Основные научные результаты

В ходе выполнения работ по проекту в 2017 году получены следующие научные результаты.

  1. Проведено клиническое обследование пациентов с двусторонней вестибулярной патологией и отсутствующей неврологической симптоматикой на базе отделения нарушения баланса медицинского центра университета Маастрихта (Нидерланды). У 154 обследованных пациентов с двусторонней вестибулярной дисфункцией и отсутствующей неврологической симптоматикой присутствовала несбалансированность (98 %), осциллопсия (68 %), умеренная потеря слуха в обоих ушах (57 %), уменьшенные ответы с суммированной медленной фазовой скоростью нистагма менее 20°/с (100 %), аномальный позиционный тест (94 %), снижение ответов во вращательном (66 %). Скрининг на различные этиологические факторы выявил изменения в содержании витаминов (54 пациента), высокий уровень гликированного гемоглобина (4 пациента), субклинические признаки нарушения функции щитовидной железы (7 пациентов), антитела против бактерий к бореллиозу (10 пациентов), антитела против Treponema pallidum (0 пациентов), антитела к вирусам простого герпеса, цитомегаловирусу, вирусу ветряной оспы (71 пациент). В процессе данного обследования удалось установить, что среди отобранного массива пациентов все 100 % удовлетворяют минимальным требованиям по степени развития двусторонней вестибулярной дисфункции (ДВД) (высокая несбалансированность, осциллопсия, суммарный битермальный калорический тест, аномальный позиционный тест, двустороннее поражение вестибулярных органов), что свидетельствует о критическом уровне снижения вестибулярной функции и о исчерпании резервов организма по ее восстановлению. А это значит, что каждый из них потенциально может быть включен в группу для последующей вестибулярной имплантации после достоверного установления нецентрального происхождения патологии другими высокотехнологичными методами обследования, такими как, например, МРТ и КТ-томографирование.
  2. С целью выяснения причины, повлекшей развитие патологии ДВД, осуществлен скрининг пациентов с вестибулярными нарушениями для формирования репрезентативных выборок. По результатам анализа клинических данных, анамнеза жизни и наследственного анамнеза установлено, что настоящее исследование охватывает более 20 различных этиологий. На основании проведенного исследования наиболее частыми неидиопатическими этиологиями вестибулярной гипофункции были генетические расстройства (17 %), болезнь Меньера (16 %), ото- и вестибулотоксичность (12 %), инфекционные заболевания (6 %). Среди установленных причин возникновения ДВД у 154 пациентов, госпитализированных в вестибулярное отделение университета Маастрихта, можно также выделить: новообразования (n=5), последствия травмы (n=2), нейродегенеративные заболевания (n=6), послеоперационные осложнения (n=1), аутоиммунные процессы (n=3), врожденные аномалии (n=2), метаболические нарушения (n=1), комбинированная этиология (n=6), сосудистая патология (n=2). Предпринята попытка установить причину ДВД у группы пациентов с невыясненной причиной. Идентичность сравниваемых групп по возрасту, полу, сопутствующим и фоновым заболеваниям, по основным и дополнительным признакам ДВД и изменение проявлений этих признаков в ответ на медикаментозное купирование эндотелиальной дисфункции демонстрирует участие последней в патогенезе синдрома идиопатической вестибулопатии. В результате исследования решена важная фундаментальная задача по оценке распространенности различных этиологических факторов при формировании ДВД. Определены потенциальные группы этиологий, при диагностировании которых возможна вестибулярная имплантация (например, болезнь Меньера, вестибулотоксическое поражение и т.д.), а также те, при которых она не показана (например, нейродегенеративные заболевания, двусторонние неопластические процессы и т.д.). Интересным с научной точки зрения представляется корреляция этиологий с различными анатомическими изменениями вестибулярного лабиринта, что с одной стороны, вероятно, поможет спрогнозировать эффективность замещения утраченной функции равновесия, а с другой стороны, будет являться фундаментом при последующем трехмерном моделировании здорового и патологически измененного органа.
