موضوعات: تکنولوژی، مهندسی پزشکی، تصویربرداری فوتوآکوستیک
گردآورنده: مهندس بهرامی
محققان دانشگاه UCL یک اسکنر دستی که به سرعت تصاویر سه بعدی فوتوآکوستیک را با جزئیاتی که به طور بالقوه انقلابی در تشخیص اولیه بیماری ایجاد می کند، ساخته اند.
این فناوری جدید تجسم رگ‌های خونی را در زمان واقعی و با کیفیت بالا امکان‌پذیر می‌سازد که برای تشخیص بیماری‌هایی مانند سرطان و بیماری‌های قلبی عروقی بسیار کاربردی است. این سیستم با توانایی خود در گرفتن سریع تصاویر، تاری حرکت را کاهش می دهد و برای سرعت بخشیدن به فرآیندهای تشخیصی ایده آل است.
در این مطالعه که (30 سپتامبر) در Nature Biomedical Engineering منتشر شد، این تیم نشان داد که فناوری آن ها می‌تواند اسکن‌های تصویربرداری توموگرافی فوتو آکوستیک(PAT) را در زمان واقعی به پزشکان ارائه کند و تصاویر دقیق و پیچیده‌ای از رگ‌های خونی را برای آن ها فراهم و به مراقبت از بیمار کمک کند.
پیشرفت ها در تصویربرداری فوتوآکوستیک
تصویربرداری توموگرافی فوتو آکوستیک از امواج اولتراسوند تولید شده توسط لیزر برای تجسم تغییرات ظریف (نشانگر اولیه بیماری) در رگ‌ها و شریان‌های با مقیاس کمتر از میلی‌متر تا عمق 15 میلی‌متر در بافت‌های انسانی استفاده می‌کند. با این حال، تا کنون، فناوری PAT موجود برای تولید تصاویر سه بعدی با کیفیت کافی برای استفاده توسط پزشکان بسیار کند بوده است. در طول اسکن PAT، بیماران باید کاملاً بی حرکت باشند، به این معنی که هر حرکتی در طول اسکن می‌تواند باعث تار شدن تصاویر شود و بنابراین تصاویر مفید بالینی را تضمین نمی‌کند. اسکنرهای PAT قدیمی‌تر بیش از پنج دقیقه طول می‌کشد تا یک تصویر بگیرند با کاهش زمان به چند ثانیه یا کمتر، کیفیت تصویر بسیار بهبود یافته و برای افرادی که بنیه ضعیفی دارند مناسب‌تر است.
کاربردهای بالقوه و تحولات آینده
محققان می‌گویند این اسکنر جدید می‌تواند به تشخیص سرطان، بیماری‌های قلبی عروقی و آرتریت در مدت سه تا پنج سال، مشروط به آزمایش‌های بیشتر کمک کند.
پیشرفت در این مطالعه شتاب در زمان لازم برای گرفتن تصاویر است که بین 100 تا 1000 برابر سریعتر از اسکنرهای قبلی است. این سرعت از تار شدن ناشی از حرکت جلوگیری می کند و تصاویری با جزئیات بسیار با کیفیتی ارائه می دهد که هیچ اسکنر دیگری نمی تواند ارائه دهد.
این پیشرفت‌های فنی برای اولین بار سیستم را برای استفاده بالینی مناسب می‌سازد و به ما امکان می‌دهد به جنبه‌هایی از زیست‌شناسی و بیماری انسان نگاه کنیم که قبلاً قادر به بررسی آن نبوده‌ایم.
پروفسور بیرد افزود که یک کاربرد بالقوه کلیدی برای اسکنر جدید ارزیابی آرتریت التهابی است که نیاز به اسکن تمام 20 مفصل انگشت در هر دو دست دارد. او گفت که با اسکنر جدید، این کار در چند دقیقه انجام می شود – اسکنرهای PAT قدیمی نزدیک به یک ساعت طول می کشد که برای بیماران مسن و ضعیف بسیار طولانی است.
