Тело перестало быть чёрным ящиком: медицина увидела процессы, которые всегда прятались

Заглянуть внутрь человеческого тела так, чтобы увидеть не только форму тканей, но и "жизнь" сосудов в цвете, ещё недавно казалось задачей из будущего. Теперь учёные сделали к этому шаг, объединив два разных подхода к медицинской визуализации в одной системе. Новый метод позволяет получать трёхмерные изображения с высокой детализацией и функциональной информацией почти в реальном времени. Об этом сообщает журнал Nature Biomedical Engineering.

Два подхода — одно объёмное изображение

Исследователи из Калифорнийского технологического института совместно с коллегами из Университета Южной Калифорнии представили технологию, которая совмещает ультразвуковую и фотоакустическую томографию. Ультразвук традиционно используют для оценки структуры мягких тканей: он доступен, быстр и хорошо подходит для повседневной клинической практики. Однако чаще всего такие исследования ограничиваются двухмерной картинкой и не дают информации о составе крови или кровотоке.

Фотоакустическая томография, напротив, способна показать сосуды и их функциональное состояние. При воздействии коротких лазерных импульсов молекулы в крови поглощают свет и создают акустические волны, которые фиксируются датчиками. Благодаря различиям в поглощении света можно визуализировать сосуды в "оптическом цвете", наблюдая, как кровь движется по артериям и венам. Подобные подходы всё чаще дополняются алгоритмами анализа изображений — например, в системах, где диагностика по форме клеток помогает выявлять заболевания на ранних стадиях. Но без ультразвука фотоакустике не хватает анатомической чёткости окружающих тканей.

Почему существующих методов недостаточно

Современная медицинская визуализация почти всегда связана с компромиссами. Компьютерная и магнитно-резонансная томография дают подробную анатомическую картину, но стоят дорого, требуют много времени и иногда связаны с использованием контрастных веществ или ионизирующего излучения. Это ограничивает их применение для частого мониторинга или обследований у постели пациента.

Даже такие точные методы, как МРТ, чаще применяются эпизодически, хотя исследования показывают, что повторные сканирования могут выявлять тонкие изменения, включая смещение структур мозга при воздействии внешних факторов. Именно поэтому идея объединить ультразвук и фотоакустические методы выглядела особенно перспективной — она позволяла совместить скорость, относительную простоту и функциональную насыщенность изображений без существенного усложнения оборудования.

Как работает технология RUS-PAT

Новая система получила название RUS-PAT — ротационная ультразвуковая томография в сочетании с фотоакустической томографией. Один из авторов разработки, профессор медицинской и электротехнической инженерии Калифорнийского технологического института Лихонг Ванг, подчёркивает, что речь шла не о простом сложении двух методов, а о поиске оптимальной архитектуры.

"Но это не похоже на один плюс один. Нам нужно было найти оптимальный способ сочетания двух технологий", — говорит профессор медицинской и электротехнической инженерии Лихонг Ванг.

В системе используется небольшое число дугообразных датчиков, которые вращаются вокруг исследуемой области. Такая конфигурация имитирует работу полусферического детектора, но при этом остаётся более доступной и технически простой. Одни и те же датчики принимают сигналы как от ультразвукового воздействия, так и от фотоакустического отклика, что позволяет получать квазиодновременные трёхмерные изображения структуры тканей и сосудистого русла.

Клинический потенциал и первые результаты

Технологию уже протестировали на добровольцах и пациентах. С её помощью удалось визуализировать голову, молочные железы и конечности человека, получив изображения с широким полем зрения и двойным контрастом. Это подтверждает универсальность подхода и возможность его применения в разных клинических сценариях.

"Новая комбинация акустических и фотоакустических методов устраняет многие ключевые ограничения широко используемых методов медицинской визуализации", — говорит профессор Чарльз И. Лю из Медицинской школы Кека при Университете Южной Калифорнии.

По словам исследователей, RUS-PAT может быть особенно полезен для более точного выявления опухолей молочной железы, отслеживания диабетической нейропатии и изучения структуры мозга вместе с особенностями кровотока. Сейчас система способна сканировать ткани на глубину около четырёх сантиметров, а само исследование занимает менее минуты. Возможность эндоскопической подачи света в перспективе расширяет диапазон применения метода.

В результате учёные получают инструмент, который объединяет морфологию и функцию в одном объёмном изображении, не жертвуя скоростью и безопасностью. Это делает технологию перспективной для регулярных обследований и динамического наблюдения за состоянием пациента.