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

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

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

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. 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.

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

2. 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

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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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.

8. 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

9. 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

10. 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.

11. 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

12. 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.

13. 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

14. 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.

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

16. 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

17. 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

18. 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.

19. 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

20. 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

21. 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