تست عملی و بینش بالینی
در این مطالعه، تیم این اسکنر را طی آزمایشات پیش بالینی روی 10 بیمار مبتلا به دیابت نوع 2، آرتریت روماتوئید یا سرطان سینه به همراه هفت داوطلب سالم آزمایش کردند.
در سه بیمار مبتلا به دیابت نوع 2، این اسکنر توانست تصاویر سه بعدی دقیقی از عروق کوچک در پاها ایجاد کند که بدشکلی ها و تغییرات ساختاری در رگ ها را برجسته می کند. این اسکنر برای تجسم التهاب پوست مرتبط با سرطان سینه استفاده شد.
اندرو پلامب، دانشیار تصویربرداری پزشکی در UCL ، گفت: «یکی از عوارضی که اغلب افراد مبتلا به دیابت از آن رنج می‌برند، جریان خون پایین در اندام‌ها، مانند پا که، به دلیل آسیب به عروق کوچک خونی در این نواحی است. اما تاکنون نتوانسته‌ایم ببینیم دقیقاً چه اتفاقی می‌افتد تا این آسیب را ایجاد کند یا چگونگی ایجاد آن را مشخص کنیم.
در یکی از بیمارانمان، می‌توانستیم عروق صاف و یکنواخت را در پای چپ ببینیم و رگ‌های تغییر شکل یافته و خمیده را در همان ناحیه در پای راست ببینیم، که نشان‌دهنده مشکلاتی است که ممکن است منجر به آسیب بافتی در آینده شود. تصویربرداری فوتوآکوستیک می تواند اطلاعات بسیار دقیق تری را برای تسهیل تشخیص زودهنگام و همچنین درک بهتر پیشرفت بیماری به طور کلی به ما بدهد.
توضیح فنی توموگرافی فوتو آکوستیک
از زمان توسعه اولیه آن در سال 2000، PAT به مدت طولانی به عنوان پتانسیل ایجاد انقلابی در درک ما از فرآیندهای بیولوژیکی و بهبود ارزیابی بالینی سرطان و سایر بیماری‌های عمده اعلام شده است. این با استفاده از اثر فوتوآکوستیک کار می کند، که زمانی اتفاق می افتد که مواد، نور را جذب کرده و امواج صوتی تولید می کنند.
اسکنرهای PAT با شلیک انفجارهای لیزری بسیار کوتاه به بافت بیولوژیکی کار می کنند. مقداری از این انرژی بسته به رنگ هدف جذب می‌شود و باعث افزایش جزئی گرما و فشار می‌شود که به نوبه خود موج اولتراسوند ضعیفی حاوی اطلاعات مربوط به بافت ایجاد می‌کند. کل فرآیند فقط در کسری از ثانیه انجام می شود.
در تحقیقات قبلی، آنچه فیزیکدانان و مهندسانUCL به رهبری پروفسور بیرد کشف کردند این بود که امواج اولتراسوند را می توان با استفاده از نور تشخیص داد.
در اوایل دهه 2000، آن ها پیشگام سیستمی شدند که در آن یک موج صوتی باعث ایجاد تغییرات جزئی در ضخامت یک فیلم پلاستیکی نازک می شود که می تواند با استفاده از یک پرتو لیزر بسیار تنظیم شده اندازه گیری شود. نتایج ساختارهای بافتی را نشان داد که قبلاً هرگز دیده نشده بود.
آینده تشخیص بیماری با PAT
برای برخی شرایط، مانند بیماری عروق محیطی PVD ، یک عارضه مرتبط با دیابت، علائم اولیه تغییرات در رگ های خونی کوچک که نشان دهنده این بیماری هستند، با استفاده از تکنیک های تصویربرداری مرسوم مانند اسکن MRI قابل مشاهده نیستند. اما با استفاده از تصاویر PAT می توان درمان را قبل از آسیب به بافت و جلوگیری از بهبود ضعیف زخم و قطع عضو ارائه داد. PVD بیش از 25 میلیون نفر را در سراسر ایالات متحده و اروپا تحت تأثیر قرار می دهد.
