Инженеры из Массачусетского технологического института (MIT) