Η ανακάλυψη της ιατρικής απεικόνισης θα μπορούσε να αλλάξει τη διάγνωση του καρκίνου και της αρθρίτιδας

Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στιςΦυσική Βιοϊατρική ΜηχανικήΗ ομάδα δείχνει ότι η τεχνολογία τους μπορεί να παρέχει φωτοακουστικές τομογραφίες (PAT) σε γιατρούς σε πραγματικό χρόνο, παρέχοντάς τους ακριβείς και περίπλοκες εικόνες των αιμοφόρων αγγείων.βοηθώντας στην ενημέρωση της φροντίδας του ασθενούς.

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.

Ωστόσο, μέχρι τώρα, η υπάρχουσα τεχνολογία PAT ήταν πολύ αργή για να παράγει υψηλής ποιότητας 3D εικόνες για χρήση από τους κλινικούς.

Κατά τη διάρκεια της PAT σάρωσης οι ασθενείς πρέπει να είναι εντελώς ακίνητοι, πράγμα που σημαίνει ότι οποιαδήποτε κίνηση κατά τη διάρκεια μιας πιο αργής σάρωσης μπορεί να προκαλέσει θολή εικόνα και επομένως να μην εγγυάται κλινικά χρήσιμες εικόνες.

Οι παλαιότεροι σαρωτές PAT χρειάστηκαν περισσότερα από πέντε λεπτά για να τραβήξουν μια εικόνα -- μειώνοντας αυτό το χρόνο σε λίγα δευτερόλεπτα ή λιγότερο,Η ποιότητα της εικόνας βελτιώνεται πολύ και είναι πολύ πιο κατάλληλη για άτομα που είναι αδύναμα ή με κακή υγεία..

Οι ερευνητές δηλώνουν ότι ο νέος σαρωτής θα μπορούσε να βοηθήσει στη διάγνωση του καρκίνου, των καρδιαγγειακών παθήσεων και της αρθρίτιδας σε διάστημα τριών έως πέντε ετών, υπό την προϋπόθεση περαιτέρω δοκιμών.

Ο συγγραφέας, καθηγητής Paul Beard (UCL Medical Physics and Biomedical Engineering και το Wellcome/EPSRC Centre for Interventional and Surgical Sciences), δήλωσε:"Έχουμε προχωρήσει πολύ με την φωτοακουστική απεικόνιση τα τελευταία χρόνια, αλλά εξακολουθούσαν να υπάρχουν εμπόδια για τη χρήση του στην κλινική.

"Η ανακάλυψη σε αυτή τη μελέτη είναι η επιτάχυνση του χρόνου που απαιτείται για την απόκτηση εικόνων, η οποία είναι μεταξύ 100 και 1.000 φορές ταχύτερη από τις προηγούμενες σαρωτές.

"Αυτή η ταχύτητα αποτρέπει την θολή εικόνα που προκαλείται από την κίνηση, παρέχοντας υψηλής λεπτομέρειας εικόνες ποιότητας που κανένας άλλος σαρωτής δεν μπορεί να παράσχει.Οι εικόνες μπορούν να αποκτηθούν σε πραγματικό χρόνο, επιτρέποντας την οπτικοποίηση δυναμικών φυσιολογικών γεγονότων.

"Αυτές οι τεχνικές εξελίξεις καθιστούν το σύστημα κατάλληλο για κλινική χρήση για πρώτη φορά, επιτρέποντάς μας να εξετάσουμε πτυχές της ανθρώπινης βιολογίας και της ασθένειας που δεν μπορούσαμε να εξετάσουμε πριν.

"Τώρα απαιτούνται περισσότερες έρευνες με μεγαλύτερες ομάδες ασθενών για να επιβεβαιωθούν τα ευρήματά μας".

Ο καθηγητής Μπερντ πρόσθεσε ότι μια βασική πιθανή χρήση του νέου σαρωτή ήταν η αξιολόγηση της φλεγμονώδους αρθρίτιδας, η οποία απαιτεί την σαρώση όλων των 20 αρθρώσεων των δακτύλων και των δύο χεριών.Αυτό μπορεί να γίνει σε λίγα λεπτά. Τα παλαιότερα PAT scanner χρειάζονται σχεδόν μια ώρα., η οποία είναι πολύ μεγάλη για ηλικιωμένους, αδύναμους ασθενείς, είπε.

Δοκιμασία του σαρωτή σε ασθενείς

Στη μελέτη, η ομάδα εξέτασε τον σαρωτή κατά τη διάρκεια προκλινικών δοκιμών σε 10 ασθενείς με διαβήτη τύπου 2, ρευματοειδή αρθρίτιδα ή καρκίνο του μαστού, μαζί με επτά υγιείς εθελοντές.