به طور مشابه، در سرطان، تومورها اغلب دارای تراکم بالایی از رگ‌های خونی کوچک هستند که برای دیدن سایر تکنیک‌های تصویربرداری بسیار کوچک هستند.
دکتر Nam Huynh از UCL Medical Physics and Biomedical Engineering، که این اسکنر را با همکار دکتر ادوارد ژانگ توسعه داد، گفت: «تصویربرداری فوتوآکوستیک می تواند برای تشخیص تومور و نظارت نسبتاً آسان آن استفاده شود. همچنین می‌تواند برای کمک به جراحان سرطان برای تشخیص بهتر بافت تومور از بافت طبیعی با تجسم رگ‌های خونی در تومور، کمک به اطمینان از برداشتن تمام تومور در طول جراحی و به حداقل رساندن خطر عود استفاده شود.»
دکتر Huynh افزود که یک مزیت کلیدی این فناوری این است که به هموگلوبین حساس است. این مولکول های جذب کننده نور مانند هموگلوبین هستند که امواج اولتراسوند را تولید می کنند.
تسریع قابلیت های تصویربرداری PAT
در این مطالعه، محققان UCL به دنبال غلبه بر مشکل سرعت با کاهش زمان مورد نیاز برای گرفتن تصاویر بودند. آنه ا با ایجاد نوآوری در طراحی اسکنر و ریاضیات مورد استفاده برای تولید تصاویر به این امر دست یافتند.
برخلاف اسکنرهای قبلی PAT که امواج اولتراسوند را در بیش از 10000 نقطه مختلف روی سطح بافت در یک زمان اندازه‌گیری می‌کردند، اسکنر جدید آنها را در چندین نقطه به طور همزمان تشخیص می‌دهد و زمان گرفتن تصویر را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. تیم تحقیقاتی همچنین از اصول ریاضی مشابهی که در فشرده سازی تصویر دیجیتال استفاده می شود، استفاده کردند. این باعث شد که تصاویر با کیفیت بالا از چند هزار (و نه ده ها هزار) اندازه گیری امواج اولتراسوند بازسازی شوند و باز هم سرعت گرفتن تصویر را افزایش داد. این نوآوری‌ها زمان تصویربرداری را به چند ثانیه یا کمتر از یک ثانیه کاهش می‌دهد، تاری حرکت را از بین می‌برد و اجازه می‌دهد تصاویری از تغییرات پویا در بافت گرفته شود.
دانشمندان گفتند که تحقیقات بیشتری با گروه بزرگتری از بیماران برای تایید یافته های مطالعه آنها و میزان مفید بودن اسکنر از نظر بالینی در عمل مورد نیاز است. اولین قدم‌ها برای توسعه توموگرافی فوتو آکوستیک برای تصویربرداری پزشکی در سال 2000 برداشته شد، اما منشأ این تکنیک به سال 1880 بازمی‌گردد، زمانی که دانش‌آموز سابق دانشگاه UCL، الکساندر گراهام بل، تازه از اختراع تلفن، تبدیل نور خورشید به صدای قابل شنیدن را مشاهده کرد.
در سال 2019، اعضای تیم تحقیقاتی UCL، DeepColor Imaging را تأسیس کردند، یک شرکت اسپین‌آوت UCL که اکنون طیف وسیعی از اسکنرهای مبتنی بر فناوری PAT را در سراسر جهان به بازار عرضه می‌کند.
این تحقیق توسط Cancer Research UK، شورای تحقیقات مهندسی و علوم فیزیکی، شورای تحقیقات اروپا و موسسه ملی تحقیقات سلامت دانشگاه کالج لندن مرکز تحقیقات بیومدیکال بیمارستان ها حمایت شده است.
:رفرنس
“A fast all-optical 3D photoacoustic scanner for clinical vascular imaging” by N. T. Huynh, E. Zhang, O. Francies, F. Kuklis, T. Allen, J. Zhu, O. Abeyakoon, F. Lucka, M. Betcke, J. Jaros, S. Arridge, B. Cox, A. A. Plumb and P. Beard, 30 September 2024, Nature Biomedical Engineering.
DOI: 10.1038/s41551-024-01247-x