Naujas rankinis skaitytuvas, kurį sukūrė UCL mokslininkai, vos per kelias sekundes gali sukurti labai detalius 3D fotoakustinius vaizdus, pirmą kartą atverdamas kelią jų naudojimui klinikinėje aplinkoje ir suteikia galimybę anksčiau diagnozuoti ligą.
Tyrime, paskelbtame m Gamtos biomedicinos inžinerija, komanda rodo, kad jų technologija gali pateikti gydytojams fotoakustinės tomografijos (PAT) vaizdinius nuskaitymus realiu laiku, suteikdama jiems tikslius ir sudėtingus kraujagyslių vaizdus, taip padedant informuoti apie pacientų priežiūrą.
Fotoakustinėje tomografijoje naudojamos lazeriu generuojamos ultragarso bangos, kad būtų galima vizualizuoti subtilius pokyčius (ankstyvą ligos žymenį) iki 15 mm gylio venose ir arterijose žmogaus audiniuose.
Tačiau iki šiol esama PAT technologija buvo per lėta, kad būtų galima sukurti pakankamai aukštos kokybės 3D vaizdus, kuriuos galėtų naudoti gydytojai.
Atliekant PAT nuskaitymą, pacientai turi būti visiškai nejudantys, o tai reiškia, kad bet koks judesys lėtesnio skenavimo metu gali sukelti vaizdų susiliejimą ir todėl negarantuoja kliniškai naudingų vaizdų.
Senesniems PAT skaitytuvams nufotografuoti užtrukdavo daugiau nei penkias minutes – sutrumpinus šį laiką iki kelių sekundžių ar mažiau, vaizdo kokybė gerokai pagerėjo ir kur kas labiau tinka silpniems ar prastiems žmonėms.
Tyrėjai teigia, kad naujasis skaitytuvas galėtų padėti diagnozuoti vėžį, širdies ir kraujagyslių ligas bei artritą per trejus ar penkerius metus, jei bus atlikti tolesni tyrimai.
Atitinkamas autorius, profesorius Paulas Beardas (UCL medicinos fizikos ir biomedicinos inžinerija bei Wellcome / EPSRC intervencinių ir chirurginių mokslų centras) sakė: „Pastaraisiais metais mes nuėjome ilgą kelią su fotoakustiniu vaizdavimu, tačiau vis dar buvo kliūčių naudoti tai klinikoje.
„Proveržis šiame tyrime yra pagreitėjęs vaizdų gavimo laikas, kuris yra nuo 100 iki 1000 kartų greitesnis nei ankstesni skaitytuvai.
„Šis greitis leidžia išvengti judesio suliejimo, todėl gaunami labai detalūs vaizdai, kurių kokybė negali suteikti joks kitas skaitytuvas. Tai taip pat reiškia, kad užuot užtrukus penkias minutes ar ilgiau, vaizdus galima gauti realiuoju laiku, todėl galima vizualizuoti dinamišką vaizdą fiziologiniai įvykiai.
„Dėl šių techninių pažangų sistema pirmą kartą tinkama klinikiniam naudojimui, todėl galime pažvelgti į žmogaus biologijos ir ligų aspektus, kurių anksčiau negalėjome.
„Dabar reikia daugiau tyrimų su didesnėmis pacientų grupėmis, kad patvirtintume mūsų išvadas.”
Profesorius Beardas pridūrė, kad pagrindinis potencialus naujojo skaitytuvo panaudojimas buvo uždegiminio artrito įvertinimas, dėl kurio reikia nuskaityti visus 20 abiejų rankų pirštų sąnarių. Su naujuoju skaitytuvu tai galima padaryti per kelias minutes – senesni PAT skaitytuvai užtrunka beveik valandą, o tai per ilgai senyviems, silpniems pacientams, sakė jis.
Skaitytuvo bandymas su pacientais
Tyrimo metu komanda išbandė skaitytuvą atlikdama ikiklinikinius tyrimus su 10 pacientų, sergančių 2 tipo cukriniu diabetu, reumatoidiniu artritu ar krūties vėžiu, kartu su septyniais sveikais savanoriais.
Trims pacientams, sergantiems 2 tipo cukriniu diabetu, skaitytuvas sugebėjo sukurti išsamius 3D pėdų mikrovaskuliacijos vaizdus, išryškinančius kraujagyslių deformacijas ir struktūrinius pokyčius. Skaitytuvas buvo naudojamas odos uždegimui, susijusiam su krūties vėžiu, vizualizuoti.
Andrew Plumb, UCL medicinos vaizdų gavimo docentas ir UCLH konsultantas radiologas bei vyresnysis tyrimo autorius, sakė: „Viena iš komplikacijų, kurias dažnai patiria diabetu sergantys žmonės, yra sumažėjęs kraujo tekėjimas galūnėse, pvz., pėdose ir apatinėse. kojos, dėl mažų kraujagyslių pažeidimo šiose srityse. Tačiau iki šiol negalėjome tiksliai pamatyti, kas daro šią žalą, ar apibūdinti, kaip ji vystosi.
„Vieno iš mūsų pacientų galėjome matyti lygius, vienodus kraujagysles kairėje pėdoje ir deformuotus, vingiuotus kraujagysles tame pačiame dešinės pėdos regione, o tai rodo problemas, dėl kurių ateityje gali būti pažeisti audiniai. Fotoakustinis vaizdas gali mums daug duoti. išsamesnės informacijos, kuri palengvintų ankstyvą diagnozę, taip pat geriau suprastų ligos progresavimą apskritai.
