Przełom w dziedzinie obrazowania może zmienić diagnozę raka i zapalenia stawów

W badaniu opublikowanym wInżynieria Biomedyczna,Zespół pokazuje, że ich technologia może dostarczać zdjęcia tomografii fotoakustycznej (PAT) lekarzom w czasie rzeczywistym, zapewniając im dokładne i skomplikowane obrazy naczyń krwionośnych,pomoc w informowaniu opieki nad pacjentem.

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.

Jednakże dotychczas istniejąca technologia PAT była zbyt powolna, aby wytwarzać wystarczająco wysokiej jakości obrazy 3D do użytku przez lekarzy.

Podczas badania PAT pacjenci muszą być całkowicie nieruchomi, co oznacza, że każdy ruch podczas wolniejszego skanowania może powodować rozmycie obrazu, a zatem nie gwarantuje klinicznie użytecznych obrazów.

Starsze skanery PAT zajmują więcej niż pięć minut na zrobienie obrazu. Zmniejszając czas do kilku sekund lub mniej,jakość obrazu jest znacznie lepsza i znacznie bardziej odpowiednia dla osób, które są słabe lub słabo.

Naukowcy twierdzą, że nowy skaner może pomóc w diagnozowaniu raka, chorób układu krążenia i zapalenia stawów w ciągu trzech do pięciu lat, z zastrzeżeniem dalszych badań.

Autor artykułu, profesor Paul Beard (UCL Medical Physics and Biomedical Engineering oraz Wellcome/EPSRC Centre for Interventional and Surgical Sciences) powiedział:"W ostatnich latach sporo zrobiliśmy z wykorzystaniem zdjęć fotoakustycznych., ale nadal były przeszkody w użyciu go w klinice.

"Przełom w tym badaniu polega na przyspieszeniu czasu potrzebnego na uzyskanie obrazu, który jest od 100 do 1000 razy szybszy niż w poprzednich skanerach.

"Ta prędkość zapobiega rozmywaniu wywołanemu ruchem, zapewniając wysoce szczegółowe obrazy jakości, której nie może zapewnić żaden inny skaner.obrazy mogą być pozyskiwane w czasie rzeczywistym, umożliwiając wizualizację dynamicznych zdarzeń fizjologicznych.

"Te postępy techniczne sprawiają, że system po raz pierwszy nadaje się do zastosowania klinicznego, pozwalając nam przyjrzeć się aspektom ludzkiej biologii i chorób, których nie mogliśmy wcześniej.

Teraz potrzebne są dalsze badania z udziałem większych grup pacjentów, aby potwierdzić nasze ustalenia".

Profesor Beard dodał, że kluczowym potencjalnym zastosowaniem nowego skanera jest ocena zapalnego zapalenia stawów, które wymaga skanowania wszystkich 20 stawów palców obu rąk.Stare skanery PAT zajmują prawie godzinę., co jest zbyt długo dla starszych, słabych pacjentów, powiedział.

Badanie skanera na pacjentach

W badaniu zespół przetestował skaner podczas testów przedklinicznych na 10 pacjentach z cukrzycą typu 2, reumatoidalnym zapaleniem stawów lub rakiem piersi, wraz z siedmioma zdrowymi ochotnikami.

U trzech pacjentów z cukrzycą typu 2 skaner był w stanie wyprodukować szczegółowe obrazy trójwymiarowe układu krwionośnego w stopach, podkreślając deformacje i zmiany strukturalne naczyń.Skaner był używany do wizualizacji zapalenia skóry związanego z rakiem piersi.

Andrew Plumb, profesor zdjęć medycznych w UCL i radiolog konsultant w UCLH i starszy autor badania, powiedział:"Jednym z powikłań, z którymi często borykają się osoby chore na cukrzycę, jest obniżony przepływ krwi w kończynie, na przykład stóp i dolnej części nóg, z powodu uszkodzenia małych naczyń krwionośnych w tych obszarach.Ale do tej pory nie byliśmy w stanie dokładnie zobaczyć, co powoduje to uszkodzenie lub opisać, jak się rozwija..

"U jednego z naszych pacjentów, widzieliśmy gładkie, równomierne naczynia krwionośne w lewej nodze i zdeformowane, kręte naczynia krwionośne w tym samym obszarze prawej stopy,wskazujące na problemy, które mogą prowadzić do uszkodzenia tkanek w przyszłościZdjęcia fotoakustyczne mogłyby dać nam znacznie bardziej szczegółowe informacje, które ułatwią wczesną diagnozę, a także lepsze zrozumienie postępu choroby w ogólnym ujęciu".

Tomografia fotoakustyczna

Od początku jego rozwoju w 2000 r.Od dawna uważano, że PAT może zrewolucjonizować nasze zrozumienie procesów biologicznych i poprawić ocenę kliniczną raka i innych poważnych chorób..

