جهاز مسح يدوي جديد تم تطويره من قبل باحثين في جامعة كاليفورنيا يمكنه توليد صور ثلاثية الأبعاد ذات تفاصيل عالية في ثوانٍ فقطيمهد الطريق لاستخدامها في بيئة سريرية لأول مرة ويقدم إمكانية لتشخيص المرض في وقت مبكر.
في الدراسة، التي نشرت فيالهندسة الطبية الحيويةيظهر الفريق أن تقنيته يمكنها تقديم مسحات التصوير بالتصوير الصوتي الصوتي (PAT) للأطباء في الوقت الحقيقي، مما يوفر لهم صور دقيقة ومعقدة للأوعية الدموية،المساعدة في إعلام رعاية المريض.
Photoacoustic tomography imaging uses laser-generated ultrasound waves to visualise subtle changes (an early marker of disease) in the less-than-millimetre-scale veins and arteries up to 15mm deep in human tissues.
ومع ذلك، حتى الآن، كانت تكنولوجيا PAT الحالية بطيئة للغاية لإنتاج صور ثلاثية الأبعاد عالية الجودة بما يكفي لاستخدامها من قبل الأطباء.
أثناء فحص PAT يجب أن يكون المرضى ثابتين تمامًا ، مما يعني أن أي حركة أثناء الفحص البطيء يمكن أن تسبب ضبابية الصور وبالتالي لا تضمن صور مفيدة سريريًا.
استغرقت أجهزة مسح PAT القديمة أكثر من خمس دقائق لتصوير الصورة -- من خلال تقليل ذلك الوقت إلى بضع ثوان أو أقل،جودة الصورة تحسنت كثيراً وأكثر ملاءمة للأشخاص الذين هم ضعفاء أو ضعفاء.
يقول الباحثون أن الماسح الضوئي الجديد يمكن أن يساعد في تشخيص السرطان وأمراض القلب والأوعية الدموية والتهاب المفاصل في غضون ثلاث إلى خمس سنوات، مع مراعاة مزيد من الاختبارات
وقال المؤلف المراسل، البروفيسور بول بيرد (فيزياء الطب والهندسة الطبية الحيوية في جامعة كاليفورنيا والمركز Wellcome/EPSRC للعلوم التدخلية والجراحية):"لقد قطعنا شوطا طويلا مع التصوير الصوتي في السنوات الأخيرة، ولكن لا تزال هناك حواجز لاستخدامها في العيادة.
"الابتكار في هذه الدراسة هو التسارع في الوقت الذي يستغرقه الحصول على الصور، وهو ما بين 100 و 1000 مرة أسرع من أجهزة المسح السابقة.
"هذه السرعة تتجنب الضبابية الناجمة عن الحركة، وتوفر صور مفصلة للغاية من نوعية لا يمكن لأي ماسح آخر توفيرها.يمكن الحصول على الصور في الوقت الحقيقي، مما يجعل من الممكن تصور الأحداث الفسيولوجية الديناميكية.
"هذه التطورات التقنية تجعل النظام مناسبًا للاستخدام السريري للمرة الأولى، مما يسمح لنا بالنظر إلى جوانب بيولوجية الإنسان والمرض التي لم نتمكن من ذلك من قبل.
"الآن هناك حاجة لمزيد من البحوث مع مجموعات أكبر من المرضى لتأكيد نتائجنا".
وأضاف البروفيسور بيرد أن الاستخدام المحتمل الرئيسي للمسح الجديد هو تقييم التهاب المفاصل الالتهابي، والذي يتطلب مسح جميع مفاصل أصابع اليدين العشرين.هذا يمكن القيام به في بضع دقائق -- الماسحات الضوئية القديمة تأخذ ما يقرب من ساعة، الذي هو طويل جداً للمرضى المسنين والضعفاء، قال.
