Naukowcy z UCL opracowali ręczny skaner, który szybko tworzy szczegółowe obrazy fotoakustyczne 3D, potencjalnie rewolucjonizując wczesną diagnostykę chorób.
Ta nowa technologia umożliwia wizualizację w czasie rzeczywistym wysokiej jakości naczyń krwionośnych, kluczową w wykrywaniu schorzeń takich jak nowotwory i choroby układu krążenia. Dzięki możliwości szybkiego rejestrowania obrazów zmniejsza rozmycie spowodowane ruchem, co czyni go idealnym do badania słabych pacjentów i potencjalnie przyspiesza procesy diagnostyczne.
Nowy ręczny skaner opracowany przez naukowców z UCL może generować bardzo szczegółowe obrazy fotoakustyczne 3D w ciągu kilku sekund, co toruje drogę do ich zastosowania po raz pierwszy w warunkach klinicznych i oferuje potencjał wcześniejszej diagnozy chorób.
W opracowaniu opublikowanym dzisiaj (30 września) w Przyroda Inżynieria Biomedyczna, zespół pokazał, że opracowana przez nich technologia może dostarczać lekarzom skany tomografii fotoakustycznej (PAT) w czasie rzeczywistym, zapewniając im dokładne i skomplikowane obrazy naczyń krwionośnych, co pomaga w informowaniu pacjentów o leczeniu.
Postęp w obrazowaniu fotoakustycznym
Tomografia fotoakustyczna wykorzystuje generowane laserowo fale ultradźwiękowe do wizualizacji subtelnych zmian (wczesny marker choroby) w żyłach i tętnicach o głębokości mniejszej niż milimetr do 15 mm w tkankach ludzkich.
Jednak do tej pory istniejąca technologia PAT była zbyt wolna, aby uzyskać obrazy 3D o wystarczająco wysokiej jakości do wykorzystania przez lekarzy.
Podczas badania PAT pacjenci muszą pozostawać w całkowitym bezruchu, co oznacza, że każdy ruch podczas wolniejszego badania może powodować rozmycie obrazów, co nie gwarantuje, że obrazy będą klinicznie przydatne.
W przypadku starszych skanerów PAT wykonanie zdjęcia trwało ponad pięć minut – skrócenie tego czasu do kilku sekund lub mniej zapewnia znacznie lepszą jakość obrazu i jest znacznie bardziej odpowiedni dla osób słabych lub słabych.
Potencjalne zastosowania i przyszły rozwój
Naukowcy twierdzą nowy skaner może pomóc w diagnozowaniu raka, choroba sercowo-naczyniowai zapalenie stawów za trzy do pięciu lat, z zastrzeżeniem dalszych badań
Autor do korespondencji, profesor Paul Beard (UCL Medical Physics and Biomedical Engineering oraz Wellcome/EPSRC Center for Interventional and Surgical Sciences), powiedział: „W ostatnich latach przeszliśmy długą drogę w dziedzinie obrazowania fotoakustycznego, ale nadal istniały bariery w korzystaniu z niego to w klinice.
„Przełomem w tym badaniu jest przyspieszenie czasu potrzebnego na uzyskanie obrazów, który jest od 100 do 1000 razy szybszy niż w przypadku poprzednich skanerów.
„Ta prędkość pozwala uniknąć rozmycia spowodowanego ruchem, zapewniając bardzo szczegółowe obrazy o jakości, której nie zapewnia żaden inny skaner. Oznacza to również, że zamiast zajmować pięć minut lub dłużej, obrazy można uzyskać w czasie rzeczywistym, co umożliwia wizualizację dynamicznych zdarzeń fizjologicznych.
„Te postępy techniczne sprawiają, że system po raz pierwszy nadaje się do użytku klinicznego, umożliwiając nam przyjrzenie się aspektom biologii człowieka i chorób w sposób, w jaki nie byliśmy wcześniej w stanie tego zrobić.
„Teraz potrzebne są dalsze badania na większych grupach pacjentów, aby potwierdzić nasze ustalenia”.
