Koniec endoskopii? Nowa technika może być przyszłością obrazowania medycznego
Przełomowe badania pokazują innowacyjną technikę obrazowania, która wykorzystuje ultradźwięki do dostarczania głębokich obrazów w nieinwazyjny sposób.
Endoskopia jest obecnie jedną z najpopularniejszych metod obrazowania medycznego.Jego zastosowania obejmują diagnozowanie schorzeń, które wpływają na płuca, okrężnicę, gardło i przewód pokarmowy.
Podczas endoskopii lekarze wprowadzają endoskop - długą, cienką rurkę z silnym światłem i małą kamerą na końcu - do małego otworu, takiego jak usta lub małe nacięcie, które wykonuje chirurg.
Endoskopia to zabieg inwazyjny, choć minimalny. Mogą powodować dyskomfort i nie są pozbawione ryzyka. Potencjalne skutki uboczne endoskopii obejmują przewiercenie, skurcze, uporczywy ból, a nawet perforację tkanki i niewielkie krwawienie wewnętrzne.
Teraz nowatorskie odkrycie może całkowicie położyć kres endoskopii. Maysam Chamanzar, asystent profesora elektrotechniki i inżynierii komputerowej na Carnegie Mellon University w Pittsburghu w Pensylwanii oraz Matteo Giuseppe Scopelliti, doktorant z tego samego wydziału, opracowali nieinwazyjną technikę obrazowania ultrasonograficznego, która może zastąpić endoskop.
Naukowcy szczegółowo opisali swoją nową technikę w czasopiśmie Światło: nauka i aplikacje.
Wymiana soczewki fizycznej na soczewkę wirtualną
Chamanzar i Scopelliti wyjaśniają w swojej pracy, że tkanka biologiczna, będąc mętnym (lub gęstym i nieprzezroczystym) ośrodkiem, ogranicza możliwości metod optycznych.
W szczególności tkanka składa się z dużych cząstek i błon, co ogranicza głębię i rozdzielczość obrazów optycznych, „szczególnie w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni”.
Nowa technika wykorzystuje jednak ultradźwięki do opracowania „wirtualnej soczewki” w ciele zamiast wkładania fizycznej soczewki. Operator może następnie wyregulować soczewkę, „zmieniając ultradźwiękowe fale ciśnienia wewnątrz ośrodka”, piszą autorzy, i za pomocą nieinwazyjnych metod uchwycić głębokie obrazy, które nigdy wcześniej nie były dostępne.
Fale ultradźwiękowe mogą kompresować lub rozrzedzać medium, przez które przenikają. Światło przemieszcza się wolniej w mediach skompresowanych i szybciej w mediach rozrzedzonych.
Autorzy wyjaśniają, że byli w stanie stworzyć wirtualną soczewkę przy użyciu tego efektu kompresji / rozrzedzenia:
„Gdy fale ultradźwiękowe rozchodzą się w ośrodku, modulują jego gęstość, a tym samym lokalny współczynnik załamania światła; medium jest ściskane w obszarach wysokiego ciśnienia, co powoduje wyższą gęstość, podczas gdy jest rozrzedzane w obszarach podciśnienia, gdzie lokalna gęstość jest zmniejszona. ”
„W rezultacie”, piszą, „stojąca fala ciśnieniowa tworzy lokalny kontrast współczynnika załamania światła”.
Ponadto regulacja lub rekonfiguracja fal ultradźwiękowych z zewnątrz może przesuwać soczewkę wewnątrz ośrodka, umożliwiając jej podróż do różnych regionów i robienie zdjęć na różnych głębokościach.
„Wykorzystaliśmy fale ultradźwiękowe do wyrzeźbienia wirtualnej soczewki przekaźnika optycznego w danym ośrodku docelowym, którym może być na przykład tkanka biologiczna” - mówi Chamanzar. „Dlatego tkanka zamienia się w soczewkę, która pomaga nam uchwycić i przekazać obrazy głębszych struktur”.
Badacz dalej wyjaśnia, jak działa ta technika i dlaczego jest to progresywny krok do wizualizacji wnętrza ciała.
„To, co odróżnia naszą pracę od konwencjonalnych metod akustooptycznych, to fakt, że używamy samego ośrodka docelowego, którym może być tkanka biologiczna, do wpływania na światło rozchodzące się w medium” - kontynuuje Chamanzar. „Ta interakcja in situ zapewnia możliwości zrównowaŜenia [przeszkód], które zakłócają trajektorię światła”.
Technika „zrewolucjonizowania obrazowania medycznego”
Niektóre z zastosowań nowej techniki obejmują obrazowanie mózgu, diagnozowanie chorób skóry i identyfikację guzów w różnych narządach. Metoda może obejmować urządzenie ręczne lub plaster na skórę, w zależności od obszaru, który wymaga monitorowania.
Po prostu nakładając go na powierzchnię skóry, pracownicy służby zdrowia mogliby uzyskać obrazy narządów wewnętrznych bez potencjalnych skutków ubocznych i nieprzyjemności podczas endoskopii.
„Możliwość przekazywania obrazów z narządów, takich jak mózg, bez konieczności wkładania fizycznych komponentów optycznych, będzie ważną alternatywą dla wszczepiania inwazyjnych endoskopów do organizmu”.
Maysam Chamanzar
„Ta metoda może zrewolucjonizować dziedzinę obrazowania biomedycznego” - dodaje.
„Mętne media zawsze były uważane za przeszkody w obrazowaniu optycznym” - dodaje współautor Scopelliti. „Ale pokazaliśmy, że takie media można przekształcić w sojuszników, aby pomóc światłu dotrzeć do pożądanego celu”.
„Kiedy aktywujemy ultradźwięki z odpowiednim wzorem, mętne medium staje się natychmiast przezroczyste. Podniecające jest myślenie o potencjalnym wpływie tej metody na szeroki zakres dziedzin, od zastosowań biomedycznych po wizję komputerową ”.