Fotoakustinė tomografija
Nuo pat ankstyvo kūrimo 2000 m., PAT jau seniai buvo skelbiama kaip galinti pakeisti mūsų supratimą apie biologinius procesus ir pagerinti klinikinį vėžio ir kitų pagrindinių ligų įvertinimą.
Jis veikia naudojant fotoakustinį efektą, kuris atsiranda, kai medžiagos sugeria šviesą ir sukuria garso bangas.
PAT skaitytuvai veikia labai trumpais lazerio pliūpsniais į biologinius audinius. Dalis šios energijos absorbuojama, priklausomai nuo taikinio spalvos, todėl šiek tiek padidėja šiluma ir slėgis, o tai savo ruožtu sukuria silpną ultragarso bangą, kurioje yra informacijos apie audinį. Visas procesas vyksta vos per sekundės dalį.
Ankstesniuose tyrimuose UCL fizikai ir inžinieriai (vadovaujami profesoriaus Beardo) atrado, kad ultragarso bangą galima aptikti naudojant šviesą.
2000-ųjų pradžioje jie sukūrė sistemą, kurioje garso banga sukelia nedidelius plonos plastikinės plėvelės storio pokyčius, kuriuos galima išmatuoti naudojant labai suderintą lazerio spindulį.
Rezultatai atskleidė dar niekada nematytas audinių struktūras.
Kaip PAT galėtų padėti nustatyti ligą
Kai kurioms ligoms, tokioms kaip periferinių kraujagyslių liga (PVD), kuri yra diabeto komplikacija, ankstyvų mažyčių kraujagyslių pokyčių požymių, rodančių ligą, negalima pastebėti naudojant įprastus vaizdo gavimo metodus, tokius kaip MRT.
Tačiau su PAT vaizdais jie gali suteikti galimybę gydytis prieš pažeidžiant audinius ir išvengti blogo žaizdų gijimo ir amputacijos, rašoma straipsnyje. Jame priduriama, kad PVD paveikia daugiau nei 25 milijonus asmenų visoje JAV ir Europoje.
Panašiai, sergant vėžiu, navikai dažnai turi didelio tankio smulkių kraujagyslių, kurios yra per mažos, kad jas būtų galima pamatyti naudojant kitus vaizdo gavimo metodus.
Daktaras Nam Huynh iš UCL Medicinos fizikos ir biomedicinos inžinerijos, su kolega daktaru Edwardu Zhang kūręs skaitytuvą, sakė: „Fotoakustinis vaizdas gali būti naudojamas augliui aptikti ir palyginti lengvai jį stebėti.
„Jis taip pat galėtų būti naudojamas siekiant padėti vėžio chirurgams geriau atskirti naviko audinį nuo įprasto audinio, vizualizuojant naviko kraujagysles, padedant užtikrinti, kad operacijos metu būtų pašalintas visas navikas ir sumažinant pasikartojimo riziką. Galiu įsivaizduoti daugybę būdų. tai bus naudinga“.
Dr. Huynh pridūrė, kad pagrindinis šios technologijos pranašumas buvo tai, kad ji buvo jautri hemoglobinui. Ultragarso bangas gamina šviesą sugeriančios molekulės, tokios kaip hemoglobinas.
Skenerio greičio tobulinimas ir tikrinimas
Šiame tyrime UCL mokslininkai siekė įveikti greičio problemą sumažindami laiką, reikalingą vaizdams gauti. Jie tai pasiekė įdiegę naujovių skaitytuvo dizaine ir matematikoje, naudojamoje vaizdams generuoti.
Skirtingai nuo ankstesnių PAT skaitytuvų, kurie matavo ultragarso bangas daugiau nei 10 000 skirtingų audinių paviršiaus taškų po vieną, naujasis skaitytuvas aptinka jas keliuose taškuose vienu metu, todėl labai sutrumpėja vaizdo gavimo laikas.
Tyrimo grupė taip pat taikė panašius matematinius principus, kaip ir skaitmeninio vaizdo glaudinimo. Tai leido atkurti aukštos kokybės vaizdus iš kelių tūkstančių (o ne dešimčių tūkstančių) ultragarso bangos matavimų ir vėl pagreitino vaizdo gavimą.
Šios naujovės sutrumpino vaizdo gavimo laiką iki kelių sekundžių ar mažiau nei sekundės, pašalindamos judesio susiliejimą ir leido nufotografuoti dinaminius audinio pokyčius.
Mokslininkai teigė, kad reikia atlikti daugiau tyrimų su didesne pacientų grupe, kad būtų patvirtintos jų tyrimo išvados ir tai, kiek skeneris būtų kliniškai naudingas praktikoje.
Pirmieji žingsniai kuriant fotoakustinę tomografiją medicininiam vaizdavimui buvo žengti 2000 m., tačiau šios technikos ištakos siekia 1880 m., kai buvęs UCL studentas Alexanderis Grahamas Bellas, ką tik išradęs telefoną, stebėjo saulės šviesos pavertimą girdimu garsu.
2019 m. UCL tyrimų komandos nariai įkūrė „DeepColor Imaging“, UCL išplėtotą įmonę, kuri dabar visame pasaulyje parduoda įvairius skaitytuvus, pagrįstus PAT technologija.