Проспективное исследование возможности применения спектроскопии диффузного отражения для диагностики патологии крестообразных связок коленного суставав

Повреждения крестообразных связок коленного сустава являются одной из наиболее распространённых травм. В Соединённых Штатах ежегодно регистрируется около 250 000 случаев разрыва передней крестообразной связки (ПКС), при этом приблизительно в 50 % наблюдений требуется хирургическая реконструкция [1]. Несмотря на более низкую частоту встречаемости, повреждения задней крестообразной связки (ЗКС) выявляются у значительной доли пациентов с травмами коленного сустава и ассоциированы с неблагоприятными долгосрочными исходами, включая стойкое нарушение биомеханики сустава и прогрессирование дегенеративных изменений [2].

Ограниченный регенераторный потенциал крестообразных связок обусловлен их слабой васкуляризацией и особенностями тканевой организации. Травматическое воздействие инициирует каскад микроструктурных изменений, включающих клеточные изменения и дезорганизацию внеклеточного матрикса, что приводит к ухудшению механических характеристик связки [3]. Эти изменения лежат в основе функциональной нестабильности коленного сустава и формируют предпосылки для развития гонартроза.

Эффективность хирургического лечения повреждений крестообразных связок в значительной степени зависит от времени вмешательства. На поздних стадиях формируются необратимые структурные изменения сустава, что снижает потенциал восстановления функции даже при технически корректно выполненной операции. В связи с этим особую актуальность приобретает разработка методов объективного и количественного выявления структурных нарушений крестообразных связок, предшествующих формированию клинически выраженной нестабильности.

Современные методы визуализации, включая магнитнорезонансную томографию и ультразвуковое исследование, обладают высокой диагностической ценностью при полных разрывах крестообразных связок и выраженных морфологических изменениях [4]. Однако их чувствительность существенно снижается при частичных субсиновиальных повреждениях, сопровождающихся преимущественно микроструктурными и биохимическими нарушениями ткани связки [5].

В этом контексте методы оптической спектроскопии представляют значительный интерес как инструмент количественной оценки структурно-функциональных характеристик биологических тканей. Данные методы успешно применяются в ряде медицинских дисциплин для анализа тканевого состава и метаболического состояния клеток [6–10]. Спектроскопический анализ основан на регистрации взаимодействия электромагнитного излучения с тканью, что позволяет получать спектральные параметры, отражающие компонентный состав и физико-химические свойства исследуемого объекта. Это делает методы оптической спектроскопии потенциально применимыми для выявления изменений крестообразных связок, недоступных для стандартных методов визуализации. Одной из наиболее подходящих методик для оценки состояния крестообразных связок является спектроскопия диффузного отражения (СДО) [9].

Основной принцип СДО заключается в изучении взаимодействии света с биологической тканью посредством явлений рассеяния и поглощения. Характеристики поглощения ткани указывают на ее биохимический состав, тогда как свойства рассеяния связаны с субклеточной морфологией. После взаимодействия с тканью спектр отраженного света изменяется относительно падающего света. Спектр диффузного отражения предоставляет информацию о композиционных и субклеточных свойствах исследуемой ткани [10].

Цель исследования

Определение возможности диагностического применения метода спектроскопии диффузного отражения для выявления несостоятельности крестообразных связок коленного сустава.

Материалы и методы

Проспективное нерандомизированное исследование проводили в Клинике травматологии, ортопедии и патологии суставов Университетской клинической больницы № 1 ФГАОУ ВО Первый МГМУ им. И.М.Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет) на базе кафедры травматологии, ортопедии и хирургии катастроф Института клинической медицины им. Н.В. Склифосовского в период с 2023 по 2025 гг.

В исследование были включены совершеннолетние пациенты с клиническими показаниями к тотальному эндопротезированию коленного сустава, у которых по результатам предоперационной магнитно-резонансной томографии выявлялись повреждения передней и/или задней крестообразной связки, соответствующие 1–2 типам по классификации ACLOAS (Anterior Cruciate Ligament OsteoArthritis Score). Критериями невключения являлись полный разрыв крестообразных связок (3 тип по ACLOAS), отсутствие патологии крестообразных связок, технические погрешности при заборе эксплантов.