  3. Для идентификации вестибулярных нарушений центрального (мозгового) происхождения и последующего исключения таких пациентов из списка перспективных для имплантации проведено изучение МРТ и КТ-снимков исследований пациентов с ДВД, госпитализированных в вестибулярное отделение медицинского центра университета Маастрихта с различным уровнем проявления вестибулярной недостаточности. При обследовании 119 человек из группы с ДВД у четверти были обнаружены центральные патологии: нейродегенеративные процессы в коре больших полушарий и мозжечка (7,6 %), неопластические процессы в области слухового нерва (4,2 %), водянка головного мозга (0,8 %). У 12,6 % исследуемых визуализированы последствия сосудистых нарушений в вестибулярной коре и супра-, инфратенториальной областях головного мозга.  В группе контроля, состоящей из 15 человек, изучение МРТ и КТ-снимков только у 16,5 % обследуемых были обнаружены изменения в головном мозге, типичные для сосудистых нарушений. Нейродегенерации, неопластические образования и т.д. не определялись. При проведении этих исследований из общего числа обследуемых были исключены пациенты с диагностированными нейродегенерациями, опухолями нервов, следами прошлой ишемии и инфаркта в области вестибулярной коры и супра-, инфратенториальных областях головного мозга, гидропсом головного мозга, ввиду того, что их наличие делает имеющуюся ДВД патологию независимой от работы периферического вестибулярного органа, ввиду центрального происхождения. А значит, замена функции вестибулярного аппарата через стимулирование вестибулярных окончаний лабиринта заведомо является неэффективным методом.
  4. На основе снимков МРТ/КТ высокого разрешения создана детализированная анатомическая модель вестибулярного аппарата человека с разделением на твердые и мягкие ткани моделируемого органа и сохранением их реального анатомического положения, как внутри височной кости, так и черепа в целом. Анатомическая модель включает в себя основные структуры лабиринта, такие как костный лабиринт, эндолимфа и перилимфа, вестибулокохлеарный нерв, а также данные об электрических свойствах вестибулярного аппарата и вестибулярных нервов. Анатомическая модель основана на результатах МРТ- и КТ-исследований пациентов, которым показана имплантация. Анатомическая модель необходима для разработки метода оптимизации передаточной функции вестибулярного импланта.  При построении детализированной анатомической модели вестибулярного органа были использованы   МРТ/КТ высокого разрешения с сохранением их реального анатомического положения как внутри височной кости, так и черепа в целом.  Анатомия твердых тканей (кости) была получена в процессе сегментирования КТ изображений, анатомия мягких тканей и жидкостей была получена в процессе сегментирования МРТ изображений с коррекцией положения по данным сегментирования КТ изображений. Сегментирование тканей вестибулярного органа человека по данным компьютерной и магнитно-резонансной томографии осуществлялось с применением современного специализированного программного обеспечения. Для определения электрических характеристик  анатомическая модель была разделена на домены одинаковых электрических свойств.  Полученная модель служит основой для построения физико-математической модели распространения электрических потенциалов и плотности электрического тока в височной кости человека, разработки метода оптимизации передаточной функции вестибулярного импланта.
  5. Для выявления нарушений вестибулярного аппарата и установления корреляции ДВД с анатомическими изменениями периферического вестибулярного аппарата проведен анализ МРТ/КТ изображений  внутреннего уха в общей выборке пациентов при помощи высокопольного МРТ и КТ-методов. Из общего числа обследованных 119 пациентов  патологические изменения в анатомической структуре лабиринта внутреннего уха были диагностированы лишь в 23 случаях. При МРТ-исследовании с контрастным веществом (гадолиний), введенным парентерально, у 10 пациентов обнаружен стойкий значительный эндолимфатический гидропс, свидетельствующий о наличии болезни Меньера в одном или обеих лабиринтах. В 2 случаях было установлено значимое снижение количества  жидкости (пери- и эндолимфы) во внутреннем ухе и следы механического повреждения органов внутреннего уха, что свидетельствовало о травматическом развитии вестибулярной гипофункции. У 2 пациентов визуализирована частичная облитерация полукружных каналов, вероятно, носящая врожденный характер. Признаки кальцификации и фиброза лабиринта   зафиксировали у 5 человек. Они, в свою очередь, могли являться последствиями воспалительных процессов (менингит, лабиринтит и т.