Slutet på endoskopi? Ny teknik kan vara framtiden för medicinsk bildbehandling
Genombrottsforskning visar en innovativ bildteknik som använder ultraljud för att ge djupgående bilder på ett icke-invasivt sätt.
Endoskopi är för närvarande en av de vanligaste metoderna för medicinsk bildbehandling.Dess användning inkluderar diagnos av tillstånd som påverkar lungorna, tjocktarmen, halsen och mag-tarmkanalen.
Under en endoskopi infogar läkare ett endoskop - ett långt, tunt rör med starkt ljus och en liten kamera i slutet - i en liten öppning, såsom munnen eller ett litet snitt som en kirurg gör.
Endoskopier är ett invasivt förfarande, om än minimalt. De kan skapa obehag och är inte utan risker. Potentiella biverkningar av endoskopier inkluderar överdämpning, kramper, ihållande smärta eller till och med vävnadsperforering och mindre inre blödningar.
Nu kan en innovativ upptäckt sätta stopp för endoskopi helt och hållet. Maysam Chamanzar, en biträdande professor i elektroteknik och datateknik vid Carnegie Mellon University i Pittsburgh, Pennsylvania, och Matteo Giuseppe Scopelliti, en doktorandforskare vid samma avdelning, har utformat en icke-invasiv ultraljudsteknik som lovar att ersätta endoskopet.
Forskarna beskriver sin nya teknik i tidskriften Ljus: Vetenskap och tillämpningar.
Byta ut den fysiska linsen mot en virtuell
Chamanzar och Scopelliti förklarar i sitt papper att biologisk vävnad, som är ett grumligt (eller tätt och ogenomskinligt) medium, begränsar möjligheterna med optiska metoder.
Speciellt är vävnaden gjord av stora partiklar och membran och begränsar djupet och upplösningen av optiska bilder, "särskilt i det synliga och nära infraröda området av spektrumet."
Den nya tekniken använder dock ultraljud för att skapa en ”virtuell lins” i kroppen istället för att sätta in en fysisk. Operatören kan sedan justera linsen genom att "ändra ultraljudets tryckvågor inuti mediet", skriver författarna, och så ta djupbilder som aldrig var tillgängliga tidigare med icke-invasiva medel.
Ultraljudsvågor kan komprimera eller sällsynta mediet de tränger igenom. Ljus rör sig långsammare genom komprimerade medier och snabbare i sällsynta medier.
Författarna förklarar att de kunde skapa den virtuella linsen med hjälp av denna komprimerings / sällsynta effekt:
”När ultraljudsvågorna sprids genom mediet modulerar de dess densitet och därmed dess lokala brytningsindex; mediet komprimeras i högtrycksregionerna, vilket resulterar i en högre densitet, medan det sällsynts i områden med undertryck där den lokala densiteten reduceras. ”
"Som ett resultat", skriver de, "skapar den tryckstående vågen en lokal brytningsindexkontrast."
Dessutom kan justering eller omkonfigurering av ultraljudsvågorna från utsidan flytta linsen runt inuti mediet, så att den kan färdas till olika regioner och ta bilder på olika djup.
"Vi använde ultraljudsvågor för att forma en virtuell optisk relälins inom ett visst målmedium, som till exempel kan vara biologisk vävnad", säger Chamanzar. "Därför förvandlas vävnaden till en lins som hjälper oss att fånga och vidarebefordra bilder av djupare strukturer."
Forskaren förklarar vidare hur tekniken fungerar och varför den är ett progressivt steg för visualisering inuti kroppen.
"Det som skiljer vårt arbete från konventionella akusto-optiska metoder är att vi använder själva målmediet, som kan vara biologisk vävnad, för att påverka ljuset när det sprids genom mediet", fortsätter Chamanzar. "Denna in situ-interaktion ger möjligheter att motverka de [hinder] som stör ljusets bana."
Teknik för att ”revolutionera medicinsk bildbehandling”
Några av tillämpningarna av den nya tekniken inkluderar hjärnavbildning, diagnos av hudförhållanden och identifiering av tumörer i olika organ. Metoden kan involvera en handhållen enhet eller hudplåster, beroende på det område som behöver övervakas.
Genom att helt enkelt applicera det på hudytan kunde vårdpersonal få bilder av inre organ utan de eventuella biverkningarna och obehag av endoskopi.
"Att kunna vidarebefordra bilder från organ, såsom hjärnan, utan att behöva infoga fysiska optiska komponenter kommer att ge ett viktigt alternativ till att implantera invasiva endoskop i kroppen."
Maysam Chamanzar
"Denna metod kan revolutionera området för biomedicinsk bildbehandling", tillägger han.
"Grumliga medier har alltid ansetts vara hinder för optisk bildbehandling", tillägger medförfattare Scopelliti. "Men vi har visat att sådana medier kan omvandlas till allierade för att hjälpa ljuset att nå det önskade målet."
”När vi aktiverar ultraljud med rätt mönster blir det grumliga mediet omedelbart transparent. Det är spännande att tänka på den potentiella effekten av denna metod på ett brett spektrum av fält från biomedicinska applikationer till datasyn. ”