В ходе операции тотального эндопротезирования коленного сустава выполняли интраоперационную оценку состояния крестообразных связок в соответствии с классификацией AAOS (American Association of Orthopedic Surgeons), после чего осуществляли забор эксплантов передней и задней крестообразных связок вместе с костными участками их прикрепления (рисунок 1). После извлечения каждый эксплант подвергался визуальному контролю с целью выявления возможных ятрогенных повреждений. Далее образцы промывали физиологическим раствором хлорида натрия и помещали в фосфатный буфер для предотвращения дегидратации тканей. Всего исследовано 30 эксплантов, полученных от 24 пациентов.

Рисунок 1. Экспланты пкс: 1 – 1 степень, 2 - 3 степень (по AAOS) Fig. 1. ACL explants: 1 - grade 1, 2 - grade 3 (according to AAOS)

На каждом образце определяли девять репрезентативных зон для спектроскопического анализа: по три точки в области бедренного энтеза, в средней трети связки и в зоне большеберцового энтеза (рисунок 2).

Рисунок 2. Точки получения спектров на примере экспланта пкс Fig. 2. Points of obtaining spectra on the ACL explant

Регистрация спектров в каждой точке проводилась с повторением измерений два–три раза. Таким образом, совокупный массив данных включал 270 исследованных участков крестообразных связок, при этом проанализировано более 750 спектров. Спектроскопическое исследование выполняли непосредственно после эксцизии.

Для регистрации спектров СДО был применен зонд собственной разработки, включавший три оптоволоконных проводника. Один проводник служил для подачи широкополосного излучения на образец, два других проводника служили приёмниками света, испытавшего рассеяние и поглощение в толще исследуемого экспланта (рисунок 3).

Рисунок 3. Приёмо-передающий зонд и схема расположения оптических волокон Fig. 3. Transmit-receive explorer and optical fiber layout

В качестве источника света использовали вольфрамгалогеновую лампу со сплошным спектром излучения (Thorlabs, Германия). Регистрацию отклика осуществляли в расширенном диапазоне 800–1800 нм с использованием двух спектрометров:

• 1.    QE2000pro (OceanOptics, США) для диапазона 800–1050 нм (ближний инфракрасный диапазон)

• 2.    AvaSpec-NIR25 6-2.5-HSC (Avantes BV, Нидерланды) для диапазона 1050–1800 нм (средний инфракрасный диапазон)

Для обеспечения достоверн ости измерений перед каждой серией экспериментов проводили калибровку – измеряли эталонный спектр лампы от стандарта диффузного отражения (белый эталон) и регистрировали фоновый спектр. После этого рассчитывали спектр отражения (Й(А) ) по формуле:

I-I

R(λ) =     bg

Iref - Ibg где I – спектр сигнала, Ibg – фоновый спектр, Iref – эталонный спектр лампы.

По результатам измерения спектров отражения ( Й(Л )) рассчитывали спектр эффективного поглощения ( 00(A) ) по формуле:

OD(A)=-log₁ c R(A)

Из полученного спектра эффективного поглощения определяли оптические параметры.

Результаты

Статистически значимых различий между показателями, полученными для передней и задней крестообразных связок, выявлено не было (p > 0,05). В связи с этим дальнейший анализ выполнялся без дифференциации исследуемых связок на ПКС и ЗКС и проводился исключительно с учётом степени тяжести повреждений в соответствии с классификацией AAOS.

В ближнем инфракрасном диапазоне (800–1050 нм) зарегистрирован выраженный пик поглощения воды при длине волны 980 нм, тогда как максимум, ассоциированный с поглощением коллагена, наблюдался при 910 нм. В среднем инфракрасном диапазоне (1050–1800 нм) характерные пики поглощения воды и коллагена были зафиксированы при длинах волн 1200, 1400 и 1550 нм.

Таблица 1 / Tab. 1.

