systems Institute of the RAS, Branch of the FSRC "Crystallography and Photonics" RASRussian Federation

2021

28112021

24589101

2021

Широканев А.С.

Shirokanev A.S.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://re.eltech.ru/jour/article/view/558

Введение

Введение. Сахарный диабет является распространенным эндокринным заболеванием, которое может приводить к поражению сосудов сетчатки, что является следствием распространения макулярного отека и развития диабетической ретинопатии. Современный способ лечения диабетической ретинопатии – это лазерная коагуляция сетчатки. Однако даже современные системы не обеспечивают достаточной эффективности лечения, вследствие чего требуются методики поддержки лазерной коагуляции на основе анализа данных пациента.

Цель работы

Цель работы. Разработка и исследование метода оценки безопасного расстояния между коагулятами для обеспечения поддержки лазерной коагуляции на основе математического моделирования процесса коагуляции.

Материалы и методы

Материалы и методы. Применены методы численного моделирования задачи теплопроводности, соответствующей процессу лазерного воздействия в многослойной среде.

Результаты

Результаты. Разработан метод оценки безопасного расстояния между коагулятами на основе применения методов математического моделирования задачи теплопроводности. Был разработан алгоритм реконструкции трехмерной структуры глазного дна по снимкам ОКТ. Было продемонстрировано, что сходимость интегро-интерполяционного метода быстрее метода конечных разностей. Исследование показало, что сетчатка нагревается не только за счет лазерного воздействия, но и вследствие перераспределения тепла со слоя эпителия до 45 ºС. По результатам применения разработанного метода безопасным расстоянием является 180 мкм. При увеличении задержки между лазерными импульсами более, чем на 10 мс, безопасное расстояние может быть уменьшено до 160 мкм.

Заключение

Заключение. Разработанный метод демонстрирует вычисление расстояния, соответствующего применяемому в медицинской практике, и позволит неинвазивным способом выявлять наиболее безопасные параметры лазерной коагуляции, не только расстояние, но и мощность лазера, а также рекомендуемую длительность импульса для достижения терапевтического эффекта. Оценки безопасных параметров могут быть применены для автоматического формирования предварительного плана лазерной коагуляции для поддержки лечения диабетической ретинопатии.

Introduction

Introduction. Diabetes mellitus is a common endocrine disease that can lead to retinal vascular damage caused by the spread of macular edema and the development of diabetic retinopathy. Currently, diabetic retinopathy is treated using retinal laser coagulation. However, since even modern systems do not demonstrate sufficient treatment efficacy, methods for providing laser coagulation support on the basis of patient data analysis are required.

Aim

Aim. This paper aims to develop and study a method for estimating a safe distance between coagulates via the mathematical modeling of coagulation in order to provide laser coagulation support.

Materials and methods

Materials and methods. The problem of thermal conductivity is numerically modeled for laser action in a multilayer medium.

Results

Results. A method for estimating a safe distance between coagulates has been developed via the mathematical modeling of the thermal conductivity problem. An algorithm was established for reconstructing a three-dimensional fundus structure from OCT images. It was demonstrated that the convergence rate of the integro-interpolation method is higher than that of the finite difference method. The study revealed that the retina heats up to 45 ºС due to heat redistribution from the epithelial layer, as well as laser exposure. According to the study results, the developed method yields a safe distance of 180 µm. By increasing the delay between laser pulses by more than 10 ms, this distance can be reduced to 160 μm.

Conclusion

Conclusion. The developed method can calculate distance corresponding to that used in medical practice. Besides safe distance, the use of this method will allow other laser coagulation parameters to be determined non-invasively: laser power and pulse duration recommended to achieve a therapeutic effect. These estimates can be used to automatically produce a preliminary laser coagulation plan to support diabetic retinopathy treatment.

глазное днодиабетическая ретинопатиялазерная коагуляцияматематическое моделированиеуравнение теплопроводностиметод конечных разностейинтегро-интерполяционный методметод расщепления

fundusdiabetic retinopathylaser coagulationmathematical modelingthermal conductivity equationfinite difference methodintegro-interpolation methodsplitting method

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научных проектов № 19-31-90160, № 19-29-01135 и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках выполнения государственного задания Самарского университета и ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН

The work was funded by the Russian Foundation for Basic Research (projects no. 19-31-90160 and no.19-29-01135) and the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation under a state assignment for the Samara University and FSRC Crystallography and Photonics RAS.

