Studentiem un darbiniekiem

Biofotonika veterinārajā medicīnā - ievaddarbības un pirmie soļi (GoBVM)

Projekta nosaukums:

"Biofotonika veterinārajā medicīnā - ievaddarbības un pirmie soļi (GoBVM)."

Projekta līguma numurs:

1.1.1.2/VIAA/3/19/455

Projekta partneri:

Pet City, SIA (Dr. Alla Olivrī, veterinārārsts)

Vets4science d.o.o (Dr. Aleksandar Plavšić, veterinārārsts)

College of Veterinary Medicine, the Ohio State University (Prof. Laura Selmic, veterinārārsts)

Projekta īstenošanas termiņš:

36 mēneši (01.05.2020. – 30.06.2023.)

Projekta kopējais finansējums:

133805,88 EUR (ERAF, 85%: 113734.99 EUR, valsts budžets, 10%:  13380,58 EUR, privātais finansējums no LU, 5%: 6690,31 EUR)

Projekta zinātniskais vadītājs:

Blaž Cugmas (Biofotonikas laboratorija)

Par projektu:

Šis pēcdoktorantūras projekts (GoBVM) paredz palielināt biofotonikas izmantošanu veterinārmedicīnā. Ar plašu literatūras apskatu un starpdisciplināru ekspertu grupu tiks identificētas galvenās veterinārijas problēmas, kuras varētu atrisināt ar biofotoniku. Dažas no tām tiks aplūkotas ierosinātā projekta laikā, izmantojot esošās un pašu izstrādātās biofotonikas tehnoloģijas (infrasarkanais termometrs, daudzkanālu fotopletizmogrāfija (PPG), hiperspektrālā attēlveidošana, optiskās koherences tomogrāfija). Pirmkārt, mēs samazināsim dzīvnieku stresu suņu un kaķu ķermeņa temperatūras mērījumos. Turklāt pie pilnas apziņas esošu (bez anestēzijas) suņu un liellopu monitoringam (sirdsdarbības ātrums, asinsspiediena izmaiņas un siltuma noteikšana) tiks izmantota kompleksa PPG sistēma. Visbeidzot, projekta izaicinājums būs modernu optisko sistēmu izveide invazīvās smalkās adatas aspirācijas citoloģijai (FNAC) suņu un kaķu ādas audzēja noteikšanai. GoBVM paplašinās veterinārās biofotonikas izmantošanas jomas, kas var uzlabot dzīvnieku un cilvēku veselību.

Projekta rezultāti u.c. informācija par projekta īstenošanu:

1. Perspektīvs pārskata dokuments par biofotoniku veterinārmedicīnā

Mēs veiksim literatūras meklējumus pētījumiem, kur pielieto biofotoniku vai biomedicīnas optiku veterinārijā, izmantojot piecas datubāzes: Web of Science (Thomson Reuters), Pubmed, Google Scholar, SPIE Digital Library un OSA Publishing. Izvēlētajiem pētījumiem būs skaidri jānosaka mērķis atrisināt veterināro problēmu. Tāpēc, ja dzīvnieki tika izmantoti kā modeļi vai ja dzīvnieku mērķis nebūs skaidrs, raksts netiks ņemts vērā. Meklēšanas stratēģija balstīsies uz atslēgvārdiem, piemēram: “veterinārā medicīna”, “biophotonika”, “biomedicīnas optika”, “mājdzīvnieki”, „pavadoņi”, „diagnostika” utt. Pēc izvēlēto pētījumu pārskatīšanas un analīzes, tiks meklēti daudzsološi veterinārie izaicinājumi (profilaktiskie, diagnostiskie, prognostiskie un terapeitiskie), kurus varētu risināt, izmantojot biofotoniku un biomedicīnas optiku.

Rezultāti:

  • pārskata raksts (kas publicēti žurnālos vai konferenču rakstu krājumos, kuru citēšanas indekss sasniedz vismaz 50 procentus no nozares vidējā citēšanas indeksa),
  • dalība, prezentācijas, uzaicinātās personas prezentācijas, un personiskas diskusijas fotonikas un veterinārās konferencēs,
  • Zinātnieku Nakts prezentācija un raksts vietējā avīzē.

