Przełom w obrazowaniu medycznym może zmienić diagnostykę raka i zapalenia stawów

W badaniu opublikowanym w Przyroda Inżynieria Biomedyczna, zespół pokazał, że ich 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.

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.

Wykonanie zdjęcia w starszych skanerach PAT zajmowało ponad pięć minut — skrócenie tego czasu do kilku sekund lub mniej pozwalało znacznie poprawić jakość obrazu i znacznie bardziej dostosować go do potrzeb osób słabych lub słabych.

Naukowcy twierdzą, że nowy skaner może pomóc w diagnozowaniu raka, chorób układu krążenia i zapalenia stawów za trzy do pięciu lat, pod warunkiem dalszych testów

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, jakiej nie może zapewnić żaden inny skaner. Oznacza to również, że zamiast zajmować pięć minut lub dłużej, obrazy można rejestrować w czasie rzeczywistym, co umożliwia wizualizację dynamicznych zdarzenia fizjologiczne.

„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.

Testowanie skanera na pacjentach

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 z powodu uszkodzenia maleńkich naczyń krwionośnych w tych obszarach. Jednak do tej pory nie byliśmy w stanie dokładnie zobaczyć, co się dzieje, co powoduje to uszkodzenie ani scharakteryzować jego 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 mogłoby nam wiele dać bardziej szczegółowe informacje ułatwiające wczesną diagnozę, a także lepsze zrozumienie postępu choroby w szerszym ujęciu”.

Tomografia fotoakustyczna

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.

Jak PAT może pomóc w wykrywaniu chorób

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 przed uszkodzeniem tkanki i uniknięcia słabego gojenia się ran i amputacji, jak czytamy w artykule. Dodaje, że PVD dotyka ponad 25 milionów osób w USA i Europie.

Podobnie w przypadku nowotworów 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 opracował skaner wraz ze swoim kolegą, dr Edwardem Zhangiem, powiedział: „Obrazowanie fotoakustyczne można zastosować do stosunkowo łatwego wykrywania guza i monitorowania go. Można je również wykorzystać, aby pomóc chirurgom onkologicznym w lepszym rozróżnianiu nowotworów. tkankę nowotworową od zdrowej tkanki poprzez wizualizację naczyń krwionośnych w guzie, co pomoże zapewnić usunięcie całego guza podczas operacji i zminimalizowanie ryzyka nawrotu.

Dr Huynh dodał, że kluczową zaletą tej technologii jest jej wrażliwość na hemoglobinę. Fale ultradźwiękowe wytwarzają cząsteczki pochłaniające światło, takie jak hemoglobina.

Poprawianie i testowanie szybkości skanera

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 wykonywanie 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.

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.