Oamenii de ştiinţă au făcut multe progrese în imagistica fotoacustică în ultimii ani, dar au existat încă bariere în calea utilizării acestei tehnologii la nivel clinic. Acum, un nou scaner portabil dezvoltat de cercetători de la University College London (UCL), din Marea Britanie, poate genera imagini fotoacustice 3D extrem de detaliate în doar câteva secunde, deschizând calea pentru utilizarea lor într-un cadru clinic şi oferind potenţialul de diagnosticare mai timpurie a bolilor.
Într-un studiu publicat luni, în revista Nature Biomedical Engineering, echipa de la UCL arată că o nouă tehnologie poate furniza medicilor un instrument de scanare imagistică de tomografie fotoacustică (PAT) în timp real, oferind imagini precise şi complexe ale vaselor de sânge, contribuind la informarea privind îngrijirea pacienţilor.
Imagistica prin tomografie fotoacustică utilizează unde cu ultrasunete generate de laser pentru a vizualiza modificări subtile (un marker timpuriu al bolii) în venele şi arterele la scară mai mică de un milimetru, până la 15 mm adâncime în ţesuturile umane.
Până în prezent, tehnologia PAT existentă s-a dovedit prea lentă pentru a produce imagini 3D de calitate suficient de ridicată pentru a fi utilizate de medici la nivel clinic.
În timpul unei scanări PAT, pacienţii trebuie să fie complet nemişcaţi, ceea ce înseamnă că orice mişcare în timpul unei scanări mai lente poate provoca înceţoşarea imaginilor şi, prin urmare, nu garantează imagini utile din punct de vedere clinic.
Scanerele PAT mai vechi necesitau mai mult de cinci minute pentru a obţine o imagine, acest timp fiind acum redus la câteva secunde sau mai puţin, calitatea imaginii fiind astfel mult îmbunătăţită şi mult mai potrivită pentru persoanele fragile sau în stare precară.
Cercetătorii spun că noul scaner ar putea ajuta la diagnosticarea cancerului, a bolilor cardiovasculare şi a artritei în trei până la cinci ani, sub rezerva unor teste suplimentare.
Marea realizare a acestei abordări o reprezintă accelerarea timpului de achiziţie a imaginilor, care este între 100 şi 1.000 de ori mai rapid decât scanerele anterioare, a declarat într-un comunicat autorul corespondent, profesorul Paul Beard de la Departamentul de fizică medicală şi inginerie biomedicală a UCL şi Centrul Wellcome/EPSRC pentru ştiinţe intervenţionale şi chirurgicale
Viteza foarte mare evită înceţoşarea indusă de mişcare, „oferind imagini foarte detaliate, de o calitate pe care niciun alt scaner nu o poate oferi. De asemenea, în loc să dureze cinci minute sau mai mult, imaginile pot fi achiziţionate în timp real, făcând posibilă vizualizarea evenimentelor fiziologice dinamice. Aceste progrese tehnice fac ca sistemul să fie adecvat pentru utilizare clinică pentru prima dată, permiţându-le specialiştilor să analizeze aspecte ale biologiei şi bolilor umane pe care nu le-au putut realiza până acum", a precizat el.
Afecţiune detectată de scanerul fotoacustic 3D portabil dezvoltat de UCL. Credit: Dr. Nam Huynh, 30 septembrie 2024
Potrivit cercetătorilor o utilizare pentru noul scaner a fost evaluarea artritei inflamatorii, care necesită scanarea tuturor celor 20 de articulaţii ale degetelor de la ambele mâini. Cu noul scaner, acest lucru se poate face în câteva minute - scanerele PAT mai vechi durează aproape o oră, ceea ce este prea mult pentru pacienţii în vârstă, fragili.
Testarea scanerului pe pacienţi
În cadrul studiului, echipa a testat scanerul în timpul testelor preclinice pe 10 pacienţi cu diabet zaharat de tip 2, artrită reumatoidă sau cancer de sân, împreună cu şapte voluntari sănătoşi.
La trei pacienţi cu diabet zaharat de tip 2, scanerul a fost capabil să producă imagini 3D detaliate ale microvasculaturii din picioare, evidenţiind deformările şi modificările structurale ale vaselor.
Una dintre complicaţiile de care suferă adesea persoanele cu diabet este fluxul sanguin scăzut la nivelul extremităţilor, cum ar fi picioarele şi partea inferioară a picioarelor, din cauza deteriorării vaselor de sânge minuscule din aceste zone. Scanerul a fost utilizat şi pentru a vizualiza inflamaţia pielii legată de cancerul de sân.
„La unul dintre pacienţii noştri, am putut vedea vase netede şi uniforme în piciorul stâng şi vase deformate şi încreţite în aceeaşi regiune a piciorului drept, indicând probleme care pot duce la deteriorarea ţesuturilor în viitor. Imagistica fotoacustică ne-ar putea oferi informaţii mult mai detaliate pentru a facilita diagnosticarea precoce, precum şi pentru a înţelege mai bine evoluţia bolii în general”, a explicat autorul principal al studiului, Andrew Plumb, profesor asociat de imagistică medicală la UCL şi radiolog la UCLH.
