Лазер

Предыдущее изображение Следующее изображение

Исследователи из Лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института и их сотрудники из Центра ультразвуковых исследований и трансляции (CURT) Массачусетской больницы общего профиля (MGH) разработали новое устройство медицинской визуализации: бесконтактный лазерный ультразвук (NCLUS). Эта ультразвуковая система на основе лазера обеспечивает изображения внутренних органов тела, таких как органы, жир, мышцы, сухожилия и кровеносные сосуды. Система также измеряет прочность костей и может иметь возможность отслеживать стадии заболевания с течением времени.

«Наша запатентованная концепция безопасной для кожи лазерной системы направлена ​​на преобразование медицинского ультразвука путем преодоления ограничений, связанных с традиционными контактными датчиками», — объясняет главный исследователь Роберт Хаупт, старший сотрудник группы активных оптических систем лаборатории Линкольна. Хаупт и старший сотрудник Чарльз Винн являются соавторами технологии, а помощник руководителя группы Мэтью Стоу обеспечивает техническое руководство и надзор за программой NCLUS. Раджан Гурджар — ведущий системный интегратор, а Джейми Шоу, Берт Грин, Брайан Бойтнотт (сейчас работает в Стэнфордском университете) и Джейк Джейкобсен сотрудничают в оптическом и механическом проектировании и создании системы.

Медицинское УЗИ на практике

Если ваш врач назначит УЗИ, вы можете ожидать, что высококвалифицированный специалист по УЗИ прижмет и будет манипулировать множеством датчиков, установленных в портативном устройстве, на вашем теле. Когда специалист по УЗИ проводит зонд датчика по вашей коже, высокочастотные акустические волны (ультразвуковые волны) проникают и распространяются через ткани вашего тела, где они «эхом» отражаются от различных структур и особенностей тканей. Эти эхо проявляются в акустическом импедансе или изменении прочности тканей (мягкости или жесткости тканей), жира, мышц, органов, кровеносных сосудов и костей глубоко внутри тела. Зонд принимает возвращающиеся эхо-сигналы, которые объединяются в репрезентативные изображения внутренних особенностей тела. Специализированные схемы обработки (обработка с синтезированной апертурой) используются для построения форм элементов ткани в 2D или 3D, и эти конструкции затем отображаются на мониторе компьютера в реальном времени.

Используя ультразвук, врачи могут неинвазивно «видеть» внутри тела, чтобы визуализировать различные ткани и их геометрию. Ультразвук также может измерять пульсирующий кровоток в артериях и венах и характеризовать механические свойства (эластография) тканей и органов. Ультразвук обычно используется врачами в оценке и диагностике различных состояний здоровья, заболеваний и травм. Например, ультразвук можно использовать для визуализации анатомии развивающегося плода, обнаружения опухолей и измерения степени сужения или утечки сердечных клапанов. Ультразвуковые исследования — от портативных устройств на iPhone до систем на тележках — очень портативны, относительно недороги и широко используются в местах оказания медицинской помощи и в удаленных полевых условиях.

Ограничения ультразвука

Хотя современные медицинские ультразвуковые системы могут определять особенности тканей с точностью до долей миллиметра, этот метод имеет некоторые ограничения. Свободное манипулирование датчиком специалистами по УЗИ с целью получения наилучшего обзора внутренних частей тела приводит к ошибкам визуализации. Точнее, когда специалисты по УЗИ оказывают давление на датчик на ощупь, они случайным образом сжимают местную ткань в месте контакта датчика, вызывая непредсказуемые изменения свойств ткани, которые влияют на пути прохождения ультразвуковых волн. Такое сжатие искажает изображения особенностей ткани с некоторой непредсказуемостью, а это означает, что формы особенностей не отображаются точно. Кроме того, даже небольшой наклон зонда меняет угол обзора изображения, что приводит к перекосу изображения и созданию неопределенности в отношении расположения элементов тела.

Искажение изображения и неопределенность позиционной привязки настолько значительны, что ультразвук не может с достаточной уверенностью определить, например, становится ли опухоль больше или меньше и точное местонахождение опухоли в ткани хозяина. Более того, неопределенность в размере, форме и положении элемента будет меняться при повторных измерениях, даже если один и тот же специалист по УЗИ пытается проследить свои шаги. Эта неопределенность, называемая вариабельностью оператора, становится более серьезной, когда разные специалисты по УЗИ пытаются выполнить одно и то же измерение, что приводит к вариабельности результатов между операторами. Из-за этих недостатков ультразвук часто не позволяет отслеживать раковые опухоли и другие болезненные состояния. Вместо этого такие методы, как магнитно-резонансная томография (МРТ) и компьютерная томография (КТ), призваны отслеживать прогрессирование заболеваний — даже несмотря на их гораздо более высокую стоимость, больший размер и сложность системы, а также налагаемый радиационный риск.