Bone cross-section by Pbroks13
[CC BY 3.0], via Wikimedia Commons
Що таке остеоартрит?
Остеоартрит - поширене дегенеративне стан, що характеризується виснаженням хряща в суглобах, що викликає біль і втрату рухливості. Поширеною причиною остеоартриту є просто вік; однак травматична травма суглоба може спричинити переродження суглобів у людей будь-якого віку. Прогресування остеоартриту може сповільнюватися, а симптоми управляти, але немає способу повернути основні причини, що призводять до розвитку цього стану.
Недавні дослідження остеоартриту припустили, що зміни субхондральної (нижче хрящової) кісткової структури, такі як потовщення субхондральної пластинки, помітні ще до того, як пошкодження або інші симптоми виявляться в самому хрящі.
Сучасні стандарти діагностики та лікування остеоартрозу покладаються на рентгенографічну томографію для виявлення затвердіння субхондрального шару або зменшення простору суглобів та візуально-тактильний огляд під час артроскопічної операції. В останні роки прогрес у зображенні та обчислювальній потужності для аналізу призвів до посилення інтересу до використання NIR для кількісної оцінки прогресування ураження суглобів та оцінки лікування під час in vivo артроскопії.
Оцінка біомеханічних властивостей кістки in vitro
"Gonarthrosis, medial abuse of cartilage"
by Scuba-limp [GFDL, CC-BY-SA-3.0 or CC BY-SA 2.5],
via Wikimedia Commons
Дослідження з Університету Східної Фінляндії, опубліковані в червні 2018 року в журналі Nature, досліджували потенціал ближньої інфрачервоної спектроскопії для використання в характеристиці субхондральних властивостей кісток людини і шукали діапазон довжин хвиль, здатний оцінити властивості кісток людини в клінічних умовах.
Цей експеримент досліджував кілька основних параметрів цілісності кісток у зразках кісток, узятих із трупів людини, таких як товщина субхондральної кісткової пластини, мінеральна щільність кістки та індекс структурної моделі за допомогою інфрачервоної спектроскопії. Спектральні дані NIR були зібрані за допомогою двоканальної системи Avantes, яка поєднала AvaSpec-ULS2048L з високочутливою AvaSpec-NIR256-2.5-HSC. Спектри були зібрані в трьох діапазонах довжин хвиль, уже визначених для здатності проникати в живу тканину, званих біологічним або терапевтичним оптичним вікном. Перше вікно охоплювало діапазон 650-950 нм, наступне - 1100-1350 нм, а третє досліджуване біологічне вікно - 1600-1870 нм. Ці дані були співвіднесені з результатами мікрокомп'ютерної томографії одних і тих же зразків кісток за допомогою багатофакторної методики часткової регресії найменших квадратів.
Ця робота показала, що залежне від довжини хвилі проникнення світла в остеохондральні зразки відіграє значну роль у взаємозв'язку між оптичною реакцією та субхондральними властивостями кісток. Перше перше оптичне вікно, λ 650-950 нм, показало найсильнішу кореляцію та найнижчу швидкість помилок у порівнянні з результатами томографії та показало найбільший потенціал для адаптації до стандартів догляду за артроскопією.
Representative NIR Spectra Bone Samples
By Afara, Florea, et al.
Characterizing human subchondral bone
properties using near-infrared
(NIR) spectroscopy, via Scientific Reports
Розробка клінічних додатків для артроскопії NIRS
Друга група дослідників з Утрехтського університету, Нідерландів та Університету Східної Фінляндії опублікувала дослідження у журналі Nature у вересні 2018 року, яке прагнуло довести надійність спектроскопії NIR для одночасного оцінювання як суглобового хряща, так і субхондральної кістки in vivo за допомогою штучна нейронна мережа (АНН).
В даний час не існує кількісних артроскопічних інструментів для оцінки як хрящової, так і субхондральної кісток. Ортопеди застосовують рентгенографічну томографію та суб'єктивне оцінювання тяжкості травми, спираючись на візуальний огляд та тактильне зондування металевим гаком під час артроскопічних операцій. Хоча існують деякі клінічні інструменти для оцінки хрящів, їх використання обмежене практичними питаннями, і наразі не існує клінічного інструментарію для оцінки морфології субхондральної кістки.
