В Корее представили систему медицинской визуализации на основе фотоакустики и ультразвука, позволяющую панорамно сканировать кровеносные сосуды за раз
- 3 дня назад
- 5 мин. чтения
Корреспондент Гу Бон Хёк
- Результаты совместных исследований POSTECH и Siemens Healthineers
Профессор Ким Чхоль Хон из POSTECH [Фото предоставлено POSTECH]
Исследовательская группа профессора Ким Чхоль Хона из POSTECH (Пхоханский университет науки и технологии) совместно с другой командой из Siemens Healthineers, занимающейся ультразвуковыми датчиками, разработала интегрированную систему трехмерной визуализации на основе фотоакустики и ультразвука, позволяющую за раз сканировать обширные области, такие как кисти рук и стопы.
Визуализация с интеграцией фотоакустики и ультразвука — это диагностическая технология, позволяющая одновременно наблюдать структуры внутри тела и состояние кровеносных сосудов. Она сочетает в себе технологию «фотоакустики», улавливающую микрозвуки, исходящие из кровеносных сосудов, и технологию «ультразвука», которая с помощью отраженных сигналов от излучаемого звука воспроизводит структуры внутри тела. Проблема заключалась в том, что по мере увеличения области съемки оборудование становилось экспоненциально дороже и сложнее. В результате приходилось проводить съемку в несколько этапов, а затем «сшивать» полученные изображения, что часто приводило к искажениям.
Архитектура масштабируемой системы трехмерной фотоакустико-ультразвуковой визуализации на основе цифрового мультиплексирования, а также концептуальные схемы и результаты визуализации кровеносных сосудов с высоким разрешением на обширных участках периферических частей тела человека (руки и стопы) и измерения насыщения кислородом с использованием данной системы [Предоставлено POSTECH]
Исследовательская группа разработала технологию «цифрового мультиплексирования (Digital Multiplexing)», которая позволяет быстро и поочередно включать и выключать элементы датчика по отдельным участкам. Благодаря полупроводниковому чипу «FPGA», который позволяет точно контролировать последовательность и синхронизацию импульсов даже при использовании датчика с 768 элементами, удалось сохранить четкость и разрешение изображения и получить изображение участков, которые ранее невозможно было сфотографировать за один раз, без сшивки, за один проход сканера.
С помощью этой технологии исследовательская группа провела сканирование ладони, тыльной стороны кисти, предплечья, стопы и других участков за один проход, в результате чего мелкие кровеносные сосуды стали четко видны, словно на трехмерной карте. В существующих ручных ультразвуковых датчиках (пробах) установлено около 128–192 элементов, что ограничивало ширину сканирования за один раз примерно 38 мм, однако в рамках данного исследования с помощью датчика с 768 элементами ширина сканирования за один раз увеличена до 154 мм. Кроме того, облучение светом разных цветов позволила количественно рассчитать концентрацию кислорода в крови, точность которой затем проверили, сравнив с показаниями оксиметра, используемого в больницах.
РИСУНОК 1. Конфигурация системы трехмерного автоматического сканера для фотоакустического и ультразвукового исследования (PA/US) с широким полем обзора (Large-FOV): (a) Портативная лазерная система и система PA/US. (b) Специально изготовленная плата преобразователя и FPGA. (c) Иллюстрация автоматического сканера PA/US. (d) Серийный ультразвуковой датчик с широким полем обзора. (e) Изготовленный по индивидуальному заказу пучок оптических волокон. OPO — оптический параметрический осциллятор; DAQ — сбор данных; FPGA — программируемая матрица логических элементов; TR — ультразвуковой датчик; WT — резервуар с водой; FB — пучок оптических волокон; NA — числовая апертура.
РИСУНОК 2. Схема управления работой и временная последовательность мультиспектральной визуализации PA/US. (a) Блок-схема аппаратного управляющего сигнала. (b) Автомат с конечным набором состояний на FPGA для управления мультиплексором. (c) Последовательность временных событий при мультиспектральной визуализации с помощью PA и US. (d) Последовательность сбора набора данных PA/US при одном и том же положении двигателя. LJMP — длинный скачок; SJMP — короткий скачок; FWL — первая длина волны лазерного триггера.
РИСУНОК 3. Многоспектральная PA/US-характеристика смеси красителей MB-IR780. (a) Фотография экспериментальной установки, состоящей из клинического ультразвукового датчика, расположенного над агаровым фантомом, содержащим встроенные микротрубки. Подготовлены пять комбинаций смесей MB-IR780 с различными соотношениями смешивания. (b) Спектры оптической поглощающей способности MB и IR780, измеренные в ближнем инфракрасном диапазоне. (c) Совмещенное PA/US-изображение фантома с микротрубками, содержащего пять образцов красителей. Масштабная линейка = 10 мм. (d) Типичные PA-изображения, полученные при 685 и 780 нм, вместе с соответствующими графиками нормализованной интенсивности PA для каждой смеси красителей, иллюстрирующие зависимости контраста от длины волны. (e) Спектрально немикшированные и нормализованные карты амплитуды PA, соответствующие MB и IR780. (f) Композитная визуализация, демонстрирующая пространственное распределение немикшированных сигналов MB и IR780, наложенных друг на друга внутри фантома.
