اسکن جدید به دانشمندان اجازه می دهد تا داخل بدن انسان را با رنگ سه بعدی ببینند

جزئیات این مطالعه منتشر شده است مهندسی زیست پزشکی طبیعت.

چرا ابزارهای تصویربرداری فعلی در حال سقوط نیستند؟

سونوگرافی استاندارد سریع، مقرون به صرفه و پرکاربرد است، اما در درجه اول شکل بافت را در دو بعد نشان می دهد و ناحیه تصویربرداری محدودی را ارائه می دهد. تصویربرداری فوتوآکوستیک انواع مختلفی از اطلاعات را ارائه می دهد. با ارسال نور لیزر به بدن و تشخیص امواج صوتی تولید شده در هنگام جذب مولکول های خاص این نور عمل می کند. این به پزشکان و محققان اجازه می‌دهد تا رگ‌های خونی را به رنگ نوری ببینند و جریان خون را در شریان‌ها و سیاهرگ‌ها مشاهده کنند. با این حال، تصویربرداری فوتوآکوستیک نمی‌تواند ساختار بافت مفصل را به خوبی ثبت کند.

سایر روش های تصویربرداری متداول، از جمله توموگرافی کامپیوتری (CT) و تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI)، دارای برخی معاوضه هستند. این تکنیک‌ها ممکن است به مواد حاجب نیاز داشته باشند، بیماران را در معرض پرتوهای یونیزان قرار دهند، گران‌تر باشند یا استفاده مکرر آن‌ها طولانی شود.

ترکیب اولتراسوند و تصویربرداری فوتو آکوستیک

برای غلبه بر این محدودیت ها، تیم تحقیقاتی RUS-PAT (توموگرافی اولتراسوند چرخشی، RUST، همراه با توموگرافی فوتوآکوستیک، PAT) را توسعه دادند. توموگرافی فوتو آکوستیک برای اولین بار بیش از دو دهه پیش توسط لیهونگ وانگ، پروفسور مهندسی پزشکی و مهندسی برق برن و کرسی رهبری اندرو و پگی چرنگ در مهندسی پزشکی در کالتک توسعه یافت. در PAT، مولکول‌های بافت جذب‌کننده نور پس از برخورد با پالس‌های کوتاه لیزر به ارتعاش در می‌آیند و سیگنال‌های صوتی تولید می‌کنند که قابل اندازه‌گیری و تبدیل به تصاویر دقیق هستند.

وانگ که به عنوان مدیر ارشد مهندسی پزشکی Caltech نیز خدمت می کند، گفت که هدف از این پروژه جدید ترکیب نقاط قوت اولتراسوند و تصویربرداری فوتوآکوستیک است. او توضیح می دهد: «اما مثل یک به علاوه یک نیست. ما باید راه بهینه ای را برای ترکیب این دو فناوری پیدا می کردیم.»

طراحی ساده تر و کاربردی تر

سیستم‌های اولتراسوند مرسوم به مبدل‌های زیادی برای ارسال و دریافت امواج صوتی نیاز دارند که ادغام مستقیم با تصویربرداری فوتوآکوستیک را برای استفاده گسترده بسیار پیچیده و پرهزینه می‌کند. در مقابل، تصویربرداری فوتوآکوستیک فقط به تشخیص اولتراسوند نیاز دارد. این تفاوت وانگ را به ایده جدیدی سوق داد. صبر کنید، آیا می‌توانیم تحریک نور امواج اولتراسوند را در توموگرافی فوتو آکوستیک تقلید کنیم، اما آیا می‌توانیم آن را به روش اولتراسونیک انجام دهیم؟ فکر کردم.”

در تصویربرداری فوتوآکوستیک، نور لیزر در بافت پراکنده می شود و امواج اولتراسوند را تحریک می کند که قابل اندازه گیری است. وانگ متوجه شد که یک مبدل اولتراسوند میدان وسیع می تواند امواج صوتی را از طریق بافت بفرستد. سپس همان آشکارسازها قادر به گرفتن سیگنال از هر دو روش تصویربرداری بودند.