References1

Гафуров С. Дж., Каттахонов Ш. М., Холмонов М. М. Особенности применения лазеров в медицине // European Science. 2019. № 3 (45). С. 92–95.

Gafurov S. J., Kattahonov Sh. M., Holmonov M. M. Features of the use of lasers in medicine. European Science. 2019, no. 3 (45), pp. 92–95. (In Russ.)

Коцур Т. В., Измайлов А. С. Эффективность лазерной коагуляции в макуле и микрофотокоагуляции высокой плотности в лечении диабетической макулопатии // Офтальмологические ведомости. 2016. Т. 9, № 4. C. 43–45. doi: 10.17816/OV9443-45

Kotsur T. V., Izmaylov A. S. Comparative estimation of laser coagulation efficiency in macular and microphotocoagulation of high density in diabetic maculopathy treatment. Ophthalmology J. 2016, vol. 9, no. 4, pp. 43–45. doi: 10.17816/OV9443-45 (In Russ.)

Замыцкий Е. А. Лазерное лечение диабетического макулярного отека // Аспирантский вестн. Поволжья. 2015. Т. 15, № 1–2. С. 74–80.

Zamyckij E. A. Laser treatment of diabetic macular edema. Aspirantskii vestnik Povolzh'ya [Postgraduate Bulletin of the Volga Region]. 2015, vol. 15, no. 1–2, pp. 74–80. (In Russ.)

Kozak I., Luttrull J. K. Modern retinal laser therapy // Saudi J. of Ophthalmology. 2014. Vol. 29, № 2. P. 137–146. doi: 10.1016/j.sjopt.2014.09.001

Kozak I., Luttrull J. K. Modern retinal laser therapy. Saudi J. of Ophthalmology. 2014, vol. 29, no. 2, pp. 137–146. doi: 10.1016/j.sjopt.2014.09.001

Современные аспекты диагностики и лечения диабетического макулярного отека / А. В. Дога, Г. Ф. Качалина, Е. К. Педанова, Д. А. Буряков // Сахарный диабет. 2014. Т. 17, № 4. С. 51–59. doi: 10.14341/DM2014451-59

Doga A. V., Kachalina G. F., Pedanova E. K., Buryakov D. A. Modern diagnostic and treatment aspects of diabetic macular edema. Diabetes mellitus. 2014, vol. 17, no. 4, pp. 51–59. doi: 10.14341/DM2014451-59 (In Russ.)

IDF diadetes atlas: global estimates of the prevalence of diabetes for 2011 and 2030 / D. R. Whiting, L. Guariguata, C. Weil, J. Shaw // Diabetes Res. Clin. Pract. 2011. Vol. 94, № 3. P. 311–321. doi: 10.1016/j.diabres.2011.10.029

Whiting D. R., Guariguata L., Weil C., Shaw J. IDF diadetes atlas: global estimates of the prevalence of diabetes for 2011 and 2030. Diabetes Res. Clin. Pract. 2011, vol. 94, no. 3, pp. 311–321. doi: 10.1016/j.diabres.2011.10.029

К вопросу о ранней диагностике и частоте встречаемости диабетического макулярного отека и формировании групп риска его развития / Г. В. Братко, В. В. Черных, О. В. Сазонова, М. В. Ковалева, Е. Г. Сидорова, А. П. Шишко, Л. Ю. Мирочник // Сиб. науч. мед. журн. 2015. Т. 35, № 1. С. 33–36.

Bratko G. V., Chernykh V. V., Sazonova O. V., Kovaleva M. V., Sidorova E. G., Shishkо A. P., Mirochnik L. Yu. On the early diagnosis and frequency of occurrence of diabetic macular edema and group formation at risk of its development. Siberian Scientific Medical J. 2015, vol. 35, no. 1, pp. 33–36. (In Russ.)

Воробьева И. В., Меркушенкова Д. А. Диабетическая ретинопатия у больных сахарным диабетом второго типа. Эпидемиология, современный взгляд на патогенез. Обзор // Офтальмология. 2012. Т. 9, № 4. С. 18–21. doi: 10.18008/1816-5095-2012-4-18-21

Vorobieva I. V., Merkushenkova D. A. Diabetic retinopathy in type two diabetic patients: Epidemiology and modern view on the pathogenesis. Review. Ophthalmology in Russia. 2012, vol. 9, no. 4, pp. 18–21. doi: 10.18008/1816-5095-2012-4-18-21 (In Russ.)

