Исследователи из Калифорнийского технологического института и Университета Южной Калифорнии создали новый подход к медицинской визуализации, который позволяет быстро получать трехмерные цветные изображения, показывающие как физическую структуру мягких тканей, так и работу кровеносных сосудов. Технология уже была успешно применена для сканирования нескольких частей человеческого тела и, по словам ученых, может привести к более качественной диагностике рака груди, улучшенному отслеживанию повреждений нервов при диабете и новым способам изучения мозга.
Существующие методы визуализации имеют свои недостатки. Стандартное УЗИ – это быстрый и доступный метод, но он в основном показывает лишь двухмерную структуру тканей и имеет ограниченную область обзора. Фотоакустическая томография предоставляет иную информацию: она направляет лазерный свет в тело и улавливает звуковые волны, возникающие при поглощении этого света определенными молекулами. Это позволяет врачам видеть кровеносные сосуды и наблюдать за кровотоком. Однако этот метод плохо передает детали строения самих тканей. Другие распространенные технологии, такие как КТ и МРТ, сопряжены с компромиссами – они могут требовать введения контрастных веществ, подвергать пациентов ионизирующему излучению, быть дорогостоящими или занимать слишком много времени.
Чтобы преодолеть эти ограничения, научная группа разработала гибридный метод RUS–PAT, объединяющий ротационную ультразвуковую томографию (RUST) и фотоакустическую томографию (PAT). Технология PAT была впервые предложена более двадцати лет назад Лихунгом Вангом, одним из руководителей нового проекта. В ее основе лежит принцип, при котором молекулы ткани, поглотив свет от коротких лазерных импульсов, вибрируют и создают акустические сигналы, которые можно измерить и преобразовать в детальные изображения. Ванг отмечает, что целью нового проекта было объединить сильные стороны УЗИ и фотоакустики. «Но это не просто сложение двух технологий, – объясняет он. – Нам нужно было найти оптимальный способ их сочетания».
Главная сложность заключалась в том, что традиционные УЗИ-системы используют множество датчиков для отправки и приема звуковых волн, что делает их прямую интеграцию с фотоакустической установкой слишком сложной и дорогой. Однако Ванг заметил, что для фотоакустики требуется только обнаружение ультразвука, а не его генерация. Это привело его к новой идее. Ученый понял, что можно использовать один широкопольный ультразвуковой преобразователь, который будет отправлять звуковые волны через ткань, имитируя световую стимуляцию в фотоакустике. При этом одни и те же детекторы смогут улавливать сигналы от обоих методов. Итоговая система использует небольшое количество дугообразных детекторов, вращающихся вокруг центральной точки, что делает ее значительно проще и дешевле.
«Новая комбинация акустических и фотоакустических методов устраняет многие ключевые ограничения широко используемых методов медицинской визуализации, и, что важно, здесь была продемонстрирована ее применимость для человека в нескольких контекстах», – говорит доктор Чарльз Лю, соавтор исследования. Поскольку RUS–PAT можно использовать везде, куда может проникнуть свет, у него есть широкий потенциал. В диагностике рака груди он поможет точно определить местоположение опухоли и одновременно покажет ее биологическую активность. Пациентам с диабетической нейропатией технология позволит за одно сканирование оценить и структуру нервов, и их снабжение кислородом. Ванг также отмечает ее пользу для исследований мозга, где можно будет одновременно изучать анатомию и динамику кровотока.
В настоящее время система способна сканировать ткани на глубину до четырех сантиметров, но использование эндоскопических инструментов может позволить добраться и до более глубоких областей. Каждое сканирование занимает менее одной минуты. Установка, в которой ультразвуковые датчики и лазер размещены под смотровым столом, уже прошла испытания на добровольцах и пациентах и сейчас находится на ранних стадиях внедрения в клиническую практику. Работа под названием «Ротационная ультразвуковая и фотоакустическая томография человеческого тела» была опубликована в журнале Nature Biomedical Engineering и профинансирована Национальными институтами здравоохранения США.