اختبار جهاز المسح على المرضى
في الدراسة، اختبر الفريق الماسح الضوئي خلال الاختبارات قبل السريرية على 10 مرضى مصابين بمرض السكري من النوع الثاني أو التهاب المفاصل الروماتويدي أو سرطان الثدي، إلى جانب سبعة متطوعين أصحاء.
في ثلاثة مرضى مصابين بمرض السكري من النوع الثاني، تمكن الماسح الضوئي من إنتاج صور ثلاثية الأبعاد مفصلة للوعاء الدموي الصغير في القدمين، مما أبرز تشوهات وتغيرات هيكلية في الأوعية.استخدم الماسح الضوئي لتصور التهاب الجلد المرتبط بسرطان الثدي.
وقال أندرو بلومب، أستاذ مشارك في التصوير الطبي في جامعة كاليفورنيا، وأخصائي الأشعة الاستشاري في جامعة كاليفورنيا، وهو أحد كبار مؤلفي الدراسة:"واحدة من المضاعفات التي غالبا ما يعاني منها المصابون بمرض السكري هي انخفاض تدفق الدم في الأطراف، مثل القدم والساقين السفلية، بسبب تلف الأوعية الدموية الصغيرة في هذه المناطق.لكن حتى الآن لم نتمكن من رؤية بالضبط ما يحدث لسبب هذا الضرر أو وصف كيفية تطوره.
"في أحد مرضانا، رأينا الأوعية الدموية السلسة والمتساوية في القدم اليسرى والأوعية الدموية المشوهة في نفس منطقة القدم اليمنى،مؤشر على مشاكل قد تؤدي إلى تلف الأنسجة في المستقبليمكن أن تعطينا التصوير الصوتي معلومات أكثر تفصيلاً لتسهيل التشخيص المبكر، وكذلك فهم أفضل لتطور المرض بشكل عام".
التصوير الصوتي الضوئي
منذ تطويره المبكر في عام 2000،تم الإعلان عن PAT لفترة طويلة على أنها لديها القدرة على إحداث ثورة في فهمنا للعمليات البيولوجية وتحسين التقييم السريري للسرطان والأمراض الرئيسية الأخرى.
إنه يعمل باستخدام تأثير الصوت الضوئي، الذي يحدث عندما تمتص المواد الضوء وتنتج موجات صوتية.
تعمل أجهزة مسح PAT بإطلاق انفجارات ليزرية قصيرة جداً على الأنسجة البيولوجيةمما يسبب زيادة طفيفة في الحرارة والضغط والذي بدوره يولد موجة الموجات فوق الصوتية الخفيفة التي تحتوي على معلومات عن الأنسجةالعملية كلها تحدث في جزء من الثانية
في أبحاث سابقة، ما اكتشفه الفيزيائيون والمهندسون في جامعة كاليفورنيا (بقيادة البروفيسور بيرد) هو أن موجة الموجات فوق الصوتية يمكن اكتشافها باستخدام الضوء.
في أوائل الألفية العشرين، كانوا رائدين في نظام تسبب فيه موجة صوتية تغيرات دقيقة في سمك فيلم بلاستيكي رقيق يمكن قياسها باستخدام شعاع ليزر عالية التركيز.
النتائج كشفت عن هياكل الأنسجة التي لم تُرى من قبل
كيف يمكن لـ PAT المساعدة في اكتشاف المرض
لبعض الحالات، مثل مرض الأوعية الدموية المحيطية (PVD) ، مضاعفة للسكري،لا يمكن رؤية العلامات المبكرة للتغيرات في الأوعية الدموية الصغيرة التي تشير إلى المرض باستخدام تقنيات التصوير التقليدية مثل التصوير بالرنين المغناطيسي.
لكن مع صور PAT يمكنهم -- مما يوفر إمكانية العلاج قبل أن يتلف النسيج وتجنب سوء شفاء الجروح وقطع الرأس، تقول الصحيفة.الأمراض الجانبية تؤثر على أكثر من 25 مليون شخص في الولايات المتحدة وأوروبا، يضيف.
