Durchbruch in der bildgebenden Medizin könnte die Diagnose von Krebs und Arthritis verändern

In der Studie, veröffentlicht inNatur Biomedizinische Technik,Das Team zeigt, dass seine Technologie in der Lage ist, Fotoakustische Tomographie (PAT) -Bildgebungsscans in Echtzeit an Ärzte zu liefern und ihnen genaue und komplizierte Bilder von Blutgefäßen zu liefern.Unterstützung bei der Patientenpflege.

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.

Bislang war die bestehende PAT-Technologie jedoch zu langsam, um qualitativ hochwertige 3D-Bilder für die Anwendung durch Kliniker zu erzeugen.

Während eines PAT-Scans müssen die Patienten völlig unbeweglich sein, was bedeutet, dass jede Bewegung während eines langsameren Scans dazu führen kann, dass die Bilder verschwommen sind und daher keine klinisch nützlichen Bilder garantieren.

Die älteren PAT-Scanner brauchten mehr als fünf Minuten, um ein Bild zu machen.Die Bildqualität verbessert sich erheblich und eignet sich wesentlich besser für Menschen, die schwach oder schlecht.

Die Forscher sagen, dass der neue Scanner in drei bis fünf Jahren helfen könnte, Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Arthritis zu diagnostizieren.

Der entsprechende Autor, Professor Paul Beard (UCL Medical Physics and Biomedical Engineering und das Wellcome/EPSRC Centre for Interventional and Surgical Sciences), sagte:"Wir haben in den letzten Jahren einen langen Weg mit photoakustischer Bildgebung zurückgelegt., aber es gab immer noch Hindernisse für die Anwendung in der Klinik.

"Der Durchbruch in dieser Studie ist die Beschleunigung der Zeit, die es braucht, um Bilder zu erfassen, die zwischen 100 und 1.000 Mal schneller ist als frühere Scanner.

"Diese Geschwindigkeit verhindert Bewegungsauslöschung und liefert hochdetaillierte Bilder von einer Qualität, die kein anderer Scanner liefern kann.Bilder können in Echtzeit erfasst werden, wodurch dynamische physiologische Ereignisse visualisiert werden können.

"Diese technischen Fortschritte machen das System erstmals für den klinischen Einsatz geeignet und ermöglichen es uns, Aspekte der menschlichen Biologie und Krankheit zu untersuchen, die wir bisher nicht konnten.

"Jetzt sind weitere Untersuchungen mit größeren Patientengruppen erforderlich, um unsere Ergebnisse zu bestätigen".

Professor Beard fügte hinzu, dass ein wichtiger potenzieller Einsatz für den neuen Scanner darin besteht, entzündliche Arthritis zu untersuchen, bei der alle 20 Fingergelenke beider Hände untersucht werden müssen.Dies kann in wenigen Minuten erfolgen - ältere PAT-Scanner dauern fast eine Stunde, was für ältere, schwache Patienten zu lange dauert, sagte er.

Test des Scanners an Patienten

In der Studie testete das Team den Scanner bei präklinischen Tests an 10 Patienten mit Typ-2-Diabetes, rheumatoider Arthritis oder Brustkrebs zusammen mit sieben gesunden Freiwilligen.

Bei drei Patienten mit Typ-2-Diabetes konnte der Scanner detaillierte 3D-Bilder der Mikrovaskulatur in den Füßen erzeugen und Deformitäten und strukturelle Veränderungen in den Gefäßen hervorheben.Der Scanner wurde verwendet, um die Hautentzündung im Zusammenhang mit Brustkrebs zu visualisieren.

Andrew Plumb, Associate Professor für medizinische Bildgebung an der UCL und Beratender Radiologe an der UCLH und leitender Autor der Studie, sagte:"Eine der Komplikationen, unter der Menschen mit Diabetes häufig leiden, ist ein geringer Blutfluss in den Extremitäten, wie z. B. Füße und Unterbeine, aufgrund von Schäden an den winzigen Blutgefäßen in diesen Bereichen.Aber bis jetzt konnten wir nicht genau sehen, was passiert, um diesen Schaden zu verursachen oder zu charakterisieren, wie er sich entwickelt..

"Bei einem unserer Patienten konnten wir glatte, einheitliche Gefäße im linken Fuß und deformierte, krümmige Gefäße im selben Bereich des rechten Fußes sehen,Hinweis auf Probleme, die in Zukunft zu Gewebeschäden führen können.Die photoakustische Bildgebung könnte uns viel detailliertere Informationen liefern, um eine frühzeitige Diagnose zu erleichtern und die Krankheitsprogression allgemeiner besser zu verstehen".

Fotoakustische Tomographie

Seit seiner frühen Entwicklung im Jahr 2000PAT wird seit langem als das Potenzial bezeichnet, unser Verständnis von biologischen Prozessen zu revolutionieren und die klinische Bewertung von Krebs und anderen schweren Krankheiten zu verbessern..

Es arbeitet mit dem photoakustischen Effekt, der entsteht, wenn Materialien Licht absorbieren und Schallwellen erzeugen.