РИСУНОК 4. Двухмодальная структурная визуализация PA/US in vivo различных конечностей человека. (a) тыльная сторона кисти, (b) тыльная сторона стопы и (c) ладонная сторона кисти. Пунктирные рамки обозначают сканируемую область. На многопанельных изображениях представлены реконструированные ультразвуковые изображения костей, изображения сосудистой MAP в проекции PA/US сверху, а также их наложенные друг на друга изображения. Характерные наложенные изображения US/PA в поперечном сечении вдоль жёлтых пунктирных линий (L1 и L2) чётко показывают пространственные взаимоотношения между кортикальными костями (белые стрелки), мелкими сосудами, обнаруженными с помощью PA (оранжевые стрелки), и более толстыми сосудами, обнаруженными с помощью US (зелёные кружки и стрелки). MC — пястные кости; PL — фаланги; MT — плюсневые кости; масштабная линейка соответствует 10 мм.
РИСУНОК 5. Объемная и мультиспектральная визуализация предплечья человека in vivo с помощью PA/US. (a) Фотография области интереса (ROI) для визуализации предплечья человека in vivo. (b) Трехмерное объемное рендеринг совмещенных данных PA/US. (c) Типичное наложенное изображение поперечного сечения, полученное с помощью PA/US. (d) Поперечное PA-изображение в плоскости XZ, соответствующее линии L1 на рисунке (f). (e) Продольное PA-сечение в плоскости YZ, соответствующее линии L2 на рисунке (f). (f) PA-изображение MAP в плоскости XY (вид сверху). (g) Частичное изображение MAP в режиме PA с кодировкой по глубине в различных диапазонах глубин. (h) Увеличенное изображение MAP в режиме PA из области, обозначенной синей пунктирной линией на рисунке (f), с указанием основных сосудов, включая CV, Ra, Rvs. (i) Наложение поперечного среза US и мультиспектральной карты насыщения кислородом (SO₂), полученной с помощью PA. (j) Количественные значения SO2 для отдельных сосудов. (k) Схематическое анатомическое поперечное сечение сосудистой системы запястья. Cv — головная вена; Ra — лучевая артерия; Rvs — лучевые вены.
РИСУНОК 6. Динамическая мультиспектральная визуализация сосудистой системы предплечья человека с помощью PA/US в условиях окклюзии, вызванной манжетой. (a) Типичное совмещённое изображение в B-режиме, полученное с помощью PA/US без окклюзии манжетой в момент t = 6 с (0 мм рт. ст.). (b) Соответствующее наложение US-изображения и мультиспектральной карты насыщения кислородом (SO2), полученной с помощью PA, в исходных условиях. (c) Типичное совмещённое изображение в B-режиме, полученное с помощью PA/US во время окклюзии, вызванной манжетой (t = 207 с, 120 мм рт. ст.). (d) Соответствующая наложенная карта SO₂ на основе данных US и мультиспектральной PA во время окклюзии. (e) Временная динамика усреднённой амплитуды PA, измеренной в выбранных сосудистых областях в течение 300 с. Манжета была накачана примерно в момент t = 60 с и спущена в момент t ≈ 220 с. (f) Временная динамика соответствующих значений SO₂, извлечённых из тех же сосудистых областей с течением времени
До сих пор приходилось сканировать участки по частям, а затем соединять полученные изображения, что сопрягалось с определенной погрешностью, но если эта технология будет внедрена на практике, то точную информацию можно будет получить всего за одно сканирование. Ожидается, что это будет особенно полезно для пациентов с диабетом, которым требуется тщательное наблюдение за состоянием кровообращения, а также для пациентов с ожогами или ранами, у которых необходимо отслеживать восстановление кровотока.
«Эта технология может стать ключевой диагностической платформой для ранней диагностики и прогнозирования метаболических и сосудистых заболеваний, при которых требуется мониторинг кровотока и функциональных изменений тканей в широком диапазоне областей в режиме реального времени, таких как заболевания периферических сосудов и диабетическая стопа» - сказал профессор Ким Чхоль Хон, добавив: «В целях дальнейшего практического применения мы планируем продолжить исследования по проверке клинической эффективности на различных группах пациентов, а также по оптимизации скорости обработки изображений в режиме реального времени».
Результаты данного исследования опубликованы 8 июля в международном научном журнале по оптике «Laser & Photonics Reviews».
Комментарии