Цифровой двойник грудной клетки помог рассчитать проникновение света к лёгким

Исследователи из Физического института Сан-Карлос Университета Сан-Паулу (IFSC-USP) в сотрудничестве с коллегами из Бразилии, США и Новой Зеландии разработали метод вычислительного моделирования распространения терапевтического света сквозь грудную клетку. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences при поддержке бразильского фонда FAPESP.

Как строился цифровой двойник

Авторы использовали КТ-снимки четырёх человек: здорового участника для сравнения, пациента с очаговой бактериальной пневмонией, с диффузной бактериальной пневмонией и с COVID-19-ассоциированным поражением лёгких. На основе этих данных были построены трёхмерные воксельные модели с разрешением 0,1 см, в которых каждый воксель отнесён к одному из 12 типов тканей — от кожи и рёбер до разных зон лёгочной ткани.

Распространение фотонов в каждой модели рассчитывалось методом Монте-Карло: программа «запускает» миллионы отдельных фотонов и отслеживает, как каждый из них рассеивается или поглощается, проходя через слои разных тканей. Результаты дополнительно верифицировали оптическими измерениями у двух добровольцев.

Что показало моделирование

Задача исследования состояла в сравнении нескольких длин волн и конфигураций облучения — не в клиническом лечении пациентов:

• Из изученных длин волн излучение 808 нм (ближний инфракрасный диапазон) обеспечивало наилучшее проникновение к лёгочной ткани
• Облучение с четырёх сторон (спереди, сзади и с боков) давало более равномерное распределение, чем одностороннее
• Расчётная средняя облучённость здоровой лёгочной ткани при оптимальной конфигурации 808 нм составила около 0,0234 мВт/см²
• Доля нормальной ткани в моделях лёгких: у здорового — около 91%; при очаговой бактериальной пневмонии — около 58,9%; при диффузной — около 54,1%; при COVID-19 — около 69,9%

Авторы подчёркивают: речь идёт не о клиническом испытании лечения пневмонии. Исследование анализирует распространение неионизирующего видимого и ближнего инфракрасного света, а не рентгеновского излучения или какой-либо другой формы ионизирующего излучения.

Ограничения и следующие шаги

Метод пока не готов к клиническому применению — необходимы проспективные исследования эффективности и безопасности. Четыре КТ-модели и измерения на двух добровольцах составляют пилотную работу по методологии дозиметрии, а не доказательство терапевтической эффективности светолечения при пневмонии. Авторы также специально предостерегают от попыток самолечения на основе этих данных.

Читайте также: Учёные открыли молекулярные подтипы тяжёлой пневмонии, требующие разного лечения.

Тем не менее разработанный подход открывает возможность персонализированного планирования фотобиомодуляционной терапии: на основе КТ-снимков конкретного пациента можно рассчитать оптимальные параметры облучения ещё до начала лечения, учитывая индивидуальные особенности строения грудной клетки и характер поражения лёгких.