Działa przy użyciu efektu fotoakustycznego, który występuje, gdy materiały pochłaniają światło i wytwarzają fale dźwiękowe.

Skanery PAT działają poprzez wystrzelanie bardzo krótkich wybuchów lasera na tkankę biologiczną.powodując niewielki wzrost ciepła i ciśnienia, co z kolei generuje słabą falę ultradźwiękową zawierającą informacje o tkanceCały proces odbywa się w ułamek sekundy.

W wcześniejszych badaniach fizycy i inżynierowie z UCL (przewodniczący profesor Beard) odkryli, że fale ultradźwiękowe można wykryć za pomocą światła.

Na początku 2000 roku opracowali system, w którym fala dźwiękowa powoduje drobne zmiany grubości cienkiej plastikowej folii, którą można zmierzyć za pomocą dobrze dostrojonej wiązki laserowej.

Wyniki ujawniły struktury tkanek, których nigdy wcześniej nie widzieliśmy.

Jak PAT może pomóc w wykrywaniu chorób

W przypadku niektórych schorzeń, takich jak choroba naczyniowa obwodowa (PVD), powikłanie cukrzycy,wczesne oznaki zmian w małych naczyniach krwionośnych wskazujące na chorobę nie mogą być zauważone przy użyciu konwencjonalnych technik obrazowania, takich jak rezonans magnetyczny.

Ale dzięki zdjęciom PAT mogą - oferując możliwość leczenia przed uszkodzeniem tkanki i uniknięcia złego gojenia się ran i amputacji, pisze gazeta.PVD dotyka ponad 25 milionów osób w USA i Europie, dodaje.

Podobnie w przypadku raka nowotwory często mają dużą gęstość małych naczyń krwionośnych, które są zbyt małe, aby można je było zobaczyć za pomocą innych technik obrazowania.

Dr Nam Huynh z UCL Medical Physics and Biomedical Engineering, który opracował skaner z kolegą dr Edwardem Zhangem, powiedział:"Fotoakustyczne obrazowanie może być użyte do wykrywania guza i monitorowania go stosunkowo łatwoMożna go również wykorzystać w celu lepszego odróżnienia tkanki nowotworowej od normalnej poprzez wizualizację naczyń krwionośnych w guzie.pomaga w usunięciu całego guza podczas operacji i minimalizuje ryzyko nawrotuMogę sobie wyobrazić wiele sposobów, w jakie będzie to przydatne".

Dr Huynh dodał, że kluczową zaletą tej technologii jest jej wrażliwość na hemoglobinę, czyli cząsteczki absorbujące światło, takie jak hemoglobina, które wytwarzają fale ultradźwiękowe.

Poprawa i testowanie prędkości skanera

W tym badaniu naukowcy UCL próbowali przezwyciężyć problem z prędkością poprzez zmniejszenie czasu potrzebnego na zdobycie obrazów.Udało im się to dzięki innowacyjności w projekcie skanera i matematyce wykorzystywanej do generowania obrazów..

W przeciwieństwie do wcześniejszych skanerów PAT, które mierzyły fale ultradźwiękowe w ponad 10 000 różnych punktach na powierzchni tkanki,Nowy skaner wykrywa je w wielu punktach jednocześnie., znacznie skracając czas pozyskiwania obrazu.

Zespół badawczy zastosował również zasady matematyczne podobne do tych stosowanych w cyfrowej kompresji obrazu.Dzięki temu możliwe było odtworzenie wysokiej jakości obrazów z kilku tysięcy (zamiast dziesiątek tysięcy) pomiarów fal ultradźwiękowychZmiany te zmniejszyły czas obrazowania do kilku sekund lub mniej niż jednej sekundy.wyeliminowanie rozmycia ruchu i umożliwienie wykonywania obrazów dynamicznych zmian tkanki.

Naukowcy twierdzą, że potrzebne są dalsze badania z większą grupą pacjentów, aby potwierdzić wyniki ich badania i zakres, w jakim skaner będzie klinicznie przydatny w praktyce.

Pierwsze kroki w kierunku opracowania tomografii fotoakustycznej do obrazowania medycznego zostały podjęte w 2000 roku, ale początki techniki sięgają 1880 roku, kiedy były student UCL Alexander Graham Bell,Świeże od wynalezienia telefonu, obserwowano przekształcanie światła słonecznego w dźwięk słyszalny.

W 2019 roku członkowie zespołu badawczego UCL założyli DeepColor Imaging, spinout firmy UCL, która obecnie sprzedaje szereg skanerów opartych na technologii PAT na całym świecie.

Badania te zostały wspierane przez Cancer Research UK, Engineering & Physical Sciences Research Council, Wellcome,Europejska Rada Badawcza i Narodowy Instytut Badań Zdrowotnych University College London Hospitals Biomedical Research Centre.

Źródło:

Materiałydostarczone przezUniversity College w Londynie.Uwaga: Zawartość może być edytowana pod względem stylu i długości.