Naukowcy: obrazowanie fotoakustyczne może być przełomem w medycynie

Niewielkie, ręczne skanery do medycznego obrazowania fotoakustycznego, które pozwalają badać drobne naczynia krwionośne, mogą zmienić diagnostykę chorób nowotworowych oraz zapalenia stawów – informuje pismo „Nature Biomedical Engineering”.

Na czym polega technika obrazowania fotoakustycznego?

Technika obrazowania fotoakustycznego (PAT) pojawiła się na początku lat 2000 i od początku uznawana jest za mającą duży potencjał diagnostyczny. Jednak sama koncepcja dźwięków wywołanych przez działanie światła pojawiła się już w roku 1880, kiedy to wynalazca telefonu, Alexander Graham Bell, zaobserwował konwersję światła słonecznego na dźwięk słyszalny.

PAT wykorzystuje efekt fotoakustyczny, który występuje, gdy materiały pochłaniają światło i wytwarzają fale dźwiękowe. Gdy krótkie serie impulsów laserowych działają na tkanki, część energii (zależna od koloru tej tkanki) jest pochłaniana, co powoduje niewielki wzrost ciepła i ciśnienia, który z kolei generuje słabą falę ultradźwiękową zawierającą informacje o tkance.

Dotychczas technologia PAT była zbyt powolna, aby wytwarzać obrazy 3D o wystarczająco wysokiej jakości – pacjenci musieli być całkowicie nieruchomi, bo każdy ruch mógł spowodować rozmycie uzyskiwanego obrazu. Nowy, ręczny skaner opracowany przez naukowców z University College London (UCL) może generować obrazy fotoakustyczne 3D o bardzo dużej rozdzielczości w ciągu kilku sekund, co powinno znacznie ułatwić i przyspieszyć diagnostykę chorób. Jak wykazał zespół z UCL, technologia tomografii fotoakustycznej może dostarczać lekarzom w czasie rzeczywistym dokładne i skomplikowane obrazy naczyń krwionośnych, pomagając w opiece nad pacjentem.

Obrazowanie metodą tomografii fotoakustycznej wykorzystuje generowane laserowo fale ultradźwiękowe do wizualizacji, będących wczesnym objawem choroby subtelnych zmian w żyłach i tętnicach o średnicy mniejszej niż milimetr, na głębokości do 15 mm we wnętrzu ludzkiego ciała.

Możliwości nowego skanera

Dotychczasowe skanery PAT potrzebowały powyżej pięciu minut na rejestrację obrazu. Dzięki skróceniu tego czasu do kilku sekund (lub mniej), jakość obrazu może być znacznie lepsza, co dostarcza dokładniejszych informacji o stanie zdrowia. Było to możliwe dzięki ulepszeniu zarówno konstrukcji skanera, jak i oprogramowania stosowanego przy tworzeniu obrazu.

W przeciwieństwie do wcześniejszych skanerów PAT, które mierzyły fale ultradźwiękowe w ponad 10 000 różnych punktach na powierzchni tkanki jeden po drugim, nowy skaner wykrywa je w wielu punktach jednocześnie. Wykorzystano również zasady matematyczne podobne do tych stosowanych w kompresji obrazu cyfrowego. Umożliwiło to rekonstrukcję wysokiej jakości obrazów z kilku tysięcy (zamiast dziesiątek tysięcy) pomiarów fali ultradźwiękowej, co ponownie przyspieszyło tworzenie gotowego obrazu.

Zdaniem autorów, jeśli prace będą kontynuowane, w ciągu trzech do pięciu lat nowy skaner mógłby pomóc w diagnozowaniu nowotworów, chorób układu krążenia i zapalenia stawów. Ocena stanu zdrowia w zapaleniu stawów wymaga skanowania wszystkich 20 stawów palców obu rąk – w przypadku nowej technologii wystarczy na to kilka minut. Badanie dotychczasowymi skanerami PAT trwało zbyt długo jak na możliwości starszych, słabych pacjentów.

Wyniki testów przedklinicznych

Na razie testy przedkliniczne przeprowadzono na 10 pacjentach z cukrzycą typu 2, reumatoidalnym zapaleniem stawów lub rakiem piersi, a także na siedmiu zdrowych ochotnikach.

U trzech pacjentów z cukrzycą typu 2 skaner był w stanie wytworzyć szczegółowe obrazy 3D mikronaczyń krwionośnych w stopach, podkreślając deformacje i zmiany strukturalne w naczyniach. Skaner został również użyty do uwidocznienia stanu zapalnego skóry związanego z rakiem piersi.

Jednym z powikłań, na które często cierpią osoby z cukrzycą jest obniżony  przepływ krwi w kończynach, zwłaszcza w stopach i podudziach, z powodu uszkodzenia drobnych naczyń krwionośnych. Dotychczas stosowane metody nie pozwalały na obrazowanie drobnych naczyń krwionośnych, na przykład w nowotworach, które mają gęstą, nieregularną sieć naczyń czy w przypadku patologii naczyniowych związanych z cukrzycą. Tymczasem dzięki PAT udało się uwidocznić u jednego z pacjentów gładkie, jednolite naczynia w lewej stopie i zdeformowane, kręte naczynia w tym samym obszarze prawej stopy, co sugerowało problemy mogące prowadzić do uszkodzenia tkanek w przyszłości.

Obrazowanie fotoakustyczne można wykorzystać do wykrywania guzów nowotworowych i ich stosunkowo łatwego monitorowania. Mogłoby też pomóc chirurgom onkologicznym w lepszym odróżnianiu tkanki guza od tkanki zdrowej poprzez wizualizację naczyń krwionośnych w guzie, co pomaga w usunięciu całego nowotworu podczas operacji i minimalizuje ryzyko nawrotu.

Autorzy publikacji (DOI: 10.1038/s41551-024-01247-x) wskazują, że potrzebne są dalsze badania z udziałem większej grupy pacjentów, aby potwierdzić wyniki ich badania i określić, w jakim stopniu skaner będzie klinicznie przydatny w praktyce. (PAP)