„Până acum, nu am putut vedea exact ce se întâmplă pentru a provoca această deteriorare sau pentru a caracteriza modul în care se dezvoltă", a mai precizat medicul.
Tomografia fotoacustică
Încă de la începutul dezvoltării sale în anii 2000, PAT, care funcţionează folosind efectul fotoacustic, ce apare atunci când materialele absorb lumina şi produc unde sonore, a fost anunţată ca având potenţialul de a revoluţiona cunoaşterea asupra proceselor biologice şi de a îmbunătăţi evaluarea clinică a cancerului şi a altor boli majore.
Scanerele PAT funcţionează prin trimiterea de rafale laser foarte scurte către ţesutul biologic. O parte din această energie este absorbită, în funcţie de culoarea ţintei, provocând o uşoară creştere a căldurii şi presiunii care, la rândul său, generează o undă slabă de ultrasunete ce conţine informaţii despre ţesut. Întregul proces are loc în doar o fracţiune de secundă.
În cercetările anterioare, fizicienii şi inginerii de la UCL au descoperit că unda cu ultrasunete poate fi detectată cu ajutorul luminii.
La începutul anilor 2000, ei au fost pionierii unui sistem în care unda sonoră provoacă modificări minuscule ale grosimii unei pelicule subţiri de plastic, care pot fi măsurate cu ajutorul unui fascicul laser foarte bine reglat.
Rezultatele au scos la iveală structuri în ţesuturi care nu au mai fost văzute.
Cum ar putea ajuta PAT la detectarea bolilor
Pentru unele afecţiuni, cum ar fi boala vasculară periferică (PVD), o complicaţie a diabetului, semnele timpurii de modificări ale micilor vase de sânge care indică boala nu pot fi observate cu ajutorul tehnicilor de imagistică convenţionale, cum ar fi RMN-ul.
Cu imaginile PAT, însă, acestea pot fi detectate - ceea ce oferă posibilitatea unui tratament înainte ca ţesutul să fie afectat şi pentru a evita vindecarea defectuoasă a rănilor şi amputarea, se arată în studiu.
Boala vasculară periferică afectează mai mult de 25 de milioane de persoane din SUA şi Europa, adaugă acesta.
În mod similar, în cazul cancerului, tumorile au adesea o densitate mare de vase de sânge mici care, datorită mărimii, sunt greu de observat cu alte tehnici de imagistică.
„Imagistica fotoacustică ar putea fi utilizată pentru a detecta o tumoră şi a o monitoriza relativ uşor", exlică dr. Nam Huynh de la UC, care a dezvoltat scanerul.
De asemenea, tehnologia ar putea fi utilizată pentru a ajuta chirurgii oncologi să distingă mai bine ţesutul tumoral de ţesutul normal prin vizualizarea vaselor de sânge din tumoră şi indicând dacă aceasta a fost îndepărtată în totalitate, în timpul intervenţiei chirurgicale, minimizând astfel riscul de recidivă.
Un avantaj cheie al tehnologiei, potrivit autorilor, este faptul că e sensibilă la hemoglobină. Moleculele care absorb lumina, precum hemoglobina, sunt cele care produc undele cu ultrasunete.
Îmbunătăţirea şi testarea vitezei scanerului
În acest studiu, cercetătorii de la UCL au încercat să depăşească problema vitezei prin reducerea timpului necesar pentru obţinerea imaginilor. Ei au reuşit acest lucru prin inovaţii în proiectarea scanerului şi în matematica utilizată pentru generarea imaginilor.
Spre deosebire de scanerele PAT anterioare, care măsurau pe rând undele ultrasonore în peste 10.000 de puncte diferite de pe suprafaţa ţesutului, noul scaner le detectează în mai multe puncte simultan, reducând considerabil timpul necesar pentru luarea imaginilor.
Echipa de cercetare a utilizat, de asemenea, principii matematice similare celor utilizate în compresia imaginilor digitale. Acest lucru a permis reconstruirea unor imagini de înaltă calitate din câteva mii (în loc de zeci de mii) de măsurători ale undei cu ultrasunete, accelerând încă o dată achiziţia de imagini.
Aceste inovaţii au redus timpul de formare a imaginii la câteva secunde sau mai puţin de o secundă, eliminând neclaritatea în urma mişcării şi permiţând obţinerea de imagini ale modificărilor dinamice ale ţesutului.
Oamenii de ştiinţă spun că este nevoie de mai multe cercetări pe un grup mai mare de pacienţi pentru a valida rezultatele studiului şi măsura în care scanerul ar putea fi util în practica clinică.
Primii paşi pentru dezvoltarea tomografiei fotoacustice pentru imagistica medicală au fost făcuţi în anii 2000, dar originile tehnicii datează din 1880, când fostul student al UCL Alexander Graham Bell, proaspăt inventator al telefonului, a observat transformarea luminii solare în sunet audibil.
În 2019, membrii echipei de cercetare de la UCL au înfiinţat DeepColor Imaging, o companie spin-out a UCL care comercializează în prezent o gamă de scanere bazate pe tehnologia PAT în întreaga lume.
