Кінець ендоскопії? Нова техніка може бути майбутнім медичної візуалізації
Проривні дослідження демонструють інноваційну техніку візуалізації, яка використовує ультразвук для отримання глибоких зображень неінвазивним способом.
В даний час ендоскопія є одним із найпоширеніших методів медичної візуалізації.Його використання включає діагностику захворювань, що впливають на легені, товсту кишку, горло та шлунково-кишковий тракт.
Під час ендоскопії медичні працівники вставляють ендоскоп - довгу тонку трубку з сильним світлом і невеликою камерою на кінці - у невеликий отвір, такий як рот або крихітний розріз, який робить хірург.
Ендоскопії - це інвазивна процедура, хоча і мінімальна. Вони можуть створювати дискомфорт і не позбавлені ризику. Потенційні побічні ефекти ендоскопій включають надмірне заспокоєння, судоми, постійний біль або навіть перфорацію тканин та незначні внутрішні кровотечі.
Тепер інноваційне відкриття може взагалі покласти край ендоскопії. Майзам Чаманзар, доцент кафедри електротехніки та обчислювальної техніки в Університеті Карнегі-Меллона в Пітсбурзі, штат Пенсільванія, та Маттео Джузеппе Скопелліті, докторант цього ж відділу, розробили неінвазивну методику ультразвукової візуалізації, яка обіцяє замінити ендоскоп.
Дослідники детально описують свою нову техніку в журналі Світло: наука та застосування.
Заміна фізичної лінзи на віртуальну
Чаманзар і Скопелліті пояснюють у своїй роботі, що біологічна тканина, будучи каламутним (або щільним і непрозорим) середовищем, обмежує можливості оптичних методів.
Зокрема, тканина складається з великих частинок і мембран і обмежує глибину та роздільну здатність оптичних зображень, «особливо у видимому та ближньому інфрачервоному діапазоні спектру».
Однак нова техніка використовує ультразвук для розробки "віртуальної лінзи" в тілі замість того, щоб вставляти фізичну. Потім оператор може відрегулювати лінзу, "змінюючи ультразвукові хвилі тиску всередині середовища", пишуть автори, і тому робить глибинні зображення, які раніше ніколи не були доступними, використовуючи неінвазивні засоби.
Ультразвукові хвилі можуть стискати або розріджувати середовище, яке вони проникають. Світло рухається повільніше через стиснуті середовища та швидше - у розріджених середовищах.
Автори пояснюють, що їм вдалося створити віртуальну лінзу, використовуючи такий ефект стиснення / розрідження:
“У міру поширення ультразвукових хвиль по середовищу вони модулюють його щільність, а отже, і локальний показник заломлення; середовище стискається в областях високого тиску, що призводить до вищої щільності, тоді як воно розріджується в зонах негативного тиску, де локальна щільність зменшується ".
«Як результат, - пишуть вони, - стояча хвиля тиску створює локальний контраст показника заломлення».
Більше того, регулювання або переналаштування ультразвукових хвиль іззовні може переміщати лінзу всередині середовища, дозволяючи їй рухатися в різні регіони і робити зображення на різній глибині.
"Ми використовували ультразвукові хвилі для ліплення віртуальної лінзи оптичного реле в межах певного цільового середовища, яке, наприклад, може бути біологічною тканиною", - говорить Чаманзар. "Тому тканина перетворюється на лінзу, яка допомагає нам фіксувати та передавати зображення глибших структур".
Далі дослідник пояснює, як працює ця техніка і чому це прогресивний крок для візуалізації всередині тіла.
"Що відрізняє нашу роботу від звичайних акустооптичних методів, так це те, що ми використовуємо саме цільове середовище, яке може бути біологічною тканиною, для впливу на світло при його розповсюдженні через середовище", - продовжує Чаманзар. "Ця взаємодія in situ надає можливості для противаги [перешкодам], які порушують траєкторію світла".
Техніка «революції в медичній візуалізації»
Деякі із застосувань нової техніки включають візуалізацію мозку, діагностику шкірних захворювань та виявлення пухлин у різних органах. Метод може включати портативний пристрій або пластир шкіри, залежно від області, яка потребує моніторингу.
Просто наносячи його на поверхню шкіри, медичні працівники можуть отримати зображення внутрішніх органів без потенційних побічних ефектів та неприємних наслідків ендоскопії.
"Можливість передавати зображення з органів, таких як мозок, без необхідності вставляти фізичні оптичні компоненти стане важливою альтернативою імплантації інвазивних ендоскопів в організм".
Майзам Чаманзар
"Цей метод може зробити революцію в галузі біомедичної візуалізації", - додає він.
"Каламутні середовища завжди вважалися перешкодами для оптичного зображення", - додає співавтор Скопелліті. "Але ми показали, що такі засоби масової інформації можна перетворити на союзників, щоб допомогти світлу досягти бажаної мети".
«Коли ми активізуємо ультразвук з правильним малюнком, каламутне середовище стає негайно прозорим. Цікаво думати про потенційний вплив цього методу на широкий спектр галузей, від біомедичних застосувань до комп’ютерного зору ».