2. Bezkontakta temperatūras mērījumi

Mēs izstrādāsim bezkontakta infrasarkano termometru, izmantojot vienu no medicīniskajiem IR sensoriem. Sensors tiks ievietots kompaktā korpusā. Izmērītie dati tiks nosūtīti caur Bluetooth uz mobilo tālruni, kas ļaus lietotājam ērti veikt klīniskos mērījumus. Termometrs tiks klīniski pārbaudīts uz suņiem un kaķiem (Pet City SIA). Provizorisko mērījumu gaitā mēs identificēsim veiksmīgākās mērīšanas vietas uz ķermeņa, salīdzinot IR ar taisnās zarnas temperatūru. Pēc tam mērījumi tiks veikti tikai izvēlētajās ķermeņa vietās lielākam dzīvnieku skaitam. Paralēli, tiks veikti dzīvnieku aizsardzības rādītāji, kas mums palīdzēs apstiprināt mūsu hipotēzi, ka bezkontakta IR temperatūras mērījumi dzīvniekam ir tīkamāki, salīdzinot ar tradicionālo taisnās zarnas metodi.

Rezultāti:

  • IRT ierīce (jauns produkts un tehnoloģija, ko var komercializēt),
  • publikācija veterinārajā žurnālā (kas publicēti žurnālos vai konferenču rakstu krājumos, kuru citēšanas indekss sasniedz vismaz 50 procentus no nozares vidējā citēšanas indeksa),
  • komunikācijas pasākumi ar dzīvnieku īpašniekiem.

3. PPG monitorings

Mēs modificēsim esošo fotopletizmogrāfijas ierīci (PPG), kas darbojas Arduino vidē. Mēs pievienosim papildu pulsa oksimetra un EKG diodes, kas ļaus iegūt papildu PPG parametrus, kā pulsa izplatīšanās laiku (PTT) un pulsa pienākšanas laiku. Jaunā ierīce tiks validēta suņiem (Vets4science). PPG un EKG dati tiks iegūti dzīvniekiem vispārējās anestēzijas laikā (ķirurģiskās operācijas laikā). Signāls tiks apstrādāts un salīdzināts ar tādiem fizioloģiskajiem parametriem, kā sirdsdarbības frekvenci, elpošanas frekvenci un asinsspiedienu. Papildus, ierīce tiks testēta liellopa siltuma noteikšanai. Līdztekus PPG signāla iegūšanai (vulvas asins tilpuma izmaiņas) tiks mērīta asins progesterona un dzeltenā ķermeņa klātbūtne un izmērs.

Rezultāti:

  • PPG ierīce (jauns produkts un tehnoloģija, ko var komercializēt),
  • divas konferenču publikācijas,
  • PPG dati publicēti Zenodā.

4. Audzēju biofotonika

Mēs izvēlēsimies potenciālās biofotoniskās metodes, ar kurām var atklāt un atšķirt suņu un kaķu ādas un zemādas audzējus. Atlases pamatā būs zināšanas, kas iegūtas WP1 laikā (pārskats par biofotoniku). Papildus mūsu (dažādām spektrālās un fluorescences attēlveides metodēm) un partneru ierīcēm (College of Veterinary Medicine, the Ohio State University), var meklēt papildu metodes (piem., fotoakustiku). Tad izvēlētās metodes tiks pārbaudītas klīniski. Vispirms dzīvniekam (sunim vai kaķim), kas nodots plānveida audzēja ekstrakcijas operācijai, tiks veikta vispārēja anestēzija, un tiks noskūts apmatojums audzēja apvidū. Tad tiks veikti optiskie mērījumi un FNAC (citoloģija, pašreizējais klīniskais standarts). Pēc operācijas pabeigšanas, izgriezts audzējs tiks nosūtīts histopatoloģiskajam patologa novērtējumam, kas būs mūsu zelta standarts. Optiskie mērījumi tiks analizēti saskaņā ar tehnoloģiju (piem., hromoforu, asinsvadu blīvuma aprēķini utt.). Pamatojoties uz zelta standartu, tiks aprēķināta sensitivitāte un specifiskums katrai biofotonikas paņēmiena un FNAC (spējas noteikt ļaundabīgus audzējus).

Rezultāti:

  • raksts respektablā biofotonikas žurnālā (kas publicēti žurnālos vai konferenču rakstu krājumos, kuru citēšanas indekss sasniedz vismaz 50 procentus no nozares vidējā citēšanas indeksa)

Projekta 1. ceturkšņa rezultāti (01.05.20.-31.07.2020.)

1. Projekta pirmie trīs mēneši aizsākti ar literatūras izpēti veicot Pubmed vai Biomedicīnas optikas pētījumu meklēšanu veterinārajā medicīnā , izmantojot piecas datu bāzes: Zinātnes tīmeklis (Thomson Reuters), Biofotonika(Biophotonics), Google Guarly, SPIE Digital Library un OSA Publishing. Notika vairākas tikšanās ar projekta partneri dr. Olivry, kurās apspriedām iespējamos uzlabojumus esošajā pētniecības darbā un daudzsološas veterinārās problēmas, kuras varētu risināt ar biofotonikas un biomedicīnisko optiku.

