Slutten på endoskopi? Ny teknikk kan være fremtiden for medisinsk bildebehandling
Gjennombruddsforskning viser en innovativ avbildningsteknikk som bruker ultralyd for å gi dybdebilder på en ikke-invasiv måte.
Endoskopi er for tiden en av de vanligste metodene for medisinsk bildebehandling.Bruken inkluderer diagnostisering av tilstander som påvirker lungene, tykktarmen, halsen og mage-tarmkanalen.
Under en endoskopi setter medisinske fagpersoner inn et endoskop - et langt, tynt rør med sterkt lys og et lite kamera i enden - i en liten åpning, for eksempel munnen eller et lite snitt som en kirurg lager.
Endoskopier er en invasiv prosedyre, om enn i det minste. De kan skape ubehag og er ikke uten risiko. Potensielle bivirkninger av endoskopier inkluderer overdimensjonering, kramper, vedvarende smerte eller til og med vevsperforering og mindre indre blødninger.
Nå kan en innovativ oppdagelse gjøre slutt på endoskopi helt. Maysam Chamanzar, assisterende professor i elektroteknikk og datateknikk ved Carnegie Mellon University i Pittsburgh, Pennsylvania, og Matteo Giuseppe Scopelliti, doktorgradsforsker ved samme avdeling, har utviklet en ikke-invasiv ultralydteknikk som lover å erstatte endoskopet.
Forskerne beskriver sin nye teknikk i tidsskriftet Lys: Vitenskap og applikasjoner.
Bytte ut den fysiske linsen med en virtuell
Chamanzar og Scopelliti forklarer i papiret at biologisk vev, som et uklart (eller tett og ugjennomsiktig) medium, begrenser mulighetene for optiske metoder.
Spesielt er vevet laget av store partikler og membraner og begrenser dybden og oppløsningen til optiske bilder, "spesielt i det synlige og nær infrarøde området av spekteret."
Den nye teknikken bruker imidlertid ultralyd for å utvikle en "virtuell linse" i kroppen i stedet for å sette inn en fysisk. Operatøren kan deretter justere linsen ved å "endre ultralydbølgene inne i mediet", skriver forfatterne, og så ta dybdebilder som aldri var tilgjengelige før, ved hjelp av ikke-invasive midler.
Ultralydbølger kan komprimere eller sjeldne mediet de trenger gjennom. Lys beveger seg saktere gjennom komprimerte medier, og raskere i sjeldne medier.
Forfatterne forklarer at de var i stand til å lage den virtuelle linsen ved å bruke denne komprimerings / sjeldne effekten:
“Når ultralydbølgene forplanter seg gjennom mediet, modulerer de dens tetthet og dermed dens lokale brytningsindeks; mediet er komprimert i høytrykksregionene, noe som resulterer i en høyere tetthet, mens det sjelden blir i områdene med undertrykk der lokal tetthet reduseres. ”
"Som et resultat," skriver de, "skaper den trykkbølgen en lokal brytningsindekskontrast."
Videre kan justering eller omkonfigurering av ultralydbølgene fra utsiden bevege linsen rundt inne i mediet, slik at den kan reise til forskjellige regioner og ta bilder på forskjellige dybder.
"Vi brukte ultralydbølger for å forme en virtuell optisk relélinse innenfor et gitt målmedium, som for eksempel kan være biologisk vev," sier Chamanzar. "Derfor blir vevet omgjort til et objektiv som hjelper oss med å fange og videreformidle bilder av dypere strukturer."
Forskeren forklarer videre hvordan teknikken fungerer og hvorfor den er et progressivt trinn for visualisering inne i kroppen.
"Det som skiller vårt arbeid fra konvensjonelle akustisk-optiske metoder er at vi bruker selve målmediet, som kan være biologisk vev, for å påvirke lys når det forplanter seg gjennom mediet," fortsetter Chamanzar. "Dette in situ-samspillet gir muligheter til å motveie [hindringene] som forstyrrer lysets bane."
Teknikk for å 'revolusjonere medisinsk bildebehandling'
Noen av anvendelsene av den nye teknikken inkluderer hjerneavbildning, diagnostisering av hudsykdommer og identifisering av svulster i forskjellige organer. Metoden kan involvere en håndholdt enhet eller hudplaster, avhengig av området som må overvåkes.
Ved å bare bruke den på overflaten av huden, kunne helsepersonell skaffe bilder av indre organer uten potensielle bivirkninger og ubehag ved endoskopi.
"Å kunne videreformidle bilder fra organer, som hjernen, uten behov for å sette inn fysiske optiske komponenter, vil gi et viktig alternativ til å implantere invasive endoskoper i kroppen."
Maysam Chamanzar
"Denne metoden kan revolusjonere feltet biomedisinsk bildebehandling," legger han til.
"Uklare medier har alltid vært ansett som hindringer for optisk bildebehandling," legger medforfatter Scopelliti til. "Men vi har vist at slike medier kan konverteres til allierte for å hjelpe lyset til å nå ønsket mål."
“Når vi aktiverer ultralyd med riktig mønster, blir det uklare mediet umiddelbart gjennomsiktig. Det er spennende å tenke på den potensielle effekten av denne metoden på et bredt spekter av felt fra biomedisinske applikasjoner til datasyn. ”
