Doorbraak in medische beeldvorming zou de diagnose van kanker en artritis kunnen veranderen

In de studie, gepubliceerd inNatuur Biomedische Engineering,Het team laat zien dat hun technologie fotoakoestische tomografie (PAT) scans in realtime kan leveren aan artsen, waardoor ze nauwkeurige en ingewikkelde beelden van bloedvaten krijgen.hulp bij het informeren van de patiëntenzorg.

Photoacoustic tomography imaging uses laser-generated ultrasound waves to visualise subtle changes (an early marker of disease) in the less-than-millimetre-scale veins and arteries up to 15mm deep in human tissues.

Tot nu toe was de bestaande PAT-technologie echter te traag om 3D-beelden van voldoende hoge kwaliteit te produceren voor gebruik door clinici.

Tijdens een PAT-scan moeten patiënten volledig onbeweeglijk zijn, wat betekent dat elke beweging tijdens een langzamere scan kan leiden tot wazig beeld en dus geen garantie is voor klinisch bruikbare beelden.

De oudere PAT-scanners namen meer dan vijf minuten om een beeld te maken. Door die tijd te verkleinen tot een paar seconden of minder,De beeldkwaliteit is veel verbeterd en veel beter geschikt voor mensen die zwak zijn of slecht.

Onderzoekers zeggen dat de nieuwe scanner kan helpen bij de diagnose van kanker, hart- en vaatziekten en artritis binnen drie tot vijf jaar, onder voorbehoud van verdere testen.

De correspondente auteur, professor Paul Beard (UCL Medical Physics and Biomedical Engineering en het Wellcome/EPSRC Centre for Interventional and Surgical Sciences), zei:"We hebben een lange weg afgelegd met fotoakoestische beeldvorming in de afgelopen jaren, maar er waren nog steeds belemmeringen om het in de kliniek te gebruiken.

"De doorbraak in dit onderzoek is de versnelling van de tijd die nodig is om beelden te verkrijgen, wat tussen de 100 en 1.000 keer sneller is dan met eerdere scanners.

"Deze snelheid vermijdt vervaging door beweging en levert zeer gedetailleerde beelden van een kwaliteit die geen enkele andere scanner kan leveren.de beelden kunnen in realtime worden verkregen, waardoor dynamische fysiologische gebeurtenissen kunnen worden gevisualiseerd.

"Deze technische vooruitgang maakt het systeem voor het eerst geschikt voor klinisch gebruik, waardoor we aspecten van de menselijke biologie en ziekte kunnen onderzoeken die we voorheen niet konden.

"Nu is meer onderzoek met grotere groepen patiënten nodig om onze bevindingen te bevestigen".

Professor Beard voegde eraan toe dat een belangrijk potentieel gebruik voor de nieuwe scanner was om ontstekingsartritis te beoordelen, waarvoor alle 20 gewrichten van beide handen moeten worden gescand.Dit kan in een paar minuten gedaan worden. Oudere PAT-scanners duren bijna een uur.Dat is te lang voor oudere, zwakke patiënten, zei hij.

Testing van de scanner op patiënten

In het onderzoek testte het team de scanner tijdens pre-klinische tests op 10 patiënten met diabetes type 2, reumatoïde artritis of borstkanker, samen met zeven gezonde vrijwilligers.

Bij drie patiënten met diabetes type 2 kon de scanner gedetailleerde 3D-beelden maken van de microvasculaire structuur in de voeten, waarbij misvormingen en structurele veranderingen in de bloedvaten werden aangetoond.De scanner werd gebruikt om de huidontsteking te visualiseren die verband houdt met borstkanker..

Andrew Plumb, universitair hoofddocent medische beeldvorming aan UCL en radioloog-consultant aan UCLH en een senior auteur van de studie, zei:"Een van de complicaties waar diabetespatiënten vaak aan lijden, is een lage bloedtoevoer in de ledematen, zoals voeten en onderbenen, als gevolg van beschadiging van de kleine bloedvaten in deze gebieden.Maar tot nu toe konden we niet precies zien wat er gebeurt om deze schade te veroorzaken of om te karakteriseren hoe het zich ontwikkelt..

"Bij een van onze patiënten konden we gladde, uniforme bloedvaten zien in de linkervoet en vervormde, krullende bloedvaten in hetzelfde gebied van de rechtervoet,indicatief voor problemen die in de toekomst tot weefselbeschadiging kunnen leidenFotoakoestische beeldvorming zou ons veel gedetailleerdere informatie kunnen geven om de vroege diagnose te vergemakkelijken en de ziekteprogressie in het algemeen beter te begrijpen".

Fotoakoestische tomografie

Sinds de vroege ontwikkeling in 2000,PAT wordt al lang geprezen als een potentieel om een revolutie teweeg te brengen in ons begrip van biologische processen en de klinische beoordeling van kanker en andere belangrijke ziekten te verbeteren..

