Обладая высоким разрешением (порядка 40-50 мкм), метод компрессионной оптической когерентной эластографии (К-ОКЭ) в настоящее время активно применяется для картирования упругих свойств (в частности, жесткости) биотканей для задач дифференциальной диагностики опухолевых и неопухолевых процессов [1], а также оценки ответа тканей после проведенного лечения (например, выявление очагов отека и некроза) [2]. Анализ литературных данных показал, что основной областью применения К-ОКЭ являются онкологические процессы [3]. В данной работе мы используем метод К-ОКЭ для изучения упругих свойств стенки тонкой кишки в норме, что проводится впервые. Потребность в объективных интраоперационных данных о жесткости слоев тонкокишечной стенки обусловлена рядом сложных диагностических и лечебных задач: необходимостью дифференциальной диагностики острого и хронического воспаления в стенке кишки [4]; внедрением в реконструктивную хирургию пищеварительного тракта приемов микрохирургии, предполагающих прецизионное сопоставление слоев с различными параметрами жесткости [5]; в перспективе – необходимостью контроля за дистракционным энтерогенезом при синдроме короткой кишки [6].

Целью данного исследования было разработать методику и провести измерения жесткости всех слоев стенки тонкой кишки в норме методом К-ОКЭ. Измерения проводились на образцах (n=16) тонкой кишки 6 минипигов (самцы, массой 28-34 кг). Для получения эластограмм использовались уникальные алгоритмы и оптический когерентный томограф (ОКТ), разработанные в ИПФ РАН (г. Нижний Новгород). ОКТ работает на длине волны 1310 нм, разрешение по глубине составляет 10 мкм, латеральное 15 мкм. Картирование деформации ткани основано на векторном подходе к оценке межкадровой вариации градиента фазы ОКТ-сигнала [7]. При этом используется калибровочный силиконовый слой с известной жесткостью (для тонкой кишки 40 кПа) на поверхности ткани, что позволяет вычислять абсолютные значения жесткости (модуль Юнга, кПа) в ткани и стандартизировать уровень давления на ткань [8]. К-ОКЭ данные получали как со стороны серозной оболочки тонкой кишки (измерена жесткость серозного и нижележащего мышечного слоев), так и со стороны слизистой оболочки (измерена жесткость слизистого и подслизистого слоев). Картирование жесткости проводили с разной степенью давления ОКТ зонда на ткань, в режимах однократного и повторяющегося давления, а также при сжатии ткани с последующим разгружением. Таким образом, были получены зависимости напряжения от деформации, жёсткости от деформации и жёсткости от напряжения для всех четырех слоев стенки тонкой кишки в норме.

Было установлено, что при однократном нагружении со стороны серозной оболочки наибольшие значения жесткости при оказанном одноосном напряжении σ = 2 кПа зафиксированы у серозной оболочки (модуль Юнга Е ≃ 40 кПа), мышечная оболочка была менее жесткой (модуль Юнга Е ≃ 30 кПа). Наименьшие значения получены для слизистой (модуль Юнга Е ≃ 20 кПа) и подслизистой (модуль Юнга Е ≃ 10 кПа) оболочек. При этом при равномерном сжатии серозной и мышечной оболочек зависимости модуля Юнга от напряжения обладали меньшей нелинейностью, чем кривые для слизистого и подслизистого слоев. Установлено, что методом К-ОКЭ можно визуализировать морфологические особенности строения кишечной стенки: различать не только слои, но и определять наличие фолликулов и крупных сосудов в подслизистом слое, нервные ганглии между мышечными слоями. Кроме того, метод позволяет детектировать изменения в толщине слоев, например, атрофию серозного слоя, снижение высоты ворсин, утолщение подслизистого слоя.

Компрессия тканей с последующим разгружением при давлении более 30 кПа показала возникновение существенной гистерезисности у нелинейных зависимостей напряжения от деформации с частичной потерей биотканью способности возвращения к исходной форме, а повторное нагружение ткани приводило к повышению начальных значений жесткости.

