Novi ručni skener koji su razvili istraživači UCL može da generiše veoma detaljne 3D fotoakustične slike za samo nekoliko sekundi, otvarajući put njihovoj upotrebi u kliničkom okruženju po prvi put i nudi potencijal za raniju dijagnozu bolesti.
U studiji, objavljenoj u Nature Biomedical Engineering, tim pokazuje da njihova tehnologija može da isporuči skeniranje fotoakustične tomografije (PAT) lekarima u realnom vremenu, pružajući im tačne i zamršene slike krvnih sudova, pomažući u informisanju brige o pacijentima.
Fotoakustična tomografija koristi ultrazvučne talase generisane laserom za vizuelizaciju suptilnih promena (rani marker bolesti) u venama manje od milimetra i arterijama do 15 mm duboko u ljudskim tkivima.
Međutim, do sada je postojeća PAT tehnologija bila prespora da bi proizvela dovoljno kvalitetne 3D slike za kliničare.
Tokom PAT skeniranja, pacijenti moraju biti potpuno nepomični, što znači da svaki pokret tokom sporijeg skeniranja može da izazove zamućenje slika i stoga ne garantuje klinički korisne slike.
Starijim PAT skenerima je bilo potrebno više od pet minuta da snime sliku—smanjenjem tog vremena na nekoliko sekundi ili manje, kvalitet slike je mnogo poboljšan i daleko pogodniji za ljude koji su slabi ili slabi.
Istraživači kažu da bi novi skener mogao pomoći u dijagnosticiranju raka, kardiovaskularnih bolesti i artritisa za tri do pet godina, podložno daljem testiranju.
Autor za dopisivanje, profesor Paul Beard (UCL medicinska fizika i biomedicinsko inženjerstvo i Vellcome/EPSRC centar za interventne i hirurške nauke), rekao je: „Prešli smo dug put sa fotoakustičnim snimanjem poslednjih godina, ali još uvek postoje prepreke za korišćenje to u klinici.
„Proboj u ovoj studiji je ubrzanje vremena potrebnog za dobijanje slika, koje je između 100 i 1.000 puta brže od prethodnih skenera.
„Ova brzina izbegava zamućenje izazvano pokretom, pružajući slike visokog kvaliteta kakvog nijedan drugi skener ne može da obezbedi. To takođe znači da umesto pet minuta ili duže, slike mogu da se dobiju u realnom vremenu, što omogućava vizuelizaciju dinamičke fiziološki događaji.
„Ova tehnička dostignuća čine sistem pogodnim za kliničku upotrebu po prvi put, omogućavajući nam da pogledamo aspekte ljudske biologije i bolesti koje ranije nismo mogli.
„Sada je potrebno više istraživanja sa većim grupama pacijenata kako bi se potvrdili naši nalazi.“
Profesor Berd je dodao da je ključna potencijalna upotreba novog skenera bila procena inflamatornog artritisa, što zahteva skeniranje svih 20 zglobova prstiju obe ruke. Sa novim skenerom, to se može uraditi za nekoliko minuta – starijim PAT skenerima je potrebno skoro sat vremena, što je predugo za starije, slabe pacijente, rekao je on.
U studiji, tim je testirao skener tokom pretkliničkih testova na 10 pacijenata sa dijabetesom tipa 2, reumatoidnim artritisom ili rakom dojke, zajedno sa sedam zdravih dobrovoljaca.
Kod tri pacijenta sa dijabetesom tipa 2, skener je bio u stanju da proizvede detaljne 3D slike mikrovaskulature u stopalima, naglašavajući deformitete i strukturne promene u sudovima. Skener je korišćen za vizuelizaciju upale kože povezane sa rakom dojke.
Andrev Plumb, vanredni profesor medicinske slike na UCL i konsultant radiolog na UCLH i stariji autor studije, rekao je: „Jedna od komplikacija koje često trpe ljudi sa dijabetesom je nizak protok krvi u ekstremitetima, kao što su stopala i donji deo noge, zbog oštećenja sićušnih krvnih sudova u ovim oblastima, ali do sada nismo mogli da vidimo šta se tačno dešava da izazove ovo oštećenje ili okarakteriše kako se ono razvija.
„Kod jednog od naših pacijenata, mogli smo da vidimo glatke, ujednačene sudove u levom stopalu i deformisane, vijugave sudove u istom delu desnog stopala, što ukazuje na probleme koji mogu dovesti do oštećenja tkiva u budućnosti. Fotoakustično snimanje bi nam moglo mnogo detaljnije informacije za olakšavanje rane dijagnoze, kao i bolje razumevanje progresije bolesti uopšteno.“
Od svog ranog razvoja 2000. godine, PAT je dugo najavljivan kao potencijal da revolucioniše naše razumevanje bioloških procesa i poboljša kliničku procenu raka i drugih glavnih bolesti.
Radi koristeći fotoakustički efekat, koji se javlja kada materijali apsorbuju svetlost i proizvode zvučne talase.
PAT skeneri rade tako što ispaljuju vrlo kratke laserske rafale na biološko tkivo. Deo ove energije se apsorbuje, u zavisnosti od boje mete, izazivajući blagi porast toplote i pritiska koji zauzvrat generiše slab ultrazvučni talas koji sadrži informacije o tkivu. Ceo proces se odvija u samo delić sekunde.
U ranijim istraživanjima, ono što su fizičari i inženjeri sa UCL-a (predvođeni profesorom Berdom) otkrili je da se ultrazvučni talas može detektovati pomoću svetlosti.
Početkom 2000-ih, oni su bili pioniri u sistemu gde zvučni talas izaziva male promene u debljini tankog plastičnog filma koji se može meriti korišćenjem visoko podešenog laserskog zraka.
Rezultati su otkrili strukture tkiva koje nikada ranije nisu viđene.
Za neka stanja, kao što je periferna vaskularna bolest (PVD), komplikacija dijabetesa, rani znaci promena u sićušnim krvnim sudovima koji ukazuju na bolest ne mogu se videti korišćenjem konvencionalnih tehnika snimanja, kao što je MR skeniranje.
Ali sa PAT slikama mogu – nudeći potencijal za lečenje pre nego što se tkivo ošteti i kako bi se izbeglo loše zarastanje rana i amputacija, kaže se u radu. PVD pogađa više od 25 miliona pojedinaca širom SAD i Evrope, dodaje se.
Slično, kod raka, tumori često imaju visoku gustinu malih krvnih sudova koji su premali da bi se videli drugim tehnikama snimanja.
Dr Nam Huinh sa UCL medicinske fizike i biomedicinskog inženjerstva, koji je razvio skener sa kolegom dr Edvardom Džangom, rekao je: „Fotoakustično snimanje bi se moglo koristiti za otkrivanje tumora i relativno lako ga nadgledanje.
„Takođe bi se moglo koristiti da pomogne hirurzima raka da bolje razlikuju tumorsko tkivo od normalnog tkiva vizualizacijom krvnih sudova u tumoru, pomažući da se osigura da se sav tumor ukloni tokom operacije i minimizira rizik od ponovnog pojavljivanja. Mogu da zamislim mnogo načina biće korisno“.
Dr Huin je dodao da je ključna prednost tehnologije to što je osetljiva na hemoglobin. To su molekuli koji apsorbuju svetlost, poput hemoglobina, koji proizvode ultrazvučne talase.
U ovoj studiji, istraživači UCL-a su pokušali da prevaziđu problem brzine smanjenjem vremena potrebnog za dobijanje slika. To su postigli tako što su napravili inovacije u dizajnu skenera i matematici koja se koristi za generisanje slika.
Za razliku od ranijih PAT skenera, koji su merili ultrazvučne talase na više od 10.000 različitih tačaka na površini tkiva jedan po jedan, novi skener ih detektuje na više tačaka istovremeno, značajno smanjujući vreme sticanja slike.
Istraživački tim je takođe koristio slične matematičke principe onima koji se koriste u kompresiji digitalne slike. Ovo je omogućilo da se visokokvalitetne slike rekonstruišu iz nekoliko hiljada (a ne desetina hiljada) merenja ultrazvučnog talasa, ponovo ubrzavajući dobijanje slike.
Ove inovacije su smanjile vreme snimanja na nekoliko sekundi ili manje od sekunde, eliminišući zamućenje pri pokretu i omogućavajući snimanje dinamičkih promena na tkivu.
Naučnici su rekli da je potrebno više istraživanja sa većom grupom pacijenata kako bi se potvrdili nalazi njihove studije i stepen do kojeg bi skener bio klinički koristan u praksi.
Prvi koraci u razvoju fotoakustične tomografije za medicinsko snimanje preduzeti su 2000. godine, ali poreklo ove tehnike datira iz 1880. godine kada je bivši student UCL-a Aleksandar Grejem Bel, tek od pronalaska telefona, primetio pretvaranje sunčeve svetlosti u zvučni zvuk.
U 2019. godini, članovi istraživačkog tima UCL-a osnovali su DeepColor Imaging, UCL spin-out kompaniju koja sada prodaje niz skenera zasnovanih na PAT tehnologiji širom sveta.
