Прорыв в медицинской визуализации может изменить диагностику рака и артрита

В исследовании, опубликованном вПрирода, биомедицинская инженерия,команда показывает, что их технология может доставлять фотоакустическую томографию (PAT) врачам в режиме реального времени, предоставляя им точные и сложные изображения кровеносных сосудов,помощь в информировании пациентов.

Photoacoustic tomography imaging uses laser-generated ultrasound waves to visualise subtle changes (an early marker of disease) in the less-than-millimetre-scale veins and arteries up to 15mm deep in human tissues.

Однако до сих пор существующая технология PAT была слишком медленной для получения высококачественных 3D-изображений для использования врачами.

Во время ПАТ-сканирования пациенты должны быть полностью неподвижны, что означает, что любое движение во время более медленного сканирования может привести к размытию изображений и, следовательно, не гарантирует клинически полезных изображений.

Старые сканеры ПАТ занимали больше пяти минут, чтобы сделать изображение. Сократив это время до нескольких секунд или меньше,Качество изображения значительно улучшилось и гораздо лучше подходит для людей, которые слабы или плохо.

Исследователи говорят, что новый сканер может помочь диагностировать рак, сердечно-сосудистые заболевания и артрит в течение трех-пяти лет.

Автор статьи, профессор Пол Бирд (UCL Medical Physics and Biomedical Engineering и Центр интервенционных и хирургических наук Wellcome/EPSRC), сказал:"Мы прошли долгий путь с фотоакустической визуализацией в последние годы, но все еще были препятствия для его использования в клинике.

"Прорыв в этом исследовании заключается в ускорении времени, необходимого для получения изображений, что в 100 - 1000 раз быстрее, чем с предыдущими сканерами.

"Эта скорость позволяет избежать размытия, вызванного движением, и обеспечивает высокодетальное изображение качества, которого не может обеспечить ни один другой сканер.изображения могут быть получены в режиме реального времени, что позволяет визуализировать динамические физиологические явления.

"Эти технические достижения впервые сделали эту систему пригодной для клинического использования, что позволяет нам изучать аспекты биологии человека и болезней, которые мы не могли раньше.

"Теперь необходимы дополнительные исследования с участием больших групп пациентов, чтобы подтвердить наши выводы".

Профессор Бирд добавил, что ключевым потенциальным применением нового сканера является оценка воспалительного артрита, который требует сканирования всех 20 суставов пальцев обеих рук.Это может быть сделано за несколько минут - старые сканеры PAT занимают почти час, что слишком долго для пожилых, слабых пациентов, сказал он.

Испытание сканера на пациентах

В ходе исследования исследователи проверили сканер в ходе доклинических испытаний на 10 пациентах с диабетом 2 типа, ревматоидным артритом или раком молочной железы, а также на семи здоровых добровольцах.

У трех пациентов с сахарным диабетом 2-го типа сканер смог получить подробные 3D-изображения микрососудов в ногах, выявив деформации и структурные изменения в сосудах.Сканер использовался для визуализации воспаления кожи, связанного с раком молочной железы..

Эндрю Пламб, доцент кафедры медицинской визуализации в UCL и консультант-радиолог в UCLH и старший автор исследования, сказал:"Одним из осложнений, которым часто страдают люди с диабетом, является низкий кровоток в конечностях., такие как ноги и ноги, из-за повреждения крошечных кровеносных сосудов в этих областях.Но до сих пор мы не были в состоянии точно увидеть, что происходит, чтобы вызвать этот ущерб или характеризовать, как он развивается.

"У одного из наших пациентов мы увидели гладкие, равномерные сосуды в левой ноге и деформированные, скручивающиеся сосуды в той же области правой ноги,свидетельствует о проблемах, которые могут привести к повреждению тканей в будущемФотоакустическая визуализация может дать нам гораздо более подробную информацию, чтобы облегчить раннюю диагностику, а также лучше понять прогрессирование болезни в целом".

Фотоакустическая томография

Начиная с его раннего развития в 2000 году,Уже давно считается, что ПАТ может революционизировать наше понимание биологических процессов и улучшить клиническую оценку рака и других серьезных заболеваний..