2. Tika konstruēts un veikti provizoriski mērījumi ar bezkontakta infrasarkano termometru, kas balstās uz vienu no medicīnas IR sensoriem (piemēram, MLX90615). Veicot provizoriskos mērījumus, es atklāju, ka āda ir jāpārbauda, vai nav iespējami iekaisumi, kas var paaugstināt temperatūru. 

3. Veikti projekta izplatīšanas un komunikācijas pasākumi – ievietota informācija par projektu LU mājas lapā, projektu īstenojošā institūta mājas lapā, kā arī projekta īstenošanas vietā izvietota informācija par projektu un finansējumu A3 plakāta formātā.

Projekta 2. ceturkšņa rezultāti (01.08.2020.-31.10.2020.)

  • Turpmākajos 3 mēnešos turpināju ar atbilstošas literatūras meklēšanu un izpēti par suņu audzēju morfoloģiju, piemēram, šūnu izmēru, lipomām, sarkomām un mastu šūnu audzējiem kā arī par dermatoskopijas potenciālu, pētot suņu apmatojumu t.i. trihogrammu, kura būs nepieciešama pie jaunās publikācijas sagatavošanas.

Dermatoskopi ir ļoti populāri cilvēka dermatoloģijā, bet ne veterinārajā medicīnā. Tika testēta optiskā sistēma ar dermatoskopu izmantošanai veterinārajā dermatoloģijā. Tika noskaidrots, ka sistēma ir ļoti piemērota suņu ādas kolorimetriskajiem mērījumiem. Nākotnē tiek plānots veicināt šīs sistēmas izmantošanu suņiem. Rezultāti tika publicēti žurnālā Sensors, kurš ir vadošais starptautiskais - recenzēts atklātās piekļuves žurnāls par sensoru zinātni un tehnoloģijām.

Informācija par rakstu: Cugmas B, Štruc E, “Apliecināmā viedtelefona teledermoskopijas sistēmas precizitāte krāsu mērījumos kanīna apvalkā”, Sensori 20 (21), 6234, 2020; https://doi.org/10.3390/s20216234.

  • Tika turpināti temperatūras un eritēmas mērījumi. Tika uzsākta arī jau esošo infrasarkano ierīču uzlabošana. Daži no mūsu provizoriskajiem mērījumiem tika prezentēti "Trešās starptautiskās konferences Biophotonics Riga-2020" konferences dokumentā: Cugmas B, Viškere D., Štruc E, Spīgulis J., “Izvēlēties eritēmas indeksu un attēla paraugu ņemšanas metodi objektīvās eritēmas noteikšanai suņiem ar atopisko dermatītu”, SPIE Proceedings, 11585, 115850E, 2020, DOI: 10.1117/12.2581997.

Projekta 3. ceturkšņa rezultāti (01.11.2020.–31.01.2021.)

  • Pēdējos 3 mēnešos tika turpināts darbs pie pārskata raksta sagatavošanas, atsaucoties uz jaunākiem rakstiem, kuri publicēti 2020. gadā, kas attiecas uz suņu un kaķu audzējiem un kurus pēta ar AZT metodi. Papildus tika strādāts pie publikācijas, kas veicina dermatoskopijas pielietošanu veterinārajā dermatoloģijā. Tika iesniegts manuskripts, kas ir pieņemts un tuvākajā laikā tiks publicēts. (Cugmas B, Olivry T, “Izvērtējiet ādas eritēmas smagumu, veicot dermatoskopiju suņiem ar atopisko dermatītu”, Vet. Derm. 2021, doi: 10.1111/vde .12932). https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/vde.12932 
  • Tiek turpināti temperatūras mērījumi ar IRT ierīces moduli, kurā izmantots MLX90615 sensors. Iegūtie dati tiek analizēti atkarībā no dzīvnieku sugas (suņi pret kaķiem). Atttiecībā par mērījumiem uz kaķiem tiek apstrādāti dati, lai gatavotu publikāciju konferencei SPIE Photonics West 2021 un plānots, ka tā tiks publicēta 2021. gada martā.Attiecībā uz ādas iekaisumu (eritēmu) sadarbībā ar partneri SIA Pet City saņemti ādas attēlu paraugi, kuri tika analizēti un iegūtie dati tika izmantoti papildinot jau iepriekš publicēto rakstu (doi: 10.1117/12.2581997). Jaunais raksts 2021. gada janvārī tika iesniegts žurnālam Sensors un plānots, ka raksts tiks publicēts 2021. gada februārī vai martā.
  • Projekta rezultāti tika prezentēti 05.11.2020. ASI Zinātniskajā seminārā, kurš notika attālināti MS Teams vidē, sakarā ar “Covid-19” situāciju. 

Projekta 4. ceturkšņa rezultāti (01.02.2021.-31.04.2021.)