آخرین سیستم از تعداد کمی از آشکارسازهای قوسی شکل که حول یک نقطه مرکزی می چرخند استفاده می کند. این تنظیم به طور موثر مانند یک آشکارساز کاملاً نیمکره عمل می کند در حالی که بسیار ساده تر و ارزان تر است.

پتانسیل اثبات شده برای استفاده انسانی

D.، یکی از نویسندگان این مطالعه و یک دانشیار مهمان در زیست شناسی و مهندسی بیولوژیک در Caltech. چارلز وای لیو می‌گوید: «ترکیب جدید تکنیک‌های آکوستیک و فوتوآکوستیک بسیاری از محدودیت‌های اساسی تکنیک‌های تصویربرداری پزشکی را که معمولاً در عملکرد بالینی فعلی مورد استفاده قرار می‌گیرند، برطرف می‌کند و مهم‌تر از آن، امکان‌سنجی کاربردهای انسانی در اینجا در زمینه‌های متعدد نشان داده شده است.» لیو همچنین استاد دانشکده پزشکی USC Keck، مدیر مرکز ترمیم اعصاب USC، و رئیس جراحی مغز و اعصاب در مرکز ملی توانبخشی رانچو لوس آمیگوس است.

RUS-PAT ممکن است کاربردهای بالینی گسترده ای داشته باشد زیرا این روش می تواند به هر کجا که نور برسد مورد استفاده قرار می گیرد. تصویربرداری سرطان سینه می تواند به پزشکان کمک کند تا محل تومور را تعیین کنند و در عین حال اطلاعاتی در مورد فعالیت بیولوژیکی آن ارائه دهند. برای بیماران مبتلا به نوروپاتی دیابتی، این روش می تواند به پزشکان اجازه دهد تا ساختار عصبی و تامین اکسیژن را در یک اسکن کنترل کنند. وانگ همچنین به پتانسیل تحقیقات مغز اشاره می کند، جایی که دانشمندان می توانند دینامیک جریان خون را مشاهده کنند و در عین حال آناتومی مغز را نیز مطالعه کنند.

سرعت، عمق و تست اولیه

در حال حاضر، این سیستم می تواند بافت را تا عمق تقریباً ۴ سانتی متری تصویربرداری کند. نور را می توان با استفاده از ابزارهای آندوسکوپی که امکان دسترسی به قسمت های عمیق تر بدن را فراهم می کند، ارسال کرد. هر اسکن RUS-PAT کمتر از یک دقیقه طول می کشد.

تنظیم فعلی مبدل های اولتراسوند و یک لیزر را در زیر یک تخت اسکن قرار می دهد. این سیستم قبلاً روی داوطلبان و بیماران انسانی آزمایش شده است و در حال حاضر در مراحل اولیه پیشرفت به سمت استفاده بالینی است.

جزئیات مطالعه و بودجه

عنوان مقاله سونوگرافی چرخشی و توموگرافی فوتو آکوستیک بدن انسان است. نویسندگان مشترک یانگ ژانگ، شوای نا و دکتر جاناتان جی. روسین. ژانگ و نا این مطالعه را به عنوان محققان فوق دکترا در Caltech انجام دادند و اکنون به ترتیب در دانشگاه Tsinghua و دانشگاه پکن در پکن مشغول به کار هستند. راسین وابسته به دانشکده پزشکی USC Keck و مرکز ملی توانبخشی رانچو لوس آمیگوس در داونی، کالیفرنیا است.

سایر مشارکت کنندگان کلتک عبارتند از Karteekeya Sastry، Li Lin (PhD ’20)، Junfu Zheng، Yilin Luo، Xin Tong (PhD ’21)، Yujin An، Peng Hu (PhD ’23) و دانشمند محقق سابق کنستانتین ماسلوف. لین در حال حاضر در دانشگاه ژجیانگ در هانگژو چین است. دکتر از دانشکده پزشکی USC Keck. Tze-Woei Tan نیز یکی از نویسندگان است. این تحقیق توسط مؤسسه ملی بهداشت تأمین شده است.