با ترکیب دو روش قدرتمند تصویربرداری اولتراسوند و فوتوآکوستیک، پژوهشگران کلتِک و یواسسی راهی جدید برای مشاهده درون بدن انسان با سرعت و جزئیاتی بیسابقه ابداع کردهاند. این فناوری، تصاویر سهبعدی تمامرنگی تولید میکند که نهتنها شکل بافتهای نرم، بلکه نحوه عملکرد رگهای خونی را در زمان واقعی نشان میدهد. در استفاده اولیه، پژوهشگران با موفقیت چندین بخش مختلف بدن انسان را تصویربرداری کردند که نشاندهنده تنوع کاربرد این روش است.
این روش تصویربرداری ترکیبی میتواند بهطور قابلتوجهی نحوه تشخیص و مطالعه بیماری توسط پزشکان را بهبود بخشد. کاربردهای بالقوه شامل تصویربرداری دقیقتر از تومورهای پستان، راههای جدید برای ردیابی آسیب عصبی ناشی از دیابت، و ابزارهای پیشرفته برای مشاهده ساختار مغز در کنار جریان خون است. این پژوهش مسیری را به سوی اسکنهای پزشکی که همزمان هم اطلاعات بیشتری فراهم میکنند و هم تکرار آنها در طول زمان آسانتر است، نشان میدهد.
پژوهشگران این فناوری جدید را در مقالهای در Nature Biomedical Engineering منتشر کردهاند.
تصویربرداری پزشکی اغلب مستلزم مصالحهای بین سرعت، هزینه و نوع اطلاعاتی است که میتوان ثبت کرد. اولتراسوند، یکی از پرکاربردترین تکنیکها، سریع، کمهزینه و برای تجسم ساختار بافتها بسیار مناسب است. با این حال، معمولاً تنها نمای دوبعدی ارائه میدهد و نمیتواند به راحتی یک ناحیه گسترده را ثبت کند یا اطلاعات دقیقی درباره شیمی یا جریان خون آشکار کند.
تصویربرداری فوتوآکوستیک برخی از این شکافها را پوشش میدهد اما خود محدودیتهایی دارد. در این روش، نور لیزر به داخل بدن فرستاده میشود، جاییکه توسط مولکولهای موجود در رگهای خونی جذب میشود. این جذب، امواج صوتی تولید میکند که میتوان آنها را آشکار و به تصویر تبدیل کرد. از آنجاییکه مولکولهای مختلف نور را به روشهای متمایزی جذب میکنند، تصویربرداری فوتوآکوستیک میتواند رگهای خونی را به صورت رنگی نوری نمایش دهد – که امکان تجسم نحوه حرکت خون در سرخرگها و سیاهرگها را فراهم میآورد. با این حال، این روش به تنهایی جزئیات ساختاری کافی برای نقشهبرداری کامل از بافتهای اطراف را ارائه نمیدهد.
سایر ابزارهای پیشرفته تصویربرداری، مانند توموگرافی کامپیوتری (سیتی اسکن) و تصویربرداری تشدید مغناطیسی (امآرآی)، میتوانند نماهای دقیقی از کالبدشناسی ارائه دهند، اما معایب قابل توجهی دارند. این روشها میتوانند پرهزینه باشند، ممکن است نیاز به عوامل کنتراست داشته باشند، گاهی شامل مواجهه با پرتوهای یونیزان هستند یا برای پایش مکرر یا استفاده در بالین بیمار بیش از حد طول میکشند.
ترکیب اولتراسوند و فوتوآکوستیک
برای غلبه بر این محدودیتها، پژوهشگران روش RUS-PAT (توموگرافی اولتراسوند دورانی یا RUST، ترکیب شده با توموگرافی فوتوآکوستیک یا PAT) را توسعه دادند. PAT برای اولین بار بیش از دو دهه پیش توسط لیهنگ وانگ، استاد برن مهندسی پزشکی و مهندسی برق و صاحب کرسی رهبری مهندسی پزشکی اندرو و پگی چرنگ در کلتک توسعه یافت.
در PAT، مولکولهایی که نور را جذب میکنند، با ارتعاش به پالسهای کوتاه لیزر پاسخ داده که سیگنالهای آکوستیک تولید میکند. این سیگنالها سپس میتوانند آشکار و پردازش شوند تا تصاویر دقیق و با وضوح بالا تشکیل شوند.
وانگ، که مدیر اجرایی مهندسی پزشکی در کلتِک نیز هست، میگوید هدف گروه او در کار حاضر، ترکیب مزایای PAT با اولتراسوند بود. او میگوید:
اما این مثل یک بعلاوه یک نیست. ما نیاز داشتیم که راهی بهینه برای ترکیب این دو فناوری پیدا کنیم.
اولتراسوند معمولاً از تعداد زیادی ترانسدیوسرها (مبدلها) هم برای تولید و هم برای دریافت امواج اولتراسوند استفاده میکند و ترکیب مستقیم این فرآیند با PAT برای استفاده گسترده بسیار پیچیده و پرهزینه خواهد بود. در همین حال، PAT تنها نیاز به آشکارسازی امواج اولتراسوند دارد و این به وانگ ایدهای داد. او میگوید:
فکر کردم، “صبر کن، آیا ما میتوانیم تحریک نوری امواج اولتراسوند در توموگرافی فوتوآکوستیک را تقلید کنیم، اما به صورت اولتراسونیک انجامش دهیم؟!
PAT اجازه میدهد نور لیزر درون بافت منتشر شود و در نهایت منجر به تولید امواج اولتراسوند قابل اندازهگیری میشود. بهطور مشابه، وانگ تشخیص داد که آنها میتوانند از یک ترانسدیوسر اولتراسوند با میدان گسترده برای پخش یک موج اولتراسوندی به صورت وسیع درون بافت استفاده کنند.
سپس آنها میتوانند از همان آشکارسازها برای اندازهگیری امواج حاصل برای هر دو روش استفاده کنند. در سیستم جدید، تعداد کمی از آشکارسازهای قوسشکل حول یک نقطه مرکزی میچرخند، که به آن اجازه میدهد مانند یک آشکارساز نیمکرهای کامل عمل کند اما با کسری از پیچیدگی و هزینه.
پتانسیل بالینی نشاندادهشده
دکتر چارلز وای. لیو، یکی از نویسندگان مقاله که دانشیار مهمان در زیستشناسی و مهندسی زیستی در کلتِک است، میگوید:
ترکیب نوآورانه تکنیکهای آکوستیک و فوتوآکوستیک بسیاری از محدودیتهای کلیدی تکنیکهای تصویربرداری پزشکی پرکاربرد در عمل بالینی کنونی را برطرف میکند و مهمتر از آن، امکان کاربرد انسانی آن در اینجا در چندین زمینه نشان داده شده است.
لیو همچنین استاد دانشکده پزشکی کک در یواسسی، مدیر مرکز نورورستوریشن یواسسی، و رئیس جراحی مغز و اعصاب در مرکز ملی توانبخشی رانچو لوس آمیگوس است.
تکنیک RUS-PAT بهطور بالقوه میتواند در هر ناحیهای از بدن که نور میتواند به آن تحویل داده شود استفاده گردد و برای کاربردهایی که پزشکان یا پژوهشگران از تصویربرداری سینرژیک (همافزایی) هم مورفولوژی (ریختشناسی) و هم عملکرد مرتبط با رنگ سود میبرند. برای مثال، RUS-PAT میتواند تصویربرداری تومور پستان را بهبود بخشد و به پزشکان توانایی دانستن موقعیت دقیق تومور و محیط اطرافش و همچنین پاتولوژی و فیزیولوژی آن را بدهد. همچنین میتواند با ارائه یک راه همهکاره برای پایش عرضه اکسیژن در کنار مورفولوژی، به پزشکان در نظارت بر آسیب عصبی ناشی از نوروپاتی دیابتی کمک کند. وانگ میگوید این تکنیک میتواند در تصویربرداری مغز نیز مفید باشد و به دانشمندان اجازه دهد جزئیات ساختاری مغز را مشاهده کنند و همزمان قادر به مشاهده همودینامیک (دینامیک جریان خون) نیز باشند.
در حال حاضر، این سیستم میتواند تا عمق حدود ۴ سانتیمتر را اسکن کند. نور همچنین میتواند به صورت آندوسکوپی تحویل داده شود، که به طور بالقوه بافتهای عمیقتر را برای این فناوری جدید قابل دسترس میکند. یک اسکن RUS-PAT میتواند در کمتر از یک دقیقه انجام شود.
راهاندازی فعلی شامل یک سیستم اسکن با ترانسدیوسرهای اولتراسوند و لیزر است که در زیر یک تخت قرار دارند. این سیستم بر روی داوطلبان و بیماران انسانی آزمایش شده و در مراحل اولیه توسعه است.
منبع: Scitechdaily