Он работает с использованием фотоакустического эффекта, который возникает, когда материалы поглощают свет и производят звуковые волны.

ПАТ-сканеры работают, стреляя очень короткими лазерными всплесками в биологическую ткань.вызывая небольшое увеличение тепла и давления, что в свою очередь генерирует слабую ультразвуковую волну, содержащую информацию о тканяхВесь процесс происходит всего за долю секунды.

В более ранних исследованиях физики и инженеры из UCL (во главе с профессором Бирдом) обнаружили, что ультразвуковые волны можно обнаружить с помощью света.

В начале 2000-х они создали систему, при которой звуковая волна вызывает крошечные изменения толщины тонкой пластиковой пленки, которые можно измерить с помощью высоко настроенного лазерного луча.

Результаты показали тканевые структуры, которые никогда раньше не видели.

Как ПАТ может помочь в выявлении болезней

При некоторых заболеваниях, таких как болезнь периферических сосудов (PVD), осложнение диабета,Ранние признаки изменений в крошечных кровеносных сосудах, указывающих на болезнь, не могут быть замечены с помощью обычных методов визуализации, таких как МРТ..

Но с помощью ПАТ-изображений они могут - предлагая возможность лечения до повреждения ткани и избежать плохого заживления ран и ампутации, пишет газета.ПВЗ поражает более 25 миллионов человек в США и Европе, добавляет он.

Аналогичным образом, при раке опухоли часто имеют высокую плотность кровеносных сосудов, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть с помощью других методов визуализации.

Д-р Нам Хуэнь из Университета Калифорнии по медицинской физике и биомедицинской инженерии, разработавший сканер вместе с коллегой Эдвардом Чжаном, сказал:"Фотоакустические изображения могут быть использованы для обнаружения опухоли и наблюдения за ней относительно легкоОн также может быть использован, чтобы помочь хирургам лучше отличить опухолевую ткань от нормальной ткани, визуализируя кровеносные сосуды в опухоли.помогает обеспечить удаление всей опухоли во время операции и минимизировать риск рецидиваЯ могу представить много способов, как это будет полезно".

Доктор Хуэнь добавил, что одним из главных преимуществ этой технологии является то, что она чувствительна к гемоглобину.

Улучшение и тестирование скорости сканера

В этом исследовании исследователи UCL стремились преодолеть проблему скорости, сократив время, необходимое для получения изображений.Они достигли этого, сделав инновации в дизайне сканеров и математике, используемой для создания изображений..

В отличие от предыдущих ПАТ-сканеров, которые измеряли ультразвуковые волны в более чем 10 000 различных точках поверхности ткани по одному,Новый сканер обнаруживает их в нескольких точках одновременно., значительно сокращая время получения изображения.

Исследовательская группа также использовала математические принципы, аналогичные тем, которые используются при цифровом сжатии изображений.Это позволило восстановить высококачественные изображения из нескольких тысяч (а не десятков тысяч) измерений ультразвуковой волныЭти новшества сократили время съемки до нескольких секунд или меньше секунды.устранение размытия движения и позволяет получать изображения динамических изменений тканей.

Ученые заявили, что необходимы дополнительные исследования с участием большей группы пациентов, чтобы подтвердить результаты их исследования и степень клинической полезности сканера на практике.

Первые шаги по разработке фотоакустической томографии для медицинской визуализации были предприняты в 2000 году, но истоки этой техники восходят к 1880 году, когда бывший студент UCL Александр Грэм Белл,Свежий из изобретения телефона, наблюдал преобразование солнечного света в звуковой звук.

В 2019 году члены исследовательской группы UCL основали DeepColor Imaging, компанию, вышедшую из UCL, которая в настоящее время продает ряд сканеров на основе технологии PAT по всему миру.

Это исследование было поддержано Cancer Research UK, Engineering & Physical Sciences Research Council, Wellcome,Европейский научно-исследовательский совет и Национальный институт исследований в области здравоохранения Университетский колледж Лондонские больницы Биомедицинский исследовательский центр.

Источник:

МатериалыпредоставляетсяУниверситетский колледж Лондона.Примечание: Содержание может быть отредактировано для стиля и длины.