La scoperta dell'imaging potrebbe trasformare la diagnosi del cancro e dell'artrite

Lo studio, pubblicato nelIngegneria Biomedica Naturale,il team dimostra che la loro tecnologia può fornire ai medici scansioni di imaging di tomografia fotoacustica (PAT) in tempo reale, fornendo loro immagini accurate e complesse dei vasi sanguigni,aiutare a informare la cura del paziente.

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.

Tuttavia, fino ad ora, la tecnologia PAT esistente è stata troppo lenta per produrre immagini 3D di qualità sufficiente per l'uso da parte dei medici.

Durante una scansione PAT, i pazienti devono rimanere completamente immobili, il che significa che qualsiasi movimento durante una scansione più lenta può causare la confusione delle immagini e quindi non garantisce immagini clinicamente utili.

Gli antichi scanner PAT impiegavano più di cinque minuti per scattare un'immagine. Riducendo il tempo a pochi secondi o meno,la qualità dell'immagine è molto migliorata e molto più adatta per le persone che sono fragili o scarsamente.

I ricercatori affermano che il nuovo scanner potrebbe aiutare a diagnosticare il cancro, le malattie cardiovascolari e l'artrite in tre-cinque anni, soggetto a ulteriori test.

L'autore corrispondente, il professor Paul Beard (UCL Medical Physics and Biomedical Engineering e il Wellcome/EPSRC Centre for Interventional and Surgical Sciences), ha dichiarato:"Abbiamo fatto molta strada con le immagini fotoacustiche negli ultimi anni, ma c'erano ancora ostacoli all'uso in clinica.

"La scoperta di questo studio è l'accelerazione del tempo necessario per acquisire le immagini, che è tra 100 e 1.000 volte più veloce rispetto agli scanner precedenti.

"Questa velocità evita lo sfocamento indotto dal movimento, fornendo immagini altamente dettagliate di una qualità che nessun altro scanner può fornire.le immagini possono essere acquisite in tempo reale, consentendo di visualizzare eventi fisiologici dinamici.

"Questi progressi tecnici rendono il sistema adatto per l'uso clinico per la prima volta, permettendoci di esaminare aspetti della biologia umana e delle malattie che non eravamo in grado di fare prima.

"Ora sono necessarie ulteriori ricerche su gruppi di pazienti più numerosi per confermare le nostre scoperte".

Il professor Beard ha aggiunto che un uso potenziale chiave per il nuovo scanner è quello di valutare l'artrite infiammatoria, che richiede la scansione di tutte e 20 le articolazioni delle dita di entrambe le mani.Questo può essere fatto in pochi minuti -- i vecchi PAT richiedono quasi un'ora, che è troppo lungo per i pazienti anziani e fragili, ha detto.

Testare lo scanner sui pazienti

Nello studio, il team ha testato lo scanner durante test preclinici su 10 pazienti con diabete di tipo 2, artrite reumatoide o cancro al seno, insieme a sette volontarie sane.

In tre pazienti con diabete di tipo 2, lo scanner è stato in grado di produrre immagini 3D dettagliate della microvascolatura dei piedi, evidenziando deformità e cambiamenti strutturali nei vasi.Lo scanner è stato utilizzato per visualizzare l'infiammazione della pelle legata al cancro al seno.

Andrew Plumb, professore associato di imaging medico all'UCL e consulente radiologo all'UCLH e autore senior dello studio, ha detto:"Una delle complicazioni che spesso soffrono le persone con diabete è il basso flusso sanguigno nelle estremità, come i piedi e la parte inferiore delle gambe, a causa di danni ai piccoli vasi sanguigni in queste aree.Ma fino ad ora non siamo stati in grado di vedere esattamente cosa sta accadendo per causare questo danno o caratterizzare come si sviluppa.

"In uno dei nostri pazienti, abbiamo potuto vedere vasi sanguigni lisci e uniformi nel piede sinistro e vasi sanguigni deformi e squiggly nella stessa regione del piede destro,indicativo di problemi che possono portare a danni ai tessuti in futuroL'imaging fotoacustico potrebbe fornirci informazioni molto più dettagliate per facilitare la diagnosi precoce e comprendere meglio la progressione della malattia in generale".

Tomografia fotoacustica

Dall'inizio del suo sviluppo nel 2000,Il PAT è stato a lungo annunciato come avente il potenziale per rivoluzionare la nostra comprensione dei processi biologici e migliorare la valutazione clinica del cancro e di altre gravi malattie.

Funziona usando l'effetto fotoacustico, che si verifica quando i materiali assorbono la luce e producono onde sonore.