д.). У 1 человека с диагностированным синдромом Когана выявлены признаки воспаления во внутреннем ухе. У 3 человек отмечалось снижение интенсивности сигнала при визуализации структур внутреннего уха. Во всех случаях положение органа в структуре височной кости носило нормальный характер, а анатомия и метрические характеристики вестибулярного лабиринта также не отличались от средних. Результаты данного исследования носят фундаментальный характер. В ходе него удалось установить, что лишь малая часть этиологий ДВД коррелируют с анатомическими изменениями периферического вестибулярного аппарата, определяемыми при помощи самых современных инструментальных диагностических подходов. В ходе этого этапа, сформирован окончательный пул всесторонне обследованных перспективных претендентов на операцию по замещению функции равновесия при помощи вестибулярного импланта. Они удовлетворяют всем строгим критериям включения в клиническое исследование: вестибулярная функция потеряна окончательно с крайне низкими перспективами восстановления, вестибулярная патология периферическая  и поражение органа носит двусторонний характер. 
  6. На основе созданной детализированной анатомической модели и методов импедансометрии вестибулярного органа человека определены электрические свойства тканей вестибулярного лабиринта. Проведен анализ уже описанных в литературе экспериментов на биологических объектах, с целью выявления типовых значений физических параметров тканей вестибулярного органа. Экспериментальное исследование in-vitro электрических свойств изолированных височных костей человека проводилось на базе университета Маастрихта. Для разработки методики эксперимента на височной кости человека проведены предварительные исследования in vitro образцах лабораторных животных. Расположение электродов для стимулирования вестибулярного нерва соответствовало реальному расположению их во время операции по имплантации. Показано, что амплитудно-фазовые характеристики импульсов тока зависят от положения «нулевого» электрода в вестибулярном органе. В результате исследований были определены электрические параметры основных компонентов вестибулярного органа человека. Проведенные эксперименты in vitro показали наличие фазового сдвига у электрического сигнала, проходящего путь ампула – вестибулярный нерв.
  7. Разработана физическая модель распространения тока через ткани вестибулярного органа. Ткани вестибулярного лабиринта представляют собой сложную по химическому составу многокомпонентную гетерогенную среду, значительно различающиеся по физическим характеристикам, в том числе по электропроводным и диэлектрическим свойствам и, соответственно, обладающую электроимпедансными характеристиками по отношению к импульсам тока, исходящим от электродов. Следовательно, стимулирующий импульс тока от электрода до вестибулярного нерва проходит определенное расстояние, которое зависит от положения электродов. В итоге амплитуда и форма токового импульса, которую воспринимает афферентный нерв, будут отличаться от их первоначальных значений, и, следовательно, передаточная функция вестибулярного импланта будет изменяться. Таким образом, задача нахождения оптимального режима электрической стимуляции вестибулярного нерва и, соответственно, улучшения передаточной функции, является на сегодня наиболее актуальной, т.к. ее решение дает возможность совершенствования вестибулярного импланта и управления его передаточной функцией. При разработке физической модели распространения электрического тока через ткани вестибулярного органа использовалась детализированная анатомическая модель и электрические характеристики тканей вестибулярного лабиринта. Для вычисления амплитудно-фазовых характеристик стимулирующего импульса тока  использовались интегральный и дифференциальный подходы. Построенная физическая модель отражает фундаментальные процессы, протекающие при электростимуляции вестибулярного аппарата человека, и позволяет исследовать поведение силовых линий и линий тока для различных конфигураций расположения электродов и различных форм и амплитуд внешнего стимула.

Предложенная физическая модель в интегральном и дифференциальном приближении и результаты расчетов могут служить основой для проектирования нового типа вестибулярных имплантов и оптимизации работы уже существующих с целью улучшения их передаточной функции.

По результатам работы опубликовано 5 научных работ в научных журналах, индексируемых в Web of Science и Scopus.

Все запланированные в 2017 году работы выполнены в полном соответствии с техническим заданием на проведение НИР.