Амиров А. Н., Абдулаева Э. А., Минхузина Э. Л. Диабетический макулярный отек: эпидемиология, патогенез, диагностика, клиническая картина, лечение // Казанский мед. журн. 2015. Т. 96, № 1. С. 70–76. doi: 10.17750/KMJ2015-070

Amirov A. N., Abdulaeva E. A., Minkhuzina E. L. Diabetic macular edema. Epidemiology, pathogenesis, diagnosis, clinical features, treatment. Kazan Medical J. 2015, vol. 96, no. 1, pp. 70–76. doi: 10.17750/KMJ2015-070 (In Russ.)

Современные подходы к лечению диабетического макулярного отека / Ю. С. Астахов, Ф. Е. Шадричев, М. И. Красавина, Н. Н. Григорьева // Офтальмологические ведомости. 2009. Т. 2, № 4. С. 59–69.

Astakhov Yu. S., Shadrichev F. E., Krasavina M. I., Grigorieva N. N. Modern approaches to diabetic macular edema treatment. Ophthalmology J. 2009, vol. 2, no. 4, pp. 59–69. (In Russ.)

Исхакова А. Г. Результаты клиникоэкономического анализа лечения больных диабетической ретинопатией с макулярным отеком // Аспирантский вестн. Поволжья. 2014. Т. 14, № 1–2. С. 218–220. doi: 10.17816/2072-2354.2014.0.1-2.218-220

Iskhakova A. G. Clinical results of economic analysis of patients diabetic retinopathy with macular edema. Aspirantskii vestnik Povolzh'ya [Postgraduate Bulletin of the Volga Region]. 2014, vol.14, no. 1–2, pp. 218–220. doi: 10.17816/2072-2354.2014.0.1-2.218-220 (In Russ.)

Уманец Н. Н., Розанова З. А., Махер А. Интравитреальное введение ранибизумаба как метод лечения больных кистозным диабетическим макулярным отеком // Офтальмологический журн. 2013. № 2. С. 56–60.

Umanets N. N., Rozanova Z. A., Maher A. Intravitreal injection in the treatment of cystoid diabetic macular edema. J. of Ophthalmology. 2013, no. 2, pp. 56–60. 13. Jung J. J., Gallego-Pinazo R., Lleó-Pérez A., Huz J. I., Barbazetto I. A. NAVILAS Laser System Focal Laser Treatment for Diabetic Macular Edema – One Year Results of a Case Series. Open Ophthalmology J. 2013, vol. 6, no. 7, pp. 48–53. doi: 10.2174/1874364101307010048

NAVILAS Laser System Focal Laser Treatment for Diabetic Macular Edema – One Year Results of a Case Series / J. J. Jung, R. Gallego-Pinazo, A. Lleó-Pérez, J. I. Huz, I. A. Barbazetto // Open Ophthalmology J. 2013. Vol. 6, № 7. P. 48–53. doi: 10.2174/1874364101307010048

Zamytskyi E. A., Zolotarev A. V., Karlova E. V., Zamytskiy P. A. Analysis of the coagulates intensity in laser treatment of diabetic macular edema in a Navilas robotic laser system. Saratov J. of Medical Scientific Research. 2017, vol. 13, no. 2, pp. 375–378. (In Russ.)

Анализ интенсивности коагулятов при лазерном лечении диабетического макулярного отека на роботизированной лазерной установке Navilas / Е. А. Замыцкий, А. В. Золотарев, Е. В. Карлова, П. А. Замыцкий // Саратов. науч.-мед. журн. 2017. Т. 13, № 2. С. 375–378.

Il'yasova N. Yu. Diagnostic complex for the analysis of fundus vessels. Biotekhnosfera [Biotechnosphere]. 2014, no. 3 (33), pp. 20–24. (In Russ.)

Ильясова Н. Ю. Диагностический комплекс анализа изображений сосудов глазного дна // Биотехносфера. 2014. № (3) 33. С. 20–24.