Gli scanner PAT funzionano sparando lampi laser molto brevi sul tessuto biologico.causando un leggero aumento di calore e pressione che a sua volta genera una debole onda di ultrasuoni contenente informazioni sul tessutoL'intero processo avviene in una frazione di secondo.

In ricerche precedenti, i fisici e gli ingegneri dell'UCL (guidati dal professor Beard) hanno scoperto che l'onda ad ultrasuoni può essere rilevata usando la luce.

All'inizio degli anni 2000 hanno sviluppato un sistema in cui un'onda sonora provoca cambiamenti minuti nello spessore di un sottile film di plastica che può essere misurato usando un raggio laser altamente sintonizzato.

I risultati hanno rivelato strutture tissutali mai viste prima.

Come il PAT potrebbe aiutare a rilevare le malattie

Per alcune condizioni, come la malattia vascolare periferica (PVD), una complicazione del diabete,segni precoci di cambiamenti nei piccoli vasi sanguigni che indicano la malattia non possono essere visti utilizzando tecniche di imaging convenzionali come le risonanza magnetica.

Ma con le immagini PAT possono -- offrendo il potenziale per il trattamento prima che il tessuto sia danneggiato e per evitare una cattiva guarigione delle ferite e l'amputazione, dice il giornale.La PVD colpisce più di 25 milioni di persone negli Stati Uniti e in Europa, aggiunge.

Allo stesso modo, con il cancro, i tumori hanno spesso un'alta densità di piccoli vasi sanguigni che sono troppo piccoli per essere visti con altre tecniche di imaging.

Il dottor Nam Huynh della UCL Medical Physics and Biomedical Engineering, che ha sviluppato lo scanner con il collega Edward Zhang, ha detto:"L'imaging fotoacustico potrebbe essere utilizzato per rilevare il tumore e monitorarlo relativamente facilmentePotrebbe anche essere utilizzato per aiutare i chirurghi oncologici a distinguere meglio il tessuto tumorale dal tessuto normale, visualizzando i vasi sanguigni nel tumore,aiuta a garantire che tutto il tumore sia rimosso durante l'intervento chirurgico e minimizza il rischio di recidivaPosso immaginare molti modi in cui sarà utile".

Il dottor Huynh ha aggiunto che un vantaggio fondamentale della tecnologia è che è sensibile all'emoglobina, molecola che assorbe la luce e che produce le onde ad ultrasuoni.

Miglioramento e collaudo della velocità dello scanner

In questo studio, i ricercatori dell'UCL hanno cercato di superare il problema della velocità riducendo il tempo necessario per acquisire le immagini.Lo hanno fatto innovando la progettazione dello scanner e la matematica utilizzata per generare le immagini..

A differenza dei precedenti scanner PAT, che misuravano le onde ad ultrasuoni in piu' di 10.000 punti diversi sulla superficie del tessuto uno alla volta,il nuovo scanner li rileva in più punti contemporaneamente, riducendo considerevolmente il tempo di acquisizione delle immagini.

Il team di ricerca ha anche impiegato principi matematici simili a quelli utilizzati nella compressione digitale delle immagini.Questo ha permesso di ricostruire immagini di alta qualità da poche migliaia (piuttosto che decine di migliaia) di misurazioni dell'onda ad ultrasuoniQueste innovazioni hanno ridotto il tempo di acquisizione di immagini a pochi secondi o a meno di un secondo.eliminando la sfocatura del movimento e consentendo di scattare immagini dei cambiamenti dinamici del tessuto.

Gli scienziati hanno detto che sono necessarie ulteriori ricerche con un gruppo più ampio di pazienti per confermare i risultati del loro studio e la misura in cui lo scanner sarebbe clinicamente utile in pratica.

I primi passi verso lo sviluppo della tomografia fotoacustica per l'imaging medico sono stati compiuti nel 2000, ma le origini della tecnica risalgono al 1880, quando l'ex studente dell'UCL Alexander Graham Bell,Fresco dalla invenzione del telefono, ha osservato la conversione della luce solare in suono udibile.

Nel 2019, i membri del team di ricerca dell'UCL hanno fondato DeepColor Imaging, una società spin-out dell'UCL che ora commercializza una gamma di scanner basati sulla tecnologia PAT in tutto il mondo.

Questa ricerca è stata sostenuta da Cancer Research UK, Engineering & Physical Sciences Research Council, Wellcome,il Consiglio europeo della ricerca e l'Istituto nazionale di ricerca sanitaria University College London Hospitals Biomedical Research Centre.

Fonte:

Materialefornito da:University College di Londra.Nota: il contenuto può essere modificato per stile e lunghezza.