В заключении, методом К-ОКЭ было показано, что механические свойства каждого из слоев кишечной стенки отличаются, как и характер зависимости модуля Юнга от напряжения. Представленная работа является начальным этапом применения К-ОКЭ для оценки упругих свойств отдельных слоев тонкокишечной стенки. Полученные результаты представляют значительный интерес в перспективе интраоперационного использования К-ОКЭ в широком спектре хирургических манипуляций с тонкой кишкой, предполагающих ее сжатие и контролируемое растяжение.

Работа поддержана грантом РНФ №19-75-10096.

1. Gubarkova E.V. et al. OCT-elastography-based optical biopsy for breast cancer delineation and express assessment of morphological/molecular subtypes // Biomed Opt Express. 2019. Vol. 10. P. 2244-2263.

2. Plekhanov A.A. et al. Histological validation of in vivo assessment of cancer tissue inhomogeneity and automated morphological segmentation enabled by Optical Coherence Elastography // Sci. Rep. 2020. Vol. 10. P. 11781.

3. Zaitsev V.Y. et al. Strain and elasticity imaging in compression optical coherence elastography: The two‐decade perspective and recent advances // J Biophot. 2021. Vol. 14. P. e202000257.

4. Gabbiadini R. et al. Application of Ultrasound Elastography for Assessing Intestinal Fibrosis in Inflammatory Bowel Disease: Fiction or Reality? // Curr Drug Targets. 2021. Vol. 22. P. 347-355.

5. Iida T. et al. Two-stage Reconstruction Using a Free Jejunum/Ileum Flap After Total Esophagectomy // Ann Plast Surg. 2020. Vol. 85. P. 638-644.

6. Bioletto F. et al. Efficacy of Teduglutide for Parenteral Support Reduction in Patients with Short Bowel Syndrome: A Systematic Review and Meta-Analysis // Nutrients. 2022. Vol. 14. P. 796.

7. Matveyev A.L. et al. Vector method for strain estimation in phase-sensitive optical coherence elastography // Laser Phys. Lett. 2018. Vol. 15. P. 065603.

8. Sovetsky A.A. et al. Full-optical method of local stress standardization to exclude nonlinearity-related ambiguity of elasticity estimation in compressional optical coherence elastography // Laser Phys. Lett. 2020. Vol. 17.

Compression optical coherent elastography (C-OCE) enabling high resolution (~40-50 µm) tissue elasticity mapping is currently actively used for such applications as differential diagnosis of tumor and non-tumor lesions [1], as well as for assessing the response of tissues to treatment (identifying foci of edema and necrosis) [2]. The literature data indicate that the main field of C-OCE is related to characterization of oncological processes [3]. In this study, for the first time we use C-OCE to evaluate the elastic properties of the small intestine wall in norm. Quantitative intraoperative evaluation of stiffness of the intestine layers is needed for differential diagnosis of acute and chronic inflammation in the intestinal wall [4]; the introduction of microsurgery techniques into reconstructive surgery of the digestive tract, involving precise comparison of the layers with different stiffness parameters [5]; the long term elasticity characterization can be used to control destruction enterogenesis in short bowel syndrome [6].

The aim of this study was to develop a C-OCE-based methodology and apply it for measuring stiffness of all layers of the small intestine wall in norm. The measurements were performed on 16 samples of small intestine taken from 6 minipigs (males, weighing 28-34 kg). Elastograms were obtained using own C-OCE algorithms and an optical coherence tomograph (OCT) developed at the IAP RAS (Nizhny Novgorod). OCT operates at a wavelength of 1310 nm, enabling a depth resolution of 10 µm, and a lateral resolution of 15 µm. For tissue deformation mapping a vector approach was used to assess the gradient of interframe phase variations of the OCT signal [7]. For stiffness quantification, a calibration silicone layer with a known stiffness (40 kPa for the small intestine) was placed on the tissue surface to evaluate the absolute values of the tissue stiffness (Young's modulus - E, kPa) for a chosen standardized level of pressure applied to the tissue [8]. C-OCE data were obtained both from the side of the serous membrane (such that the stiffness of the serous and muscle layers was measured), as well as from the side of the mucous membrane (such that the stiffness of the mucous and submucosal layers was measured). Stiffness mapping was performed with varying degrees of OCT probe pressure on the tissue, using both one-time and repeated loading, as well as using tissue compression followed by unloading. Thus, dependences of stress on strain, stiffness on strain, and stiffness on stress were obtained for all four layers.