Ilyasova N. Y., Shirokanev A. S., Demin N. S., Paringer R. A., Zamytskiy E. A. Information Technology for Decision-making Support for Personalized Parameter Selection in Retinal Laser Treatment and Photocoagulation Outcome Prognostication. Optical Memory and Neural Networks. 2020, vol. 29, no. 4, pp. 358–367. doi: 10.3103/S1060992X20040098

Information Technology for Decision-making Support for Personalized Parameter Selection in Retinal Laser Treatment and Photocoagulation Outcome Prognostication / N. Y. Ilyasova, A. S. Shirokanev, N. S. Demin, R. A. Paringer, E. A. Zamytskiy // Optical Memory and Neural Networks. 2020. Vol. 29, № 4. P. 358–367. doi: 10.3103/S1060992X20040098

Shirokanev A. S., Kirsh D. V., Ilyasova N. Yu., Kupriyanov A. V. Investigation of algorithms for coagulate arrangement in fundus images. Computer Optics. 2018, vol. 42, no. 4, pp. 712–721. doi: 10.18287/2412-6179-2018-42-4-712-721 (In Russ.)

Исследование алгоритмов расстановки коагулятов на изображение глазного дна / А. С. Широканев, Д. В. Кирш, Н. Ю. Ильясова, А. В. Куприянов // Компьютерная оптика. 2018. Т. 42, № 4. С. 712–721. doi: 10.18287/2412-6179-2018-42-4-712-721

Polyakov M. V. Numerical modeling of the dynamics of temperature propagation in biological tissue. Upravlenie bol'shimi sistemami. Materialy XII Vse-rossiiskoi shkoly-konferentsii molodykh uchenykh [Management of large systems. Materials of the XII All-Russian School-Conference of Young Scientists]. Ed. by D. A. Novikov, A. A. Voronin. Moscow, V. A. Trapeznikov Institute of Control Scieces, 2015, pp. 971–978. (In Russ.)

Поляков М. В. Численное моделирование динамики распространения температуры в биологической ткани // Управление большими системами: материалы XII Всерос. школы-конф. молодых ученых / под общ. ред. Д. А. Новикова, А. А. Воронина. М.: Ин-т проблем управления им. В. А. Трапезникова, 2015. С. 971–978.

Kistenev Y. V., Buligin A. D., Sandykova E. A., Sim E. S., Vrazhnov D. A. Modeling of IR laser radiation propagation in bio-tissues. XXV International Symposium, Atmospheric and Ocean Optics, Atmospheric Physics. Novosibirsk, Russia, 1–5 July 2019. Novosibirsk, V. E. Zuev Institute of Atmospheric Optics, 2019, pp. 1–4. doi: 10.1117/12.2540429 (In Russ.)

Modeling of IR laser radiation propagation in bio-tissues / Y. V. Kistenev, A. D. Buligin, E. A. Sandykova, E. S. Sim, D. A. Vrazhnov // XXV Intern. Symp., Atmospheric and Ocean Optics, Atmospheric Physics. Novosibirsk, Russia, 1–5 July 2019. Novosibirsk: V. E. Zuev Institute of Atmospheric Optics, 2019. P. 1–4. doi: 10.1117/12.2540429

Ilyasova N., Shirokanev A., Demin N., Paringer R. Graph-based segmentation for diabetic macular edema selection in OCT images. 2019 5th International Conference on Frontiers of Signal Processing (ICFSP). Marseille, France, 18–20 Sept. 2019. Marseille IEEE, 2019, pp. 77–81. doi: 10.1109/ICFSP48124.2019.8938047

Graph-based segmentation for diabetic macular edema selection in OCT images / N. Ilyasova, A. Shirokanev, N. Demin, R. Paringer // 5th Intern. Conf. on Frontiers of Signal Processing (ICFSP). Marseille, France, 18–20 Sept. 2019. Marseille: IEEE, 2019. P. 77–81. doi: 10.1109/ICFSP48124.2019.8938047

Shirokanev A. S., Andriyanov N. A., Ilyasova N. Y. Development of vector algorithm using CUDA technology for three-dimensional retinal laser coagulation process modeling. Computer Optics. 2021, vol. 45, no. 3, pp. 427–437. doi: 10.18287/2412-6179-CO-828 (In Russ.)

Широканев А. С., Андриянов Н. А., Ильясова Н. Ю. Разработка векторного алгоритма по технологии CUDA для трехмерного моделирования процесса лазерной коагуляции сетчатки // Компьютерная оптика. 2021. Т. 45, № 3. С. 427–437. doi: 10.18287/2412-6179-CO-828

The authors declare that there are no conflicts of interest present.