Використовуючи Avantes AvaSpec-ULS2048XL, це дослідження спочатку збирало спектрологічні дані NIR артроскопічно від поні через 12 місяців після отримання експериментальних процедур спільного ремонту, потім збирало зразки з тих же поні для in vitro спектральних вимірювань. Додаткові спектральні дані збирали in vitro із зразків, заготовлених із пошкоджених поні в якості контролю. Ці зразки також пройшли оптичну когерентну томографію (OCT) для повного аналізу морфології кісток, щоб послужити орієнтиром для прогнозування моделювання за допомогою неглибокої штучної нейронної мережі (ANN).
Цей експеримент зібрав спектри з широкого діапазону довжин хвиль, що охоплюють видимі від 450 нм до 2500 нм у ближній інфрачервоній, але знижені довжини хвиль понад 1900 нм завдяки високим властивостям поглинання NIR у воді. Крім того, видимий діапазон між 450 і 750 нм бачив перешкоди від звичайного артроскопічного світла і тому використовувався лише для орієнтації та позиціонування зонда, але був виключений із моделювання. Діапазон довжин хвиль між 750 і 1900 нм, який майже охоплює всі три терапевтичні оптичні вікна, визначався оптимальним діапазоном для прогнозування біомеханічних властивостей хряща, включаючи товщину субхондральної кісткової пластини, фракцію об'єму кістки та мінеральну щільність кісток.
Результати аналізу часткових найменших квадратів дали модель прогнозування, здатну передбачити параметри цілісності кісток з довірою 95% довіри. Вимірювання, проведені in vitro, показали меншу кількість помилок прогнозування, не дивно, ймовірно, через властиві їм ускладнення щодо досягнення оптимального розміщення зонда під час проведення артроскопії. Було також менше помилок прогнозування для аналізу біомеханічних властивостей хряща порівняно з аналізом субхондральної кістки через глибину тканини. Тим не менш, дослідники дійшли висновку, що спектроскопія NIR здатна одночасно характеризувати суглобовий хрящ і цілісність субхондральної кістки у людини з можливістю розширення звичайних методів артроскопії при клінічній оцінці дефектних суглобів.
Світло: Медицина майбутнього
Тільки в медичній галузі світло використовується для моніторингу стану здоров'я, проведення діагностичного тестування, допомоги в лікуванні хронічних ран, виявлення та боротьби з раком, і щодня робляться нові відкриття, що сприяють розвитку медичної науки.
Інструменти Avantes довіряють забезпечити цим дослідникам ідеальний баланс між високою роздільною здатністю та високою чутливістю та мають модульну конструкцію, ідеальну для налаштування багатоканальних систем. Ми маємо двадцять п’ять років досвіду, працюючи разом із дослідниками та виробниками медичних та фармацевтичних рішень, що розробляють системи та компоненти, що дають неймовірні результати з року в рік.
Поговоріть із спеціалізованим інженером з продажу та відкрийте для себе різницю Avantes сьогодні.
Resources
- https://www.avantes.com/applications/application/item/1361-the-role-of-nir-spectroscopy-in-the-treatment-of-osteoarthritis
- Afara, Isaac O., et al. "Characterizing human subchondral bone properties using near-infrared (NIR) spectroscopy." Scientific reports 8.1 (2018): 9733. https://www.nature.com/articles/s41598-018-27786-3.pdf
- Sarin, Jaakko K., et al. "Arthroscopic near-infrared spectroscopy enables simultaneous quantitative evaluation of articular cartilage and subchondral bone in vivo." Scientific reports 8.1 (2018): 13409. https://www.nature.com/articles/s41598-018-31670-5.pdf
- “Osteoarthritis - Symptoms, and Causes - Mayo Clinic,” 14 Nov. 2018. https://www.mayoclinic.org/diseases-conditions/osteoarthritis/symptoms-causes/syc-20351925