Средние значения спектров эффективного поглощения эксплантов (OD(A)) на различных длинах волн / Average values of the effective absorption spectra of explants (OD(A)) at different wavelengths

	Длина волны (нм)	Тяжесть поражения по AAOS
		I степень	II степень	III степень
Ближний инфракрасный диапазон	910	-0.029611287753006373	0.0076817117016659605	0.047724130817993836
	980	0.24865539463364925	0.2628257971401316	0.2978060975180321
Средний инфракрасный диапазон	1200	0.5067085783012302	0.5678271188087163	0.5951267697725632
	1400	2.8493098573147226	2.8485765284222726	2.810999330532399
	1550	2.732115993535909	2.6891843403627083	2.6175221368850914

Анализ данных, полученных в ближнем инфракрасном диапазоне, показал, что при длине волны 910 нм, соответствующей поглощению коллагена, между всеми тремя степенями тяжести поражений связки по классификации AAOS выявлены статистически значимые различия (p < 0,05). В то же время при длине волны 980 нм достоверных различий между I и II степенью повреждения обнаружено не было (p > 0,05) (рисунок 4).

Рисунок 4. Диаграммы размаха средних значений спектров эффективного поглощения в зависимости от степени повреждения по aaos (ближний ик-диапазон)

Fig. 4. Plots of the average values of the effective absorption spectra depending on the stage of damage according to the aaos (near infrared range)

В среднем инфракрасном диапазоне проведен анализ разницы амплитуд между пиками и фоновым спектром 1050 нм, что является стандартным подходом для минимизации влияния фонового рассеяния. В диапазоне 1200–1050 нм выявлена статистически высокозначимая разница между средними значениями показателей для I и II степени повреждения связки по классификации AAOS (p < 0,0001) (рисунок 5).

Рисунок 5. Диаграммы размаха средних значений спектров эффективного поглощения в зависимости от степени повреждения по aaos (средний ик-диапазон)

Fig. 5. Plots of the average values of the effective absorption spectra depending on the stage of damage according to the aaos (mid-infrared range)

Обсуждение

Отсутствие статистически значимых различий между спектральными показателями передней и задней крестообразных связок свидетельствует о сходстве их оптических характеристик в исследуемых диапазонах длин волн. Это позволило рассматривать полученные данные без разделения связок по анатомическому признаку и сосредоточить анализ на степени тяжести повреждений, что представляется методологически обоснованным.

Выявленные в ближнем инфракрасном диапазоне статистически значимые различия между всеми степенями повреждения связки при длине волны 910 нм указывают на высокую чувствительность коллаген-ассоциированного сигнала к структурным изменениям ткани. Это может быть обусловлено прогрессирующей дезорганизацией коллагеновых волокон по мере увеличения степени повреждения, что отражается в изменении оптических свойств крестообразных связок.

В то же время отсутствие достоверных различий между I и II степенью повреждения при длине волны 980 нм позволяет предположить, что содержание и распределение воды в ткани на ранних стадиях дегенеративных изменений изменяется менее выраженно либо характеризуется высокой вариабельностью. Таким образом, водный компонент, по-видимому, является менее специфичным маркером для дифференциации начальных степеней повреждения по сравнению с коллагеновым компонентом.

Выявленная в интервале 1200–1050 нм статистически высокозначимая разница между I и II степенью повреждения подтверждает информативность данного диапазона для количественной оценки изменений структуры связки. Вероятно, наблюдаемые различия отражают совокупное влияние деградации коллагена и изменения гидратации ткани.

Заключение

Полученные результаты указывают на перспективность спектроскопического анализа в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах для объективной оценки степени повреждения крестообразных связок. Для целей диагностики представляется наиболее важным дифференцирование I и II степени поражения, так как дифференцировать эти степени по результатам клинического, инструментального и даже артроскопического исследования достаточно затруднительно. Особенно значимым представляется использование длин волн, ассоциированных с поглощением коллагена, как потенциальных диагностических маркеров тяжести поражения. Наиболее информативными при этом являются исследования в ближнем инфракрасном диапазоне с длиной волны 910 нм и в среднем инфракрасном диапазоне с длиной волны 1200 нм.