Profesor Beard dodał, że kluczowym potencjalnym zastosowaniem nowego skanera jest ocena stanu zapalnego stawów, która wymaga skanowania wszystkich 20 stawów palców obu dłoni. Dzięki nowemu skanerowi można to zrobić w ciągu kilku minut – w przypadku starszych skanerów PAT zajmuje to prawie godzinę, co jest zbyt długim czasem w przypadku starszych, słabych pacjentów – powiedział.
Testy praktyczne i spostrzeżenia kliniczne
W ramach badania zespół przetestował skaner podczas testów przedklinicznych z udziałem 10 pacjentów chorych na cukrzycę typu 2, reumatoidalne zapalenie stawów lub raka piersi oraz siedmiu zdrowych ochotników.
U trzech pacjentów z cukrzycą typu 2 skaner był w stanie wygenerować szczegółowe obrazy 3D mikrokrążenia w stopach, uwydatniając deformacje i zmiany strukturalne w naczyniach. Skaner posłużył do uwidocznienia stanu zapalnego skóry związanego z rakiem piersi.
Andrew Plumb, profesor nadzwyczajny obrazowania medycznego na UCL i konsultant radiolog na UCLH oraz starszy autor badania, powiedział: „Jednym z powikłań często doświadczanych przez osoby chore na cukrzycę jest niski przepływ krwi w kończynach, takich jak stopy i dolne nóg, ze względu na uszkodzenie drobnych naczyń krwionośnych w tych obszarach. Jednak do tej pory nie byliśmy w stanie dokładnie zobaczyć, co się dzieje, co powoduje te uszkodzenia, ani nie udało nam się scharakteryzować ich rozwoju.
„U jednego z naszych pacjentów zaobserwowaliśmy gładkie, jednolite naczynia w lewej stopie oraz zdeformowane, faliste naczynia w tej samej okolicy prawej stopy, co wskazuje na problemy, które w przyszłości mogą prowadzić do uszkodzenia tkanek. Obrazowanie fotoakustyczne może dostarczyć nam znacznie bardziej szczegółowych informacji, które ułatwią wczesną diagnozę, a także lepsze zrozumienie postępu choroby w szerszym ujęciu”.
Techniczne wyjaśnienie tomografii fotoakustycznej
Od czasu jego wczesnego opracowania w 2000 r. od dawna ogłaszano, że PAT ma potencjał zrewolucjonizowania naszego zrozumienia procesów biologicznych i poprawy oceny klinicznej raka i innych poważnych chorób.
Działa wykorzystując efekt fotoakustyczny, który występuje, gdy materiały pochłaniają światło i wytwarzają fale dźwiękowe.
Skanery PAT działają poprzez wystrzeliwanie bardzo krótkich impulsów lasera w tkankę biologiczną. Część tej energii jest absorbowana, w zależności od koloru celu, powodując niewielki wzrost temperatury i ciśnienia, co z kolei generuje słabą falę ultradźwiękową zawierającą informacje o tkance. Cały proces odbywa się w ułamku sekundy.
We wcześniejszych badaniach fizycy i inżynierowie z UCL (pod kierunkiem profesora Bearda) odkryli, że falę ultradźwiękową można wykryć za pomocą światła.
Na początku XXI wieku opracowali pionierski system, w którym fala dźwiękowa powoduje niewielkie zmiany w grubości cienkiej folii z tworzywa sztucznego, które można zmierzyć za pomocą wysoko dostrojonej wiązki laserowej.
Wyniki ujawniły struktury tkankowe, których nigdy wcześniej nie widziano.
Przyszłość wykrywania chorób za pomocą PAT
W przypadku niektórych schorzeń, takich jak choroba naczyń obwodowych (PVD), będąca powikłaniem cukrzycy, wczesnych objawów zmian w drobnych naczyniach krwionośnych wskazujących na chorobę nie można zobaczyć przy użyciu konwencjonalnych technik obrazowania, takich jak skany MRI.
