Конец эндоскопии? Новая техника может стать будущим медицинской визуализации
Прорывное исследование демонстрирует инновационную технику визуализации, в которой используется ультразвук для получения более глубоких изображений неинвазивным способом.
Эндоскопия в настоящее время является одним из наиболее распространенных методов медицинской визуализации.Его использование включает диагностику состояний, которые влияют на легкие, толстую кишку, горло и желудочно-кишечный тракт.
Во время эндоскопии медицинские работники вставляют эндоскоп - длинную тонкую трубку с ярким светом и маленькой камерой на конце - в небольшое отверстие, такое как рот, или крошечный разрез, который делает хирург.
Эндоскопия - это инвазивная процедура, хотя и минимальная. Они могут создавать дискомфорт и сопряжены с риском. Возможные побочные эффекты эндоскопии включают чрезмерную седацию, судороги, постоянную боль или даже перфорацию тканей и незначительное внутреннее кровотечение.
Теперь же новаторское открытие может положить конец эндоскопии вообще. Майсам Чаманзар, доцент кафедры электротехники и компьютерной инженерии в Университете Карнеги-Меллона в Питтсбурге, штат Пенсильвания, и Маттео Джузеппе Скопеллити, доктор-исследователь в том же отделении, разработали неинвазивную технику ультразвуковой визуализации, которая обещает заменить эндоскоп.
Исследователи подробно описывают свою новую технику в журнале. Свет: наука и приложения.
Замена физического объектива на виртуальный
Чаманзар и Скопеллити объясняют в своей статье, что биологическая ткань, будучи мутной (или плотной и непрозрачной) средой, ограничивает возможности оптических методов.
В частности, ткань состоит из крупных частиц и мембран и ограничивает глубину и разрешение оптических изображений, «особенно в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра».
Однако в новом методе ультразвук используется для создания «виртуальной линзы» в теле вместо того, чтобы вставлять физическую линзу. Затем оператор может настроить линзу, «изменяя ультразвуковые волны давления внутри среды», пишут авторы, и таким образом получать глубокие изображения, которые раньше были недоступны, с использованием неинвазивных средств.
Ультразвуковые волны могут сжимать или разряжать среду, в которую они проникают. Свет проходит медленнее через сжатые среды и быстрее в разреженных средах.
Авторы объясняют, что им удалось создать виртуальную линзу, используя этот эффект сжатия / разрежения:
«По мере того, как ультразвуковые волны распространяются через среду, они модулируют ее плотность и, следовательно, ее локальный показатель преломления; среда сжимается в областях с высоким давлением, что приводит к более высокой плотности, в то время как она разрежается в областях с отрицательным давлением, где местная плотность снижается ».
«В результате, - пишут они, - стоячая волна давления создает локальный контраст показателя преломления».
Более того, регулировка или реконфигурация ультразвуковых волн извне может перемещать линзу внутри среды, позволяя ей перемещаться в разные области и делать изображения на разной глубине.
«Мы использовали ультразвуковые волны для создания виртуальной оптической ретрансляционной линзы в заданной целевой среде, которая, например, может быть биологической тканью», - говорит Чаманзар. «Таким образом, ткань превращается в линзу, которая помогает нам захватывать и передавать изображения более глубоких структур».
Далее исследователь объясняет, как работает эта техника и почему это прогрессивный шаг к визуализации внутри тела.
«Что отличает нашу работу от обычных акустооптических методов, так это то, что мы используем саму целевую среду, которая может быть биологической тканью, чтобы воздействовать на свет, когда он распространяется через среду», - продолжает Чаманзар. «Это взаимодействие на месте дает возможность уравновесить [препятствия], которые нарушают траекторию света».
Техника "революции в медицинской визуализации"
Некоторые из применений новой техники включают визуализацию мозга, диагностику кожных заболеваний и выявление опухолей в различных органах. Этот метод может включать портативное устройство или пластырь на коже, в зависимости от области, которая требует наблюдения.
Просто нанеся его на поверхность кожи, медицинские работники могут получить изображения внутренних органов без потенциальных побочных эффектов и неприятностей, связанных с эндоскопией.
«Возможность передавать изображения из органов, таких как мозг, без необходимости вставлять физические оптические компоненты, станет важной альтернативой имплантации инвазивных эндоскопов в организм».
Майсам Чаманзар
«Этот метод может произвести революцию в области биомедицинской визуализации», - добавляет он.
«Мутная среда всегда считалась препятствием для получения оптических изображений», - добавляет соавтор Скопеллити. «Но мы показали, что такие средства массовой информации могут быть превращены в союзников, чтобы помочь свету достичь желаемой цели».
«Когда мы активируем ультразвук с правильным рисунком, мутная среда сразу становится прозрачной. Приятно думать о потенциальном влиянии этого метода на широкий спектр областей, от биомедицинских приложений до компьютерного зрения ».
