Obrazowanie jest kluczowym elementem współczesnej medycyny. Wspomaga leczenie urazów, infekcji, nowotworów, chorób przewlekłych i innych. Jednak będące złotym standardem obecne techniki – ultrasonografia (USG), zdjęcia rentgenowskie, tomografia komputerowa (TK) i obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI) - mają swoje ograniczenia. Należą do nich koszty i czas potrzebny na wykonanie każdego skanu, a także to, jaki obszar ciała można zobaczyć, jak głęboki zasięg mają obrazy i ile szczegółów dostarczają.

Naukowcy z Keck School of Medicine of USC (USA), współpracując z zespołem inżynierów z Kalifornijskiego Instytutu Technologii (Caltech), opracowali innowacyjną technikę obrazowania medycznego. Technologia ta po raz pierwszy łączy ultradźwięki i obrazowanie fotoakustyczne, które wykrywa fale dźwiękowe generowane przez światło, aby jednocześnie rejestrować obrazy tkanek i naczyń krwionośnych. Nowa metoda łącząca rotacyjną tomografię ultradźwiękową (RUST) i tomografię fotoakustyczną (PAT) nazywa się RUS-PAT i może potencjalnie wypełnić istniejące obecnie luki w obrazowaniu medycznym.

Podobnie jak standardowe USG, RUST kieruje fale dźwiękowe w obrazowany obszar. Jednak zamiast używać pojedynczego detektora do tworzenia obrazu 2D, wykorzystuje łuk detektorów do odtworzenia trójwymiarowego obrazu objętościowego tkanek ciała. PAT kieruje w ten sam obszar wiązkę światła laserowego, które jest absorbowane przez cząsteczki hemoglobiny we krwi. Cząsteczki te wibrują i emitują częstotliwości ultradźwiękowe, które są mierzone przez te same detektory, tworząc trójwymiarowe obrazy naczyń krwionośnych.

System RUS-PAT opiera się na wcześniejszych pracach zespołu USC-Caltech, które wykazały, że PAT może być również używany do rejestrowania obrazów aktywności mózgu.

RUS-PAT jest tańszy niż skaner MRI, unika promieniowania potrzebnego do zdjęć rentgenowskich i tomografii komputerowej oraz zapewnia bardziej zaawansowane obrazy niż konwencjonalne USG.

W badaniu koncepcyjnym finansowanym przez Narodowe Instytuty Zdrowia (NIH) naukowcy z Keck School of Medicine of USC i Caltech wykazali, że nowa nieinwazyjna technika może być wykorzystana do szybkiego pozyskiwania trójwymiarowych obrazów ludzkiego ciała.

„Nie można przecenić znaczenia obrazowania medycznego w praktyce klinicznej. Nasz zespół zidentyfikował kluczowe ograniczenia istniejących technik i opracował nowatorskie podejście, aby je rozwiązać” – powiedział dr n. med. Charles Liu, profesor klinicznej neurochirurgii, urologii i chirurgii w Keck School of Medicine, dyrektor USC Neurorestoration Center i współautor nowego badania.

Aby pokazać, jak szerokie może być zastosowanie tej technologii, naukowcy wykorzystali system do obrazowania wielu obszarów ludzkiego ciała: mózgu, piersi, dłoni i stóp. Obrazowanie mózgu wykonano u pacjentów z urazowym uszkodzeniem mózgu poddawanych zabiegowi chirurgicznemu, którym tymczasowo usunięto fragmenty czaszki. Wyniki pokazują, że technologia ta pozwala uchwycić zarówno strukturę tkanek, jak i naczynia krwionośne na obszarze o szerokości do 10 centymetrów, a wszystko to w ciągu około 10 sekund.

„Opracowaliśmy nowatorską metodę, która zmienia sposób, w jaki współpracują ze sobą systemy obrazowania ultradźwiękowego i fotoakustycznego, co pozwala nam uzyskać znacznie bardziej kompleksowe obrazowanie na znaczących głębokościach. To krok naprzód w diagnostyce nieinwazyjnej, która nie wykorzystuje promieniowania jonizującego ani silnych magnesów” – powiedział współautor pracy, dr Lihong Wang z Caltech.

Poprzez obrazowanie mózgu, piersi, dłoni i stóp, naukowcy wykazali potencjał RUS-PAT w szerokim zakresie zastosowań w opiece zdrowotnej. Obrazowanie mózgu odgrywa kluczową rolę w diagnostyce i leczeniu udaru mózgu, urazowego uszkodzenia mózgu i chorób neurologicznych, a obrazowanie piersi wspomaga leczenie jednego z najczęstszych nowotworów na świecie. Szybkie i tanie obrazowanie stopy może pomóc milionom osób żyjących z powikłaniami stopy cukrzycowej i chorobami żył.

„Fotoakustyka otwiera nowe możliwości w badaniach nad człowiekiem i wierzymy, że ta technologia będzie miała kluczowe znaczenie dla rozwoju nowej diagnostyki i terapii dostosowanych do pacjenta” – powiedział dr Jonathan Russin z University of Vermont, współautor badania.

Zanim system RUS-PAT będzie gotowy do użytku, konieczne są dalsze badania kliniczne. Jednym z głównych wyzwań w przypadku mózgu pozostaje to, że ludzka czaszka zniekształca sygnały systemu, utrudniając uzyskanie wyraźnych obrazów. Zespół Caltech bada nowatorskie podejścia do rozwiązania tego problemu, w tym dostosowanie częstotliwości ultradźwięków. Konieczne są również dalsze udoskonalenia, aby zapewnić spójną jakość obrazu we wszystkich skanach.

„To wczesne, ale ważne badanie koncepcyjne, które pokazuje, że RUS-PAT może tworzyć medycznie istotne obrazy wielu części ciała. Obecnie stale udoskonalamy system, przygotowując się do przyszłego zastosowania klinicznego” – podkreślił Liu.

Paweł Wernicki (PAP)

pmw/ bar/