Jednak dzięki obrazom PAT jest to możliwe, oferując potencjał leczenia, zanim tkanka ulegnie uszkodzeniu oraz uniknięcia nieprawidłowego gojenia się ran i amputacji, jak czytamy w artykule. Dodaje, że PVD dotyka ponad 25 milionów osób w USA i Europie.
Podobnie w przypadku raka nowotwory często charakteryzują się dużą gęstością małych naczyń krwionośnych, które są zbyt małe, aby można je było zobaczyć innymi technikami obrazowania.
Doktor Nam Huynh z Fizyki Medycznej i Inżynierii Biomedycznej UCL, który wraz ze swoim kolegą, dr Edwardem Zhangiem opracował skaner, powiedział: „Obrazowanie fotoakustyczne mogłoby być stosowane do stosunkowo łatwego wykrywania guza i monitorowania go. Można go również wykorzystać, aby pomóc chirurgom onkologicznym w lepszym odróżnieniu tkanki nowotworowej od tkanki prawidłowej poprzez wizualizację naczyń krwionośnych w guzie, co pomoże zapewnić usunięcie całego guza podczas operacji i minimalizuje ryzyko nawrotu. Mogę sobie wyobrazić wiele sposobów, w jakie będzie to przydatne.
Dr Huynh dodał, że kluczową zaletą tej technologii jest jej wrażliwość na hemoglobinę. Fale ultradźwiękowe wytwarzają cząsteczki pochłaniające światło, takie jak hemoglobina.
Przyspieszenie możliwości obrazowania PAT
W tym badaniu badacze z UCL starali się przezwyciężyć problem szybkości, skracając czas potrzebny na uzyskanie obrazów. Osiągnęli to poprzez wprowadzenie innowacji w konstrukcji skanera i matematyce wykorzystywanej do generowania obrazów.
W przeciwieństwie do wcześniejszych skanerów PAT, które mierzyły fale ultradźwiękowe pojedynczo w ponad 10 000 różnych punktów na powierzchni tkanki, nowy skaner wykrywa je w wielu punktach jednocześnie, co znacznie skraca czas uzyskiwania obrazu.
Zespół badawczy zastosował także zasady matematyczne podobne do tych stosowanych w kompresji obrazu cyfrowego. Umożliwiło to rekonstrukcję wysokiej jakości obrazów na podstawie kilku tysięcy (a nie dziesiątek tysięcy) pomiarów fali ultradźwiękowej, co ponownie przyspieszyło pozyskiwanie obrazów. Innowacje te skróciły czas obrazowania do kilku sekund lub mniej niż sekundy, eliminując rozmycie spowodowane ruchem i umożliwiając wykonanie zdjęć dynamicznych zmian w tkance.
Naukowcy stwierdzili, że potrzebne są dalsze badania na większej grupie pacjentów, aby potwierdzić wnioski z badania i potwierdzić przydatność kliniczną skanera w praktyce.
Pierwsze kroki w rozwoju tomografii fotoakustycznej do obrazowania medycznego poczyniono w 2000 r., ale początki tej techniki sięgają 1880 r., kiedy były student UCL Alexander Graham Bell, świeżo po wynalezieniu telefonu, zaobserwował konwersję światła słonecznego na dźwięk słyszalny.
W 2019 roku członkowie zespołu badawczego UCL założyli DeepColor Imaging, spółkę typu spin-out UCL, która obecnie sprzedaje na całym świecie gamę skanerów opartych na technologii PAT.
Referencja: „Szybki, całkowicie optyczny skaner fotoakustyczny 3D do klinicznego obrazowania naczyń” 30 września 2024 r., Natura Inżynieria Biomedyczna.
DOI: 10.1038/s41551-024-01247-x
Badania te były wspierane przez Cancer Research UK, Radę ds. Badań Inżynieryjnych i Fizycznych, Wellcome, Europejską Radę ds. Badań Naukowych i Narodowy Instytut Badań nad Zdrowiem University College London Hospitals Centrum Badań Biomedycznych.