PAT-Scanner arbeiten, indem sie sehr kurze Laserstrahlen auf biologisches Gewebe abfeuern. Ein Teil dieser Energie wird abhängig von der Farbe des Ziels absorbiert.die eine leichte Erhöhung von Wärme und Druck verursacht, die wiederum eine schwache Ultraschallwelle erzeugt, die Informationen über Gewebe enthältDer gesamte Prozess erfolgt in nur einem Bruchteil einer Sekunde.

In früheren Untersuchungen entdeckten Physiker und Ingenieure der UCL (unter Leitung von Professor Beard), dass die Ultraschallwelle mit Licht erkannt werden kann.

In den frühen 2000er Jahren entwickelten sie ein System, bei dem eine Schallwelle winzige Veränderungen der Dicke eines dünnen Kunststofffolios bewirkt, die mit einem hoch abgestimmten Laserstrahl gemessen werden können.

Die Ergebnisse zeigten Gewebestrukturen, die noch nie zuvor gesehen wurden.

Wie PAT bei der Erkennung von Krankheiten helfen könnte

Bei einigen Erkrankungen, wie z. B. peripherer Gefäßerkrankung (PVD), einer Komplikation von Diabetes,Frühe Anzeichen von Veränderungen in winzigen Blutgefäßen, die auf die Krankheit hindeuten, können nicht mit herkömmlichen Bildgebungstechniken wie MRT-Scans gesehen werden..

Aber mit PAT-Bildern können sie -- das bietet das Potenzial für eine Behandlung, bevor das Gewebe beschädigt ist und um schlechte Wundheilung und Amputation zu vermeiden, sagt die Zeitung.PVD betrifft mehr als 25 Millionen Menschen in den USA und Europa, fügt es hinzu.

In ähnlicher Weise haben Tumore bei Krebs oft eine hohe Dichte an kleinen Blutgefäßen, die mit anderen Bildgebungstechniken nicht sichtbar sind.

Dr. Nam Huynh von der UCL Medical Physics and Biomedical Engineering, der den Scanner mit seinem Kollegen Dr. Edward Zhang entwickelt hat, sagte:"Die Fotoakustische Bildgebung könnte verwendet werden, um den Tumor relativ einfach zu erkennen und zu überwachen.Es könnte auch dazu verwendet werden, Krebschirurgen zu helfen, Tumorgewebe besser von normalem Gewebe zu unterscheiden, indem sie die Blutgefäße im Tumor visualisieren.hilft, sicherzustellen, dass der gesamte Tumor während der Operation entfernt wird und das Risiko eines Wiederauftretens minimiert wirdIch kann mir viele Möglichkeiten vorstellen, wie es nützlich sein wird".

Dr. Huynh fügte hinzu, ein wesentlicher Vorteil der Technologie sei, dass sie empfindlich auf Hämoglobin reagiere.

Verbesserung und Prüfung der Scannergeschwindigkeit

In dieser Studie versuchten die UCL-Forscher, das Geschwindigkeitsproblem zu überwinden, indem sie die Zeit, die für den Erwerb von Bildern benötigt wird, reduzierten.Sie erreichten dies, indem sie Innovationen im Scanner-Design und in der Mathematik zur Erstellung der Bilder machten..

Im Gegensatz zu früheren PAT-Scannern, die die Ultraschallwellen an mehr als 10.000 verschiedenen Punkten über der Gewebeoberfläche maßen,Der neue Scanner erkennt sie an mehreren Stellen gleichzeitig., wodurch die Bildgewinnungszeit erheblich verkürzt wird.

Das Forscherteam verwendete auch mathematische Prinzipien, die denen der digitalen Bildkompression ähneln.Dadurch konnten hochwertige Bilder aus wenigen tausend (statt Zehntausenden) Messungen der Ultraschallwelle rekonstruiert werdenDiese Neuerungen reduzierten die Aufnahmezeit auf wenige Sekunden oder weniger als eine Sekunde.Bewegungsabblendung beseitigt und Bilder dynamischer Veränderungen des Gewebes erstellt werden können.

Die Wissenschaftler sagten, dass weitere Untersuchungen mit einer größeren Gruppe von Patienten erforderlich seien, um die Ergebnisse ihrer Studie zu bestätigen und zu bestimmen, inwieweit der Scanner in der Praxis klinisch nützlich wäre.

Die ersten Schritte zur Entwicklung der photoakustischen Tomographie für medizinische Bildgebung wurden im Jahr 2000 unternommen, aber die Ursprünge der Technik reichen bis ins Jahr 1880 zurück, als der ehemalige UCL-Student Alexander Graham BellFrisch von der Erfindung des Telefons, beobachtete die Umwandlung von Sonnenlicht in hörbaren Klang.

Im Jahr 2019 gründeten Mitglieder des UCL-Forschungsteams DeepColor Imaging, ein UCL-Spin-Out-Unternehmen, das jetzt eine Reihe von Scannern auf Basis der PAT-Technologie weltweit vermarktet.

Diese Forschung wurde von Cancer Research UK, dem Engineering & Physical Sciences Research Council, Wellcome,Der Europäische Forschungsrat und das National Institute for Health Research University College London Hospitals Biomedical Research Centre.

Quelle der Geschichte:

MaterialienvonUniversitätsuniversität London.Anmerkung: Der Inhalt kann für Stil und Länge bearbeitet werden.