Σε τρεις ασθενείς με διαβήτη τύπου 2, ο σαρωτής ήταν σε θέση να παράγει λεπτομερείς τρισδιάστατες εικόνες του μικροαγγειακού συστήματος στα πόδια, αναδεικνύοντας παραμορφώσεις και δομικές αλλαγές στα αγγεία.Ο σαρωτής χρησιμοποιήθηκε για να απεικονίσει τη δερματική φλεγμονή που συνδέεται με τον καρκίνο του μαστού..

Ο Andrew Plumb, αναπληρωτής καθηγητής ιατρικής απεικόνισης στο UCL και συμβουλευτής ακτινολόγος στο UCLH και ανώτερος συγγραφέας της μελέτης, δήλωσε:"Μία από τις επιπλοκές που συχνά υποφέρουν οι άνθρωποι με διαβήτη είναι η χαμηλή ροή αίματος στα άκρα, όπως τα πόδια και το κάτω μέρος των ποδιών, λόγω της βλάβης των μικροσκοπικών αιμοφόρων αγγείων σε αυτές τις περιοχές.Αλλά μέχρι τώρα δεν έχουμε μπορέσει να δούμε ακριβώς τι συμβαίνει για να προκαλέσει αυτή τη βλάβη ή να χαρακτηρίσει πώς αναπτύσσεται.

"Σε έναν από τους ασθενείς μας, μπορούσαμε να δούμε ομαλά, ομοιόμορφα αγγεία στο αριστερό πόδι και παραμορφωμένα, σπασμένα αγγεία στην ίδια περιοχή του δεξιού ποδιού,ενδεικτικό προβλημάτων που ενδέχεται να οδηγήσουν σε ζημιά ιστών στο μέλλονΗ φωτοακουστική απεικόνιση θα μπορούσε να μας δώσει πολύ πιο λεπτομερείς πληροφορίες για να διευκολύνει την έγκαιρη διάγνωση, καθώς και να κατανοήσει καλύτερα την εξέλιξη της νόσου γενικότερα".

Φωτοακουστική τομογραφία

Από την αρχική του ανάπτυξη το 2000,Το PAT έχει εδώ και καιρό αναγγελθεί ότι έχει τη δυνατότητα να φέρει επανάσταση στην κατανόηση των βιολογικών διεργασιών και να βελτιώσει την κλινική αξιολόγηση του καρκίνου και άλλων σημαντικών ασθενειών..

Λειτουργεί χρησιμοποιώντας το φωτοακουστικό αποτέλεσμα, το οποίο συμβαίνει όταν τα υλικά απορροφούν το φως και παράγουν ηχητικά κύματα.

Οι σαρωτές PAT λειτουργούν εκτοξεύοντας πολύ σύντομες εκρήξεις λέιζερ στον βιολογικό ιστό.προκαλώντας μια μικρή αύξηση της θερμότητας και της πίεσης που με τη σειρά της παράγει ένα αδύναμο υπερήχων κύμα που περιέχει πληροφορίες για τους ιστούςΟλόκληρη η διαδικασία λαμβάνει χώρα σε ένα κλάσμα του δευτερολέπτου.

Σε προηγούμενες έρευνες, οι φυσικοί και οι μηχανικοί στο UCL (που ηγήθηκαν από τον καθηγητή Beard) ανακάλυψαν ότι το υπερήχων κύμα μπορεί να ανιχνευθεί χρησιμοποιώντας το φως.

Στις αρχές της δεκαετίας του 2000 πρωτοστάτησαν σε ένα σύστημα όπου ένα ηχητικό κύμα προκαλεί μικροσκοπικές αλλαγές στο πάχος ενός λεπτού πλαστικού φιλμ που μπορεί να μετρηθεί χρησιμοποιώντας μια υψηλής ευθυγράμμισης ακτίνα λέιζερ.

Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν δομές ιστών που δεν έχουν ξαναδειχθεί.

Πώς το PAT θα μπορούσε να βοηθήσει στην ανίχνευση της νόσου

Για ορισμένες παθήσεις, όπως η περιφερική αγγειακή νόσος (PVD), μια επιπλοκή του διαβήτη,Τα πρώτα σημάδια αλλαγών στα μικροσκοπικά αιμοφόρα αγγεία που υποδεικνύουν την ασθένεια δεν μπορούν να παρατηρηθούν χρησιμοποιώντας συμβατικές τεχνικές απεικόνισης όπως οι σάρωση με μαγνητική τομογραφία..

Αλλά με τις εικόνες PAT μπορούν -- προσφέροντας τη δυνατότητα θεραπείας πριν ο ιστός καταστραφεί και για να αποφευχθεί η κακή επούλωση τραύματος και ακρωτηριασμός, λέει η εφημερίδα.Η PVD επηρεάζει περισσότερα από 25 εκατομμύρια άτομα στις ΗΠΑ και την Ευρώπη, προσθέτει.