  • 06.01.2021. tika publicēts pārskata raksts par dermataskopijas veicināšanu veterinārajā medicīnā žurnālā Veterinary dermatology "Evaluation of skin erythema severity by dermatoscopy in dogs with atopic dermatitis. Vet Dermatol, 32: 183-e46. doi.org/10.1111/vde.12932. Pēdējo 3 mēnešu laikā tika turpināts darbs pie pārskata raksta sagatavošanas, pievēršot uzmanību lāzera izmantošanai veterinārajā medicīnā. Izpētot literatūru tika secināts, ka lāzerus parasti izmanto operācijām vai terapijai. Tika secināts, ka esošajos pētījumos vajadzētu iesaistīt vairāk dzīvnieku, izmantot standarta apgaismojuma protokolus un izvēlēties atbilstošas kontroles grupas.
  • IRT ierīce - termometrs ir izgatavots un pārbaudīts klīnikā. Termometrs ietver punktveida un blokveida IR sensorus (MLX90615, SPX-14768). Galvenokārt IR termometrs tika pārbaudīts uz kaķiem un rezultāti tika prezentēti konferencē SPIE. BiOS, kura notika virtuāli no 06.03.-11.03.2021. Tika publicēta konferenču tēže: Blaž Cugmas, Eva Štruc, Tanja Plavec “Agreement between body surface and rectal temperature in cats," Proc. SPIE 11651, Optical Diagnostics and Sensing XXI: Toward Point-of-Care Diagnostics, 116510Y (5 March 2021); doi.org/10.1117/12.2581221”. Tika sagatavots un iesniegts raksts par suņu ādas eritēmas novērtēšanu, kas var ietekmēt ādas temperatūru. Tas tika publicēts 11.02.2021.: Cugmas, B .; Viškere, D .; Štruc, E .; Olivijs, T. "Evaluation of Erythema Severity in Dermatoscopic Images of Canine Skin: Erythema Index Assessment and Image Sampling Reliability", Sensors 2021, 21, 1285. doi.org/10.3390/s21041285.
  • Tika izveidota pirmā PPG testa ierīce, kas tiks izmantota mērījumos uz govīm. Ierīces pamatā ir sensors MAX30105, kas iegūst PPG datus zaļās, sarkanās un infrasarkanās gaismas diapazonā. Ierīce var izrakstīt datus ar 100 Hz. Kopā ar klīnisko partneri pašlaik tiek rakstīts protokols par PPG mērījumiem.

Projekta 5. ceturkšņa rezultāti (01.07.2021.-30.09.2021.)

  • Kopā ar projekta sadarbības partneriem tika pētīts, cik labi veterinārārsti izmanto mikrobioloģisko agaru, lai identificētu un pārbaudītu urīna patogēno baktēriju jutību pret mikrobiem suņiem un kaķiem. Mani galvenie uzdevumi bija: sagatavot gaismas kasti, kas ļautu iegūt skaidrus agara attēlus, apstrādāt rezultātus un pamatojoties uz iegūto pētījumu rezultātiem sagatavot publikāciju par šo tēmu. Rezutātā tika sagatavots un publicēts zinātniskais raksts: Cugmas B, Avberšek M, Rosa T, Godec L, Štruc E, Golob M, Zdovc I “How Accurate Are Veterinary Clinicians Employing Flexicult Vet for Identification and Antimicrobial Susceptibility Testing of Urinary Bacteria?”, Antibiotics, 10(10), 1160, 2021. doi.org/10.3390/antibiotics10101160”. Žurnāls Antibiotics (ISSN 2079-6382) ir Q2.
  • Tika pabeigti PPG mērījumu protokoli govīm. Paralēli PPG mērījumiem govis tiks pārbaudītas arī ar ultraskaņu, auskultāciju un asins hormonu mērīšanu. Tika uzsākts veidot PPG ierīci suņiem un kaķiem. Secināts, ka suņu/kaķu PPG ierīcei būs jābūt vienam papildu PPG un vienam EKG sensoram;
  • Tika turpināti ex-vivo mērījumi suņu un kaķu ādai un zemādas audzējiem, izmantojot AZT un Ramana spektroskopiju. Papildus tika veikti veicām daži Ramana attēlveidošanas mērījumi. Pēc 1115 lipomas, sarkomas un tuklo šūnu audzēju AZT attēlu savākšanas, tika apstrādāti attēli, lai iegūtu standarta novirzes, vidējā, diapazona un variācijas koeficienta sadalījumu. Klasifikācijas analīzei tika izmantota lineāra diskriminējošā analīze, neizmantojot savstarpēju atbilstības noteikšanu. Tiek strādāts pie zinātniskā raksta sagatavošanas iespējamai publikācijai žurnālā.