Het werkt met behulp van het fotoakoestische effect, dat ontstaat wanneer materialen licht absorberen en geluidsgolven produceren.

PAT-scanners werken door zeer korte laserstralen af te vuren op biologisch weefsel.wat een lichte toename van warmte en druk veroorzaakt die op zijn beurt een zwakke echografiegolf genereert die informatie bevat over het weefselHet hele proces vindt plaats in slechts een fractie van een seconde.

In eerder onderzoek ontdekten natuurkundigen en ingenieurs van UCL (geleid door professor Beard) dat de ultrasone golf met behulp van licht kan worden gedetecteerd.

In het begin van de jaren 2000 waren ze pioniers in een systeem waarbij een geluidsgolf kleine veranderingen veroorzaakt in de dikte van een dunne plastic film die kan worden gemeten met behulp van een goed afgestemde laserstraal.

De resultaten onthulden weefselstructuren die nog nooit eerder zijn gezien.

Hoe PAT kan helpen bij het opsporen van ziekten

Bij sommige aandoeningen, zoals perifere vaatziekten (PVD), een complicatie van diabetes,Vroege tekenen van veranderingen in kleine bloedvaten die wijzen op de ziekte kunnen niet worden gezien met behulp van conventionele beeldvormingstechnieken zoals MRI-scans.

Maar met PAT-beelden kunnen ze -- het bieden van de mogelijkheid tot behandeling voordat het weefsel beschadigd is en om slechte wondgenezing en amputatie te voorkomen, zegt de krant.PVD treft meer dan 25 miljoen mensen in de VS en Europa, voegt het toe.

Ook bij kanker hebben tumoren vaak een hoge dichtheid aan kleine bloedvaten die te klein zijn om te zien met andere beeldvormingstechnieken.

Dr. Nam Huynh van UCL Medical Physics and Biomedical Engineering, die de scanner ontwikkelde met collega Dr. Edward Zhang, zei:"Fotoakoestische beeldvorming kan worden gebruikt om de tumor te detecteren en relatief gemakkelijk te controlerenHet kan ook worden gebruikt om kankerchirurgen te helpen tumorgeweefsel beter te onderscheiden van normaal weefsel door de bloedvaten in de tumor te visualiseren.helpt ervoor te zorgen dat de gehele tumor tijdens de operatie wordt verwijderd en het risico op recidief tot een minimum beperktIk kan me veel manieren voorstellen waarop het nuttig zal zijn".

Dr. Huynh voegde eraan toe dat een van de belangrijkste voordelen van de technologie was dat deze gevoelig was voor hemoglobine.

Verbetering en testen van de snelheid van de scanner

In deze studie probeerden de UCL-onderzoekers het snelheidsprobleem te overwinnen door de tijd die nodig is om afbeeldingen te verkrijgen te verminderen.Ze bereikten dit door innovaties te maken in het ontwerp van de scanner en de wiskunde die gebruikt werd om de beelden te genereren..

In tegenstelling tot eerdere PAT-scanners, die de ultrasone golven op meer dan 10.000 verschillende punten op het weefseloppervlak afmaakte,De nieuwe scanner detecteert ze op meerdere punten tegelijkertijd., waardoor de tijd voor het verkrijgen van de afbeelding aanzienlijk wordt verkort.

Het onderzoeksteam gebruikte ook vergelijkbare wiskundige principes als bij digitale beeldcompressie.Dit maakte het mogelijk beeldmateriaal van hoge kwaliteit te reconstrueren uit enkele duizenden (in plaats van tienduizenden) metingen van de ultrasone golfDeze innovaties hebben de beeldvorming tot een paar seconden of minder dan een seconde verkort.het elimineren van vervaagde bewegingen en het maken van foto's van dynamische veranderingen in het weefsel mogelijk.

De wetenschappers zeiden dat er meer onderzoek nodig was met een grotere groep patiënten om de bevindingen van hun studie te bevestigen en in hoeverre de scanner klinisch nuttig zou zijn in de praktijk.

De eerste stappen naar de ontwikkeling van fotoakoestische tomografie voor medische beeldvorming werden in 2000 ondernomen, maar de oorsprong van de techniek gaat terug tot 1880 toen voormalig UCL-student Alexander Graham Bell,vers van het uitvinden van de telefoon, waargenomen de omzetting van zonlicht in hoorbaar geluid.

In 2019 richtten leden van het UCL-onderzoeksteam DeepColor Imaging op, een UCL-spin-out bedrijf dat nu wereldwijd een reeks scanners op basis van PAT-technologie op de markt brengt.

Dit onderzoek werd ondersteund door Cancer Research UK, de Engineering & Physical Sciences Research Council, Wellcome,de Europese Onderzoeksraad en het National Institute for Health Research University College London Hospitals Biomedical Research Centre.

Verhaal Bron:

Materialendoor:University College Londen.Opmerking: Inhoud kan voor stijl en lengte worden bewerkt.