Terobosan dalam pencitraan medis dapat mengubah diagnosis kanker dan arthritis

Dalam studi yang diterbitkan padaTeknik Biomedis Alam,tim menunjukkan bahwa teknologi mereka dapat memberikan pemindaian pencitraan tomografi fotoakustis (PAT) kepada dokter secara real time, memberikan mereka gambar pembuluh darah yang akurat dan rumit,membantu menginformasikan perawatan pasien.

Photoacoustic tomography imaging uses laser-generated ultrasound waves to visualise subtle changes (an early marker of disease) in the less-than-millimetre-scale veins and arteries up to 15mm deep in human tissues.

Namun, sampai sekarang, teknologi PAT yang ada terlalu lambat untuk menghasilkan gambar 3D berkualitas tinggi yang cukup untuk digunakan oleh dokter.

Selama pemindaian PAT, pasien harus benar-benar diam, yang berarti setiap gerakan selama pemindaian yang lebih lambat dapat menyebabkan gambar menjadi buram dan oleh karena itu tidak menjamin gambar yang berguna secara klinis.

Pemindai PAT yang lebih tua membutuhkan waktu lebih dari lima menit untuk mengambil gambar -- dengan mengurangi waktu itu menjadi beberapa detik atau kurang,kualitas gambar jauh lebih baik dan jauh lebih cocok untuk orang-orang yang lemah atau buruk.

Para peneliti mengatakan bahwa scanner baru dapat membantu mendiagnosis kanker, penyakit kardiovaskular dan arthritis dalam waktu tiga sampai lima tahun, tergantung pada pengujian lebih lanjut.

Penulis korespondensi, Profesor Paul Beard (UCL Medical Physics and Biomedical Engineering dan Wellcome/EPSRC Centre for Interventional and Surgical Sciences), mengatakan:"Kami telah datang jauh dengan pencitraan fotoakustik dalam beberapa tahun terakhir, tapi masih ada hambatan untuk menggunakannya di klinik.

"Penemuan dalam penelitian ini adalah akselerasi dalam waktu yang dibutuhkan untuk memperoleh gambar, yang antara 100 dan 1.000 kali lebih cepat daripada scanner sebelumnya.

"Kecepatan ini menghindari kabur yang disebabkan oleh gerakan, memberikan gambar yang sangat rinci dengan kualitas yang tidak dapat diberikan oleh scanner lain.gambar dapat diperoleh secara real time, memungkinkan untuk memvisualisasikan peristiwa fisiologis dinamis.

"Kemajuan teknis ini membuat sistem ini cocok untuk penggunaan klinis untuk pertama kalinya, memungkinkan kita untuk melihat aspek biologi manusia dan penyakit yang belum pernah kita lakukan sebelumnya.

"Sekarang diperlukan penelitian lebih lanjut dengan kelompok pasien yang lebih besar untuk mengkonfirmasi temuan kami".

Profesor Beard menambahkan bahwa penggunaan potensial utama untuk scanner baru adalah untuk menilai radang sendi peradangan, yang membutuhkan pemindaian semua 20 sendi jari di kedua tangan.ini dapat dilakukan dalam beberapa menit -- pemindai PAT yang lebih tua membutuhkan waktu hampir satu jam, yang terlalu lama untuk pasien tua, lemah, katanya.

Uji scanner pada pasien

Dalam penelitian ini, tim menguji scanner selama tes pra-klinis pada 10 pasien dengan diabetes tipe 2, rheumatoid arthritis atau kanker payudara, bersama dengan tujuh sukarelawan sehat.

Pada tiga pasien dengan diabetes tipe 2, pemindai dapat menghasilkan gambar 3D rinci dari mikrovaskular di kaki, menyoroti kecacatan dan perubahan struktural pada pembuluh darah.Scanner digunakan untuk memvisualisasikan peradangan kulit yang terkait dengan kanker payudara.

Andrew Plumb, Profesor Asosiasi Pencitraan Medis di UCL dan konsultan ahli radiologi di UCLH dan penulis senior penelitian, mengatakan:"Salah satu komplikasi yang sering diderita oleh penderita diabetes adalah aliran darah yang rendah di ekstremitas, seperti kaki dan bagian bawah kaki, karena kerusakan pada pembuluh darah kecil di daerah ini.Tapi sampai sekarang kita belum bisa melihat persis apa yang terjadi untuk menyebabkan kerusakan ini atau menggambarkan bagaimana ia berkembang.

"Pada salah satu pasien kami, kami bisa melihat pembuluh darah yang halus dan seragam di kaki kiri dan pembuluh darah yang cacat dan bergelombang di daerah yang sama di kaki kanan,menunjukkan masalah yang dapat menyebabkan kerusakan jaringan di masa depanPencitraan fotoakustika dapat memberikan informasi yang jauh lebih rinci untuk memfasilitasi diagnosis dini, serta memahami perkembangan penyakit secara lebih umum".

Tomografi fotoakustika

Sejak awal pengembangan pada tahun 2000,PAT telah lama diumumkan sebagai memiliki potensi untuk merevolusi pemahaman kita tentang proses biologis dan meningkatkan penilaian klinis kanker dan penyakit utama lainnya.