Ομοίως, με τον καρκίνο, οι όγκοι συχνά έχουν υψηλή πυκνότητα μικρών αιμοφόρων αγγείων που είναι πολύ μικρά για να δουν με άλλες τεχνικές απεικόνισης.

Ο Δρ Nam Huynh από το UCL Medical Physics and Biomedical Engineering, ο οποίος ανέπτυξε τον σαρωτή με τον συνάδελφό του Δρ Edward Zhang, δήλωσε:"Η φωτοακουστική απεικόνιση θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση του όγκου και την παρακολούθησή του σχετικά εύκολα"Θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για να βοηθήσει τους χειρουργούς του καρκίνου να διακρίνουν καλύτερα τον όγκο από τον φυσιολογικό ιστό, απεικονίζοντας τα αιμοφόρα αγγεία στον όγκο.βοηθά στην απομάκρυνση ολόκληρου του όγκου κατά τη διάρκεια της χειρουργικής επέμβασης και ελαχιστοποιεί τον κίνδυνο υποτροπήςΜπορώ να φανταστώ πολλούς τρόπους θα είναι χρήσιμο. "

Ο Δρ Χουίνχ πρόσθεσε ότι ένα βασικό πλεονέκτημα της τεχνολογίας ήταν ότι ήταν ευαίσθητη στην αιμοσφαιρίνη.

Βελτίωση και δοκιμή της ταχύτητας του σαρωτή

Σε αυτή τη μελέτη, οι ερευνητές του UCL προσπάθησαν να ξεπεράσουν το πρόβλημα της ταχύτητας μειώνοντας τον χρόνο που απαιτείται για την απόκτηση εικόνων.Αυτό επιτεύχθηκε κάνοντας καινοτομίες στον σχεδιασμό του σαρωτή και τα μαθηματικά που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή των εικόνων.

Αντίθετα με προηγούμενους PAT σαρωτές, που μέτρησαν τα υπερήχια κύματα σε περισσότερα από 10.000 διαφορετικά σημεία πάνω από την επιφάνεια του ιστού, ένα κάθε φορά,Ο νέος σαρωτής τους ανιχνεύει σε πολλά σημεία ταυτόχρονα., μειώνοντας σημαντικά το χρόνο απόκτησης εικόνας.

Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε επίσης παρόμοιες μαθηματικές αρχές με εκείνες που χρησιμοποιούνται στην ψηφιακή συμπίεση εικόνας.Αυτό επέτρεψε την ανασυγκρότηση υψηλής ποιότητας εικόνων από μερικές χιλιάδες (αντί δεκάδες χιλιάδες) μετρήσεις του υπερήχουςΟι νέες αυτές καινοτομίες μείωσαν τον χρόνο λήψης εικόνας σε λίγα δευτερόλεπτα ή σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο.Εξάλειψη της θολούσας κίνησης και λήψη εικόνων δυναμικών αλλαγών στον ιστό.

Οι επιστήμονες δήλωσαν ότι απαιτούνται περισσότερες έρευνες με μια μεγαλύτερη ομάδα ασθενών για να επιβεβαιωθούν τα ευρήματα της μελέτης τους και το βαθμό στον οποίο ο σαρωτής θα ήταν κλινικά χρήσιμος στην πράξη.

Τα πρώτα βήματα για την ανάπτυξη της φωτοακουστικής τομογραφίας για ιατρική απεικόνιση έγιναν το 2000, αλλά οι ρίζες της τεχνικής χρονολογούνται από το 1880, όταν ο πρώην φοιτητής του UCL, Alexander Graham Bell,Φρέσκο από την εφεύρεση του τηλεφώνου, παρατηρήθηκε η μετατροπή του ηλιακού φωτός σε ακουστικό ήχο.

Το 2019, μέλη της ερευνητικής ομάδας του UCL ίδρυσαν την DeepColor Imaging, μια εταιρεία spin-out του UCL που τώρα εμπορεύεται μια σειρά από σαρωτές με βάση την τεχνολογία PAT παγκοσμίως.

Η έρευνα αυτή υποστηρίχθηκε από την Cancer Research UK, το Engineering & Physical Sciences Research Council, το Wellcome,το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας και το Εθνικό Ινστιτούτο Έρευνας Υγείας University College London Hospitals Biomedical Research Centre.

Πηγή ιστορίας:

Υλικάπαρέχονται απόΠανεπιστημιακό Κολέγιο του Λονδίνου.Σημείωση: Το περιεχόμενο μπορεί να επεξεργαστεί για το ύφος και το μήκος.