Nature BE: Прорыв в медицинской визуализации улучшит диагностику рака и артрита

Новый ручной сканер, который может быстро создавать трёхмерные фотоакустические изображения, разработали Исследователи из Калифорнийского университета. Это открывает новые возможности для ранней диагностики заболеваний в клинических условиях.

В журнале Nature Biomedical Engineering опубликовано исследование, где говорится, что эта технология позволяет врачам получать точные и детальные изображения кровеносных сосудов в реальном времени. Это помогает им принимать обоснованные решения при лечении пациентов.

Фотоакустическая томография (PAT) использует ультразвуковые волны, генерируемые лазером, для обнаружения ранних признаков заболеваний в мелких венах и артериях. Глубина исследования — до 15 мм.

Существующая технология PAT работает медленно, и получаемые изображения недостаточно качественные для врачей. Кроме того, во время сканирования пациент должен быть неподвижен, иначе изображение будет размытым.

Сканеры PAT работают медленно: получение изображения занимает более пяти минут. Если сократить это время, качество изображения улучшится и станет подходящим для людей с ослабленным здоровьем.

Исследователи считают, что новый сканер поможет диагностировать рак, сердечно-сосудистые заболевания и артрит через три-пять лет, если продолжить тестирование.

Профессор Пол Бирд (UCL Medical Physics and Biomedical Engineering and the Wellcome/EPSRC Centre for Interventional and Surgical Sciences) сказал, что фотоакустическая визуализация сильно продвинулась вперёд, но есть ещё сложности с её применением в клинике.

Учёные смогли ускорить получение изображений в 100–1000 раз по сравнению с предыдущими сканерами.

Это позволяет избежать размытости и получать качественные изображения. Процесс сканирования теперь занимает секунды, а не минуты. Это даёт возможность визуализировать динамические физиологические процессы.

Эти достижения впервые делают систему пригодной для использования в клинике. Они позволят изучить аспекты биологии и заболеваний человека, которые раньше были недоступны.

Теперь необходимо провести дополнительные исследования на больших группах пациентов, чтобы подтвердить полученные результаты.

Профессор Бирд рассказал, что новый сканер можно использовать для оценки воспалительного артрита. С его помощью можно быстро просканировать все 20 суставов пальцев обеих рук, в отличие от старых сканеров PAT, на которые уходит около часа. По словам профессора, это слишком долго для пожилых и ослабленных пациентов.

Испытание сканера на пациентах

Сканер протестировали на 10 пациентах с диабетом второго типа, ревматоидным артритом и раком молочной железы, а также на семи здоровых добровольцах.

У трёх пациентов с диабетом сканер создал подробные 3D-изображения микрососудов стоп, выявив деформации и структурные изменения в сосудах. Также прибор визуализировал воспаление кожи, связанное с раком молочной железы.

Эндрю Пламб, доцент кафедры медицинской визуализации UCL, консультант-радиолог UCLH и старший автор исследования, отметил, что у людей с диабетом часто наблюдается низкий уровень кровотока в конечностях из-за повреждения кровеносных сосудов. Однако до сих пор не было понятно, как именно развивается это повреждение.

У пациента мы обнаружили гладкие сосуды в левой стопе и деформированные — в правой. Это может привести к повреждению тканей в будущем.

Фотоакустическая томография поможет поставить более точный диагноз на ранней стадии и лучше понять, как развивается заболевание.

Фотоакустическая томография

С 2000 года PAT считается перспективным методом для изучения биологических процессов и диагностики рака.

В основе работы PAT лежит фотоакустический эффект: материалы поглощают свет и производят звуковые волны. Сканеры PAT сканируют биологическую ткань короткими лазерными очередями. Часть энергии поглощается в зависимости от цвета ткани, что приводит к увеличению тепла и давления. Это, в свою очередь, генерирует слабую ультразвуковую волну, содержащую информацию о ткани. Весь процесс происходит за долю секунды.

Физики и инженеры из Калифорнийского университета под руководством профессора Бирда выяснили, что ультразвуковую волну можно обнаружить с помощью света.

В начале 2000-х годов они создали систему, которая измеряет мельчайшие изменения толщины тонкой пластиковой плёнки, вызванные звуковой волной. Для этого используется высоконастроенный лазерный луч.

Так были обнаружены структуры тканей, которые ранее не были видны.

Как PAT может помочь в выявлении заболеваний

При некоторых заболеваниях, таких как периферическая сосудистая болезнь (ПСБ), осложнение диабета, ранние признаки изменений в кровеносных сосудах нельзя увидеть с помощью обычных методов визуализации.

Но благодаря PAT-изображениям их можно обнаружить на ранней стадии. Это позволит своевременно начать лечение и избежать осложнений, говорится в статье. ПСБ страдают более 25 миллионов человек в США и Европе.

Также при раке опухоли часто имеют высокую плотность мелких кровеносных сосудов, которые трудно обнаружить другими методами визуализации.

Доктор Нам Хуинь из Калифорнийского университета, который разработал новый сканер вместе с коллегой доктором Эдвардом Чжаном, рассказал о преимуществах фотоакустической визуализации. Этот метод можно использовать для обнаружения и наблюдения за опухолью. Также он помогает хирургам-онкологам отличать опухолевую ткань от нормальной, визуализируя кровеносные сосуды в опухоли. Это позволяет полностью удалить опухоль во время операции и минимизировать риск рецидива.

Доктор Хуинь отметил, что технология чувствительна к гемоглобину — именно молекулы гемоглобина создают ультразвуковые волны.

Улучшение и тестирование скорости сканера

Учёные из Калифорнийского университета работали над тем, чтобы ускорить процесс получения изображений. Они усовершенствовали конструкцию сканера и математическую модель, которая используется для создания снимков.

Новый сканер определяет ультразвуковые волны в нескольких точках одновременно, а не поочерёдно более чем в 10 000 точек, как это делали старые сканеры PAT. Благодаря этому изображение получается быстрее.

Исследовательская группа применила математические принципы, схожие с алгоритмами сжатия цифровых изображений, для реконструкции высококачественных снимков. Это позволило ускорить процесс и сократить количество измерений ультразвуковой волны до нескольких тысяч вместо десятков тысяч.

Благодаря этим инновациям, получение изображения теперь занимает всего несколько секунд или даже меньше. Также удалось устранить размытость при движении и получить чёткие снимки динамических изменений в тканях.

Учёные планируют провести дополнительные исследования с участием большего числа пациентов, чтобы подтвердить результаты своей работы и определить практическую ценность сканера в медицине.

Первые шаги по созданию фотоакустической томографии были сделаны в 2000 году. Но этот метод появился ещё в 1880-м, когда Александр Грэхем Белл, бывший студент Калифорнийского университета, изобрёл телефон и наблюдал за преобразованием солнечного света в звук.

В 2019 году группа исследователей из UCL основала компанию DeepColor Imaging, которая продаёт сканеры, основанные на технологии PAT, по всему миру.

30.09.2024