Ini bekerja dengan menggunakan efek fotoakustis, yang terjadi ketika bahan menyerap cahaya dan menghasilkan gelombang suara.

PAT scanner bekerja dengan menembakkan sinar laser yang sangat pendek ke jaringan biologis.menyebabkan sedikit peningkatan panas dan tekanan yang pada gilirannya menghasilkan gelombang ultrasound lemah yang berisi informasi tentang jaringanSeluruh proses berlangsung hanya dalam hitungan detik.

Dalam penelitian sebelumnya, fisikawan dan insinyur di UCL (dipimpin oleh Profesor Beard) menemukan bahwa gelombang ultrasound dapat dideteksi menggunakan cahaya.

Pada awal 2000-an mereka merintis sistem di mana gelombang suara menyebabkan perubahan kecil dalam ketebalan film plastik tipis yang dapat diukur menggunakan sinar laser yang sangat disetel.

Hasilnya mengungkapkan struktur jaringan yang belum pernah terlihat sebelumnya.

Bagaimana PAT dapat membantu mendeteksi penyakit

Untuk beberapa kondisi, seperti penyakit pembuluh darah perifer (PVD), komplikasi diabetes,tanda-tanda awal perubahan pada pembuluh darah kecil yang menunjukkan penyakit tidak dapat dilihat menggunakan teknik pencitraan konvensional seperti MRI.

Tapi dengan gambar PAT mereka bisa -- menawarkan potensi untuk pengobatan sebelum jaringan rusak dan untuk menghindari penyembuhan luka yang buruk dan amputasi, kata surat kabar itu.PVD mempengaruhi lebih dari 25 juta orang di AS dan Eropa, ia menambahkan.

Demikian pula, dengan kanker, tumor sering memiliki kepadatan pembuluh darah kecil yang terlalu kecil untuk dilihat dengan teknik pencitraan lainnya.

Dr. Nam Huynh dari UCL Medical Physics and Biomedical Engineering, yang mengembangkan scanner dengan rekannya Dr. Edward Zhang, mengatakan:"Penggambaran fotoakustis dapat digunakan untuk mendeteksi tumor dan memantau dengan relatif mudahHal ini juga dapat digunakan untuk membantu ahli bedah kanker membedakan jaringan tumor dengan lebih baik dari jaringan normal dengan memvisualisasikan pembuluh darah dalam tumor.membantu memastikan seluruh tumor dihapus selama operasi dan meminimalkan risiko kambuh. Saya bisa membayangkan banyak cara itu akan berguna. "

Dr. Huynh menambahkan bahwa keuntungan utama dari teknologi ini adalah sensitivitasnya terhadap hemoglobin.

Meningkatkan dan menguji kecepatan scanner

Dalam penelitian ini, para peneliti UCL berusaha mengatasi masalah kecepatan dengan mengurangi waktu yang dibutuhkan untuk memperoleh gambar.Mereka mencapai ini dengan membuat inovasi dalam desain scanner dan matematika yang digunakan untuk menghasilkan gambar.

Tidak seperti pemindai PAT sebelumnya, yang mengukur gelombang USG di lebih dari 10.000 titik berbeda di permukaan jaringan satu per satu,scanner baru mendeteksi mereka di beberapa titik secara bersamaan, mengurangi waktu pengambilan gambar secara signifikan.

Tim peneliti juga menggunakan prinsip matematika yang mirip dengan yang digunakan dalam kompresi gambar digital.Hal ini memungkinkan untuk merekonstruksi gambar berkualitas tinggi dari beberapa ribu (bukan puluhan ribu) pengukuran gelombang ultrasoundInovasi ini mengurangi waktu pengambilan gambar menjadi beberapa detik atau kurang dari satu detik.menghilangkan motion-blur dan memungkinkan gambar perubahan dinamis pada jaringan untuk diambil.

Para ilmuwan mengatakan bahwa penelitian lebih lanjut diperlukan dengan kelompok pasien yang lebih besar untuk mengkonfirmasi temuan penelitian mereka dan sejauh mana scanner akan berguna secara klinis dalam praktek.

Langkah pertama untuk mengembangkan tomografi fotoakustis untuk pencitraan medis diambil pada tahun 2000, tetapi asal-usul teknik kembali ke tahun 1880 ketika mantan mahasiswa UCL Alexander Graham Bell,segar dari menemukan telepon, mengamati konversi sinar matahari menjadi suara yang dapat didengar.

Pada tahun 2019, anggota tim peneliti UCL mendirikan DeepColor Imaging, sebuah perusahaan spin-out UCL yang sekarang memasarkan berbagai pemindai berdasarkan teknologi PAT di seluruh dunia.

Penelitian ini didukung oleh Cancer Research UK, Engineering & Physical Sciences Research Council, Wellcome,Dewan Penelitian Eropa dan National Institute for Health Research University College London Hospitals Biomedical Research Centre.

Sumber cerita:

Bahan-bahanyang disediakan olehUniversity College London.Catatan: Konten dapat diedit untuk gaya dan panjang.