It was established that under a single loading, the highest stiffness values for the applied uniaxial stress σ=2 kPa were found for the serous membrane (E≃40 kPa). The muscularis externa was less stiff (E≃30 kPa). The lowest values were obtained for the mucosal (E≃20 kPa) and submucosal (E≃10 kPa) membranes. With uniform compression of the serous membrane and muscularis, the dependences of Young's modulus on stress had less pronounced nonlinearity than the curves for the mucous and submucosal layers. C-OCE can visualize some morphological features within the intestine wall: follicles and large vessels in the submucosal layer, and nerve ganglia between the muscle layers. In addition, the method allows for detecting changes in the thickness of the layers, for example, atrophy of the serous membrane, a decrease in the height of the villi, thickening of the submucosal layer.

Tissue compression with subsequent unloading after reaching a compressive stress of more than 30 kPa showed the appearance of a significant hysteresis in the nonlinear stress-strain dependences with a partial loss of the ability of the tissue to return to its original shape. Repeated loading of the tissue led to an increase in the initial stiffness values.

To conclude, the performed C-OCE-based study indicated that the mechanical properties of each layer of the intestine wall demonstrated both quantitative and pronounced qualitative differences in the nonlinearity of the Young's modulus dependences on stress. The presented study is the initial stage of the application of C-OCE to assess the elastic properties of individual layers of the small intestine wall. The results obtained are of considerable interest in the perspective of intraoperative use of C-OCE in a wide range of surgical manipulations with the small intestine, involving its compression and controlled stretching.

The study was supported by Russian Science Foundation, grant No.19-75-10096.

1. Gubarkova E.V. et al. OCT-elastography-based optical biopsy for breast cancer delineation and express assessment of morphological/molecular subtypes // Biomed Opt Express. 2019. Vol. 10. P. 2244.

2. Plekhanov A.A. et al. Histological validation of in vivo assessment of cancer tissue inhomogeneity and automated morphological segmentation enabled by Optical Coherence Elastography // Sci. Rep. 2020. Vol. 10.

3. Zaitsev V.Y. et al. Strain and elasticity imaging in compression optical coherence elastography: The two‐decade perspective and recent advances // J Biophot. 2021. Vol. 14.

4. Gabbiadini R. et al. Application of Ultrasound Elastography for Assessing Intestinal Fibrosis in Inflammatory Bowel Disease: Fiction or Reality? // Curr Drug Targets. 2021. Vol. 22. P. 347.

5. Iida T. et al. Two-stage Reconstruction Using a Free Jejunum/Ileum Flap After Total Esophagectomy // Ann Plast Surg. 2020. Vol. 85. P. 638.

6. Bioletto F. et al. Efficacy of Teduglutide for Parenteral Support Reduction in Patients with Short Bowel Syndrome: A Systematic Review and Meta-Analysis // Nutrients. 2022. Vol. 14. P. 796.

7. Matveyev A.L. et al. Vector method for strain estimation in phase-sensitive optical coherence elastography // Laser Phys. Lett. 2018. Vol. 15.

8. Sovetsky A.A. et al. Full-optical method of local stress standardization to exclude nonlinearity-related ambiguity of elasticity estimation in compressional optical coherence elastography // Laser Phys. Lett. 2020. Vol. 17.