وبالمثل، مع السرطان، الأورام غالبا ما يكون لها كثافة عالية من الأوعية الدموية الصغيرة التي هي صغيرة جدا لرؤية مع تقنيات تصوير أخرى.
قال الدكتور نام هويين من جامعة كاليفورنيا في الفيزياء الطبية والهندسة الطبية الحيوية، الذي طور الماسح الضوئي مع زميله الدكتور إدوارد تشانغ:يمكن استخدام التصوير الصوتي للكشف عن الورم ومراقبته بسهولة نسبيةيمكن أيضاً أن يستخدم لمساعدة جراحي السرطان على التمييز بين الأنسجة الورمية والأنسجة الطبيعية بشكل أفضل من خلال تصوير الأوعية الدموية في الورم.يساعد على ضمان إزالة جميع الأورام أثناء الجراحة وتقليل خطر تكرارهايمكنني أن أتخيل الكثير من الطرق التي سيكون مفيدًا بها".
أضاف الدكتور هوين أن الميزة الرئيسية للتكنولوجيا هي أنها حساسة للهيموجلوبين. الجزيئات التي تمتص الضوء مثل الهيموجلوبين هي التي تنتج موجات الموجات فوق الصوتية.
تحسين واختبار سرعة الماسح الضوئي
في هذه الدراسة، سعى الباحثون في جامعة كاليفورنيا للتغلب على مشكلة السرعة عن طريق تقليل الوقت اللازم لاكتساب الصور.لقد حققوا هذا من خلال صنع ابتكارات في تصميم الماسح الضوئي والرياضيات المستخدمة لإنشاء الصور.
على عكس أجهزة الفحص السابقة التي قامت بقياس موجات الموجات فوق الصوتية في أكثر من 10000 نقطة مختلفة على سطح الأنسجةالماسح الضوئي الجديد يكتشفهم في نقاط متعددة في وقت واحد، مما يقلل من وقت اكتساب الصورة بشكل كبير.
استخدم فريق البحث أيضاً مبادئ رياضية مماثلة لتلك المستخدمة في ضغط الصور الرقمية.هذا مكّن من إعادة بناء صور عالية الجودة من بضعة آلاف (بدلاً من عشرات الآلاف) من قياسات موجة الموجات فوق الصوتيةهذه الابتكارات خفضت وقت التصوير إلى بضع ثوان أو أقل من ثانية،القضاء على ضباب الحركة والسماح لصور التغيرات الديناميكية للأنسجة أن تؤخذ.
وقال العلماء إن هناك حاجة إلى مزيد من الأبحاث مع مجموعة أكبر من المرضى لتأكيد نتائج دراستهم ومدى فائدة الماسح الضوئي سريريا في الممارسة العملية.
تم اتخاذ الخطوات الأولى لتطوير التصوير الصوتي الصوتي للتصوير الطبي في عام 2000، ولكن أصول هذه التقنية تعود إلى عام 1880 عندما كان طالب UCL السابق ألكسندر غراهام بيل،حديثة من اختراع الهاتف، لاحظ تحويل ضوء الشمس إلى صوت مسموع.
في عام 2019، أسس أعضاء فريق البحث في جامعة كاليفورنيا العليا DeepColor Imaging، وهي شركة منفصلة من جامعة كاليفورنيا العليا والتي تبيع الآن مجموعة من أجهزة المسح الضوئي القائمة على تكنولوجيا PAT في جميع أنحاء العالم.
وقد تم دعم هذا البحث من قبل أبحاث السرطان في المملكة المتحدة، ومجلس أبحاث الهندسة والعلوم الفيزيائية، وولكوم،مجلس الأبحاث الأوروبي والمعهد الوطني لأبحاث الصحة جامعة كلية لندن المستشفيات مركز البحوث الطبية الحيوية.
مصدر القصة
الموادالمقدمة من قبلجامعة كلية لندن.ملاحظة: يمكن تحرير المحتوى من أجل الأسلوب والطول.
جهاز مسح يدوي جديد تم تطويره من قبل باحثين في جامعة كاليفورنيا يمكنه توليد صور ثلاثية الأبعاد ذات تفاصيل عالية في ثوانٍ فقطيمهد الطريق لاستخدامها في بيئة سريرية لأول مرة ويقدم إمكانية لتشخيص المرض في وقت مبكر.
في الدراسة، التي نشرت فيالهندسة الطبية الحيويةيظهر الفريق أن تقنيته يمكنها تقديم مسحات التصوير بالتصوير الصوتي الصوتي (PAT) للأطباء في الوقت الحقيقي، مما يوفر لهم صور دقيقة ومعقدة للأوعية الدموية،المساعدة في إعلام رعاية المريض.
Photoacoustic tomography imaging uses laser-generated ultrasound waves to visualise subtle changes (an early marker of disease) in the less-than-millimetre-scale veins and arteries up to 15mm deep in human tissues.
ومع ذلك، حتى الآن، كانت تكنولوجيا PAT الحالية بطيئة للغاية لإنتاج صور ثلاثية الأبعاد عالية الجودة بما يكفي لاستخدامها من قبل الأطباء.
أثناء فحص PAT يجب أن يكون المرضى ثابتين تمامًا ، مما يعني أن أي حركة أثناء الفحص البطيء يمكن أن تسبب ضبابية الصور وبالتالي لا تضمن صور مفيدة سريريًا.
استغرقت أجهزة مسح PAT القديمة أكثر من خمس دقائق لتصوير الصورة -- من خلال تقليل ذلك الوقت إلى بضع ثوان أو أقل،جودة الصورة تحسنت كثيراً وأكثر ملاءمة للأشخاص الذين هم ضعفاء أو ضعفاء.
يقول الباحثون أن الماسح الضوئي الجديد يمكن أن يساعد في تشخيص السرطان وأمراض القلب والأوعية الدموية والتهاب المفاصل في غضون ثلاث إلى خمس سنوات، مع مراعاة مزيد من الاختبارات
وقال المؤلف المراسل، البروفيسور بول بيرد (فيزياء الطب والهندسة الطبية الحيوية في جامعة كاليفورنيا والمركز Wellcome/EPSRC للعلوم التدخلية والجراحية):"لقد قطعنا شوطا طويلا مع التصوير الصوتي في السنوات الأخيرة، ولكن لا تزال هناك حواجز لاستخدامها في العيادة.
"الابتكار في هذه الدراسة هو التسارع في الوقت الذي يستغرقه الحصول على الصور، وهو ما بين 100 و 1000 مرة أسرع من أجهزة المسح السابقة.
"هذه السرعة تتجنب الضبابية الناجمة عن الحركة، وتوفر صور مفصلة للغاية من نوعية لا يمكن لأي ماسح آخر توفيرها.يمكن الحصول على الصور في الوقت الحقيقي، مما يجعل من الممكن تصور الأحداث الفسيولوجية الديناميكية.
"هذه التطورات التقنية تجعل النظام مناسبًا للاستخدام السريري للمرة الأولى، مما يسمح لنا بالنظر إلى جوانب بيولوجية الإنسان والمرض التي لم نتمكن من ذلك من قبل.
"الآن هناك حاجة لمزيد من البحوث مع مجموعات أكبر من المرضى لتأكيد نتائجنا".
وأضاف البروفيسور بيرد أن الاستخدام المحتمل الرئيسي للمسح الجديد هو تقييم التهاب المفاصل الالتهابي، والذي يتطلب مسح جميع مفاصل أصابع اليدين العشرين.هذا يمكن القيام به في بضع دقائق -- الماسحات الضوئية القديمة تأخذ ما يقرب من ساعة، الذي هو طويل جداً للمرضى المسنين والضعفاء، قال.
اختبار جهاز المسح على المرضى
في الدراسة، اختبر الفريق الماسح الضوئي خلال الاختبارات قبل السريرية على 10 مرضى مصابين بمرض السكري من النوع الثاني أو التهاب المفاصل الروماتويدي أو سرطان الثدي، إلى جانب سبعة متطوعين أصحاء.
في ثلاثة مرضى مصابين بمرض السكري من النوع الثاني، تمكن الماسح الضوئي من إنتاج صور ثلاثية الأبعاد مفصلة للوعاء الدموي الصغير في القدمين، مما أبرز تشوهات وتغيرات هيكلية في الأوعية.استخدم الماسح الضوئي لتصور التهاب الجلد المرتبط بسرطان الثدي.
وقال أندرو بلومب، أستاذ مشارك في التصوير الطبي في جامعة كاليفورنيا، وأخصائي الأشعة الاستشاري في جامعة كاليفورنيا، وهو أحد كبار مؤلفي الدراسة:"واحدة من المضاعفات التي غالبا ما يعاني منها المصابون بمرض السكري هي انخفاض تدفق الدم في الأطراف، مثل القدم والساقين السفلية، بسبب تلف الأوعية الدموية الصغيرة في هذه المناطق.لكن حتى الآن لم نتمكن من رؤية بالضبط ما يحدث لسبب هذا الضرر أو وصف كيفية تطوره.
"في أحد مرضانا، رأينا الأوعية الدموية السلسة والمتساوية في القدم اليسرى والأوعية الدموية المشوهة في نفس منطقة القدم اليمنى،مؤشر على مشاكل قد تؤدي إلى تلف الأنسجة في المستقبليمكن أن تعطينا التصوير الصوتي معلومات أكثر تفصيلاً لتسهيل التشخيص المبكر، وكذلك فهم أفضل لتطور المرض بشكل عام".
التصوير الصوتي الضوئي
منذ تطويره المبكر في عام 2000،تم الإعلان عن PAT لفترة طويلة على أنها لديها القدرة على إحداث ثورة في فهمنا للعمليات البيولوجية وتحسين التقييم السريري للسرطان والأمراض الرئيسية الأخرى.
إنه يعمل باستخدام تأثير الصوت الضوئي، الذي يحدث عندما تمتص المواد الضوء وتنتج موجات صوتية.
تعمل أجهزة مسح PAT بإطلاق انفجارات ليزرية قصيرة جداً على الأنسجة البيولوجيةمما يسبب زيادة طفيفة في الحرارة والضغط والذي بدوره يولد موجة الموجات فوق الصوتية الخفيفة التي تحتوي على معلومات عن الأنسجةالعملية كلها تحدث في جزء من الثانية
في أبحاث سابقة، ما اكتشفه الفيزيائيون والمهندسون في جامعة كاليفورنيا (بقيادة البروفيسور بيرد) هو أن موجة الموجات فوق الصوتية يمكن اكتشافها باستخدام الضوء.
في أوائل الألفية العشرين، كانوا رائدين في نظام تسبب فيه موجة صوتية تغيرات دقيقة في سمك فيلم بلاستيكي رقيق يمكن قياسها باستخدام شعاع ليزر عالية التركيز.
النتائج كشفت عن هياكل الأنسجة التي لم تُرى من قبل
كيف يمكن لـ PAT المساعدة في اكتشاف المرض
لبعض الحالات، مثل مرض الأوعية الدموية المحيطية (PVD) ، مضاعفة للسكري،لا يمكن رؤية العلامات المبكرة للتغيرات في الأوعية الدموية الصغيرة التي تشير إلى المرض باستخدام تقنيات التصوير التقليدية مثل التصوير بالرنين المغناطيسي.
لكن مع صور PAT يمكنهم -- مما يوفر إمكانية العلاج قبل أن يتلف النسيج وتجنب سوء شفاء الجروح وقطع الرأس، تقول الصحيفة.الأمراض الجانبية تؤثر على أكثر من 25 مليون شخص في الولايات المتحدة وأوروبا، يضيف.
وبالمثل، مع السرطان، الأورام غالبا ما يكون لها كثافة عالية من الأوعية الدموية الصغيرة التي هي صغيرة جدا لرؤية مع تقنيات تصوير أخرى.
قال الدكتور نام هويين من جامعة كاليفورنيا في الفيزياء الطبية والهندسة الطبية الحيوية، الذي طور الماسح الضوئي مع زميله الدكتور إدوارد تشانغ:يمكن استخدام التصوير الصوتي للكشف عن الورم ومراقبته بسهولة نسبيةيمكن أيضاً أن يستخدم لمساعدة جراحي السرطان على التمييز بين الأنسجة الورمية والأنسجة الطبيعية بشكل أفضل من خلال تصوير الأوعية الدموية في الورم.يساعد على ضمان إزالة جميع الأورام أثناء الجراحة وتقليل خطر تكرارهايمكنني أن أتخيل الكثير من الطرق التي سيكون مفيدًا بها".
أضاف الدكتور هوين أن الميزة الرئيسية للتكنولوجيا هي أنها حساسة للهيموجلوبين. الجزيئات التي تمتص الضوء مثل الهيموجلوبين هي التي تنتج موجات الموجات فوق الصوتية.
تحسين واختبار سرعة الماسح الضوئي
في هذه الدراسة، سعى الباحثون في جامعة كاليفورنيا للتغلب على مشكلة السرعة عن طريق تقليل الوقت اللازم لاكتساب الصور.لقد حققوا هذا من خلال صنع ابتكارات في تصميم الماسح الضوئي والرياضيات المستخدمة لإنشاء الصور.
على عكس أجهزة الفحص السابقة التي قامت بقياس موجات الموجات فوق الصوتية في أكثر من 10000 نقطة مختلفة على سطح الأنسجةالماسح الضوئي الجديد يكتشفهم في نقاط متعددة في وقت واحد، مما يقلل من وقت اكتساب الصورة بشكل كبير.
استخدم فريق البحث أيضاً مبادئ رياضية مماثلة لتلك المستخدمة في ضغط الصور الرقمية.هذا مكّن من إعادة بناء صور عالية الجودة من بضعة آلاف (بدلاً من عشرات الآلاف) من قياسات موجة الموجات فوق الصوتيةهذه الابتكارات خفضت وقت التصوير إلى بضع ثوان أو أقل من ثانية،القضاء على ضباب الحركة والسماح لصور التغيرات الديناميكية للأنسجة أن تؤخذ.
وقال العلماء إن هناك حاجة إلى مزيد من الأبحاث مع مجموعة أكبر من المرضى لتأكيد نتائج دراستهم ومدى فائدة الماسح الضوئي سريريا في الممارسة العملية.
تم اتخاذ الخطوات الأولى لتطوير التصوير الصوتي الصوتي للتصوير الطبي في عام 2000، ولكن أصول هذه التقنية تعود إلى عام 1880 عندما كان طالب UCL السابق ألكسندر غراهام بيل،حديثة من اختراع الهاتف، لاحظ تحويل ضوء الشمس إلى صوت مسموع.
في عام 2019، أسس أعضاء فريق البحث في جامعة كاليفورنيا العليا DeepColor Imaging، وهي شركة منفصلة من جامعة كاليفورنيا العليا والتي تبيع الآن مجموعة من أجهزة المسح الضوئي القائمة على تكنولوجيا PAT في جميع أنحاء العالم.
وقد تم دعم هذا البحث من قبل أبحاث السرطان في المملكة المتحدة، ومجلس أبحاث الهندسة والعلوم الفيزيائية، وولكوم،مجلس الأبحاث الأوروبي والمعهد الوطني لأبحاث الصحة جامعة كلية لندن المستشفيات مركز البحوث الطبية الحيوية.
مصدر القصة
الموادالمقدمة من قبلجامعة كلية لندن.ملاحظة: يمكن تحرير المحتوى من أجل الأسلوب والطول.
