סריקה חדשה מאפשרת למדענים לראות את הגוף האנושי בצבע תלת מימדי

פרטי העבודה פורסמו ב טבע הנדסה ביו-רפואית.

מדוע כלי ההדמיה הקיימים נופלים

אולטרסאונד סטנדרטי הוא מהיר, סביר ובשימוש נרחב, אך הוא מציג בעיקר צורת רקמה בדו מימד ומציע אזור צפייה מוגבל. הדמיה פוטואקוסטית מספקת מידע מסוג אחר. זה עובד על ידי שליחת אור לייזר לתוך הגוף וזיהוי גלי הקול שנוצרים כאשר מולקולות מסוימות סופגות את האור הזה. זה מאפשר לרופאים ולחוקרים לראות כלי דם בצבע אופטי ולצפות בזרימת הדם דרך העורקים והוורידים. עם זאת, הדמיה פוטו-אקוסטית אינה תופסת היטב את מבנה הרקמה המפורט.

שיטות הדמיה נפוצות אחרות, כולל טומוגרפיה ממוחשבת (CT) והדמיית תהודה מגנטית (MRI), מגיעות עם פשרות. טכניקות אלו עשויות לדרוש חומרי ניגוד, לחשוף מטופלים לקרינה מייננת, לעלות יותר או לקחת זמן רב מדי לשימוש תכוף.

שילוב של אולטרסאונד והדמיה פוטואקוסטית

כדי להתגבר על מגבלות אלו, צוות המחקר פיתח את RUS-PAT (טומוגרפיה אולטרסאונד סיבובית, RUST, בשילוב עם טומוגרפיה פוטו-אקוסטית, PAT). טומוגרפיה פוטו-אקוסטית פותחה לראשונה לפני יותר משני עשורים על ידי Lihong Wang, פרופסור ברן להנדסה רפואית והנדסת חשמל ויו"ר אנדרו ופגי צ'רנג להנדסה רפואית ב-Caltech. ב-PAT, מולקולות רקמה שסופגות אור רוטטות לאחר שנפגעו מפולסי לייזר קצרים, ומייצרות אותות אקוסטיים שניתן למדוד ולהמיר לתמונות מפורטות.

וואנג, המשמש גם כמנהל ההנדסה הרפואית של Caltech, אמר שמטרת הפרויקט החדש הייתה למזג את נקודות החוזק של אולטרסאונד והדמיה פוטו-אקוסטית. "אבל זה לא כמו אחד פלוס אחד", הוא מסביר. "היינו צריכים למצוא דרך אופטימלית לשלב בין שתי הטכנולוגיות".

עיצוב פשוט ומעשי יותר

מערכות אולטרסאונד מסורתיות מסתמכות על מתמרים רבים כדי לשלוח ולקבל גלי קול, מה שהופך את האינטגרציה הישירה עם הדמיה פוטו-אקוסטית למסובכת מדי ויקרה לשימוש נרחב. הדמיה פוטואקוסטית, לעומת זאת, זקוקה רק לזיהוי אולטרסאונד. ההבדל הזה הוביל את וואנג לרעיון חדש. "חשבתי, 'רגע, האם אנחנו יכולים פשוט לחקות עירור אור של גלי אולטרסאונד בטומוגרפיה פוטו-אקוסטית, אבל לעשות את זה באולטרסאונד?'".

בהדמיה פוטו-אקוסטית, אור הלייזר מתפשט דרך הרקמה ומפעיל גלי אולטרסאונד שניתן למדוד. וואנג הבין שמתמר אולטרסאונד יחיד בשדה רחב יכול לשלוח גלי קול בכל הרקמה. אותם גלאים יכלו לאחר מכן ללכוד אותות משתי שיטות ההדמיה.

המערכת הסופית משתמשת במספר קטן של גלאים בצורת קשת המסתובבים סביב נקודה מרכזית. התקנה זו פועלת ביעילות כמו גלאי חצי כדור מלא, תוך שהיא נשארת הרבה יותר פשוטה וזולה יותר.

הוכח פוטנציאל לשימוש אנושי

"השילוב החדש של טכניקות אקוסטיות ופוטו-אקוסטיות מתייחס לרבות מהמגבלות המרכזיות של טכניקות הדמיה רפואיות בשימוש נרחב בפרקטיקה הקלינית הנוכחית, וחשוב מכך, ההיתכנות ליישום אנושי הוכחה כאן בהקשרים מרובים", אומר ד"ר צ'ארלס י. ליו, מחבר שותף במחקר ושותף אורח בביולוגיה וביולוגית ב-Caltech. ליו הוא גם פרופסור בבית הספר לרפואה קק של USC, מנהל המרכז לשיקום עצבים של USC, ויו"ר נוירוכירורגיה במרכז השיקום הלאומי רנצ'ו לוס אמיגוס.

מכיוון שניתן להשתמש בשיטה לכל מקום שאור יכול להגיע, ל-RUS-PAT עשוי להיות יישומים קליניים רחבים. בהדמיית סרטן השד, זה יכול לעזור לרופאים לאתר את מיקומו של הגידול ובמקביל לחשוף מידע על הפעילות הביולוגית שלו. עבור חולים עם נוירופתיה סוכרתית, הטכניקה יכולה לאפשר לרופאים לנטר הן את מבנה העצבים והן את אספקת החמצן בסריקה אחת. וואנג גם מציין את הפוטנציאל שלו לחקר מוח, שבו מדענים יכלו לחקור את האנטומיה של המוח תוך התבוננות בדינמיקה של זרימת הדם.

מהירות, עומק ובדיקה מוקדמת

נכון להיום, המערכת יכולה לצלם רקמות בעומק של עד כ-4 סנטימטרים. ניתן לספק אור גם באמצעות כלים אנדוסקופיים, אשר עשויים לאפשר גישה לאזורים עמוקים יותר בגוף. כל סריקת RUS-PAT אורכת פחות מדקה אחת.

ההגדרה הנוכחית מציבה מתמרי אולטרסאונד ולייזר מתחת למיטה סורקת. המערכת כבר נוסתה על מתנדבים וחולים אנושיים וכעת נמצאת בשלבים מוקדמים של מעבר לשימוש קליני.

פרטי לימוד ומימון

המאמר נקרא "אולטרסאונד סיבובי וטומוגרפיה פוטו-אקוסטית של גוף האדם". המחברים המובילים הם יאנג ג'אנג, שואי נה וד"ר ג'ונתן ג'י רוסין. ג'אנג ונה ניהלו את העבודה כחוקרים בתר-דוקטורט ב-Caltech וכעת הם מבוססים באוניברסיטת טסינגואה ובאוניברסיטת פקין בבייג'ינג, בהתאמה. רוסין מזוהה עם בית הספר לרפואה קק של USC ומרכז השיקום הלאומי רנצ'ו לוס אמיגוס בדוני, קליפורניה.

תורמים נוספים של Caltech כוללים את Karteekeya Sastry, לי לין (דוקטורט '20), ג'ונפו ג'נג, ילין לואו, שין טונג (MS '21), יוג'ין אן, פנג הו (דוקטורט '23), ומדען המחקר לשעבר קונסטנטין מסלוב. לין נמצאת כעת באוניברסיטת ג'ה-ג'יאנג בהאנגג'ואו, סין. ד"ר צה-ואי טאן מבית הספר לרפואה קק של USC הוא גם מחבר שותף. המחקר מומן על ידי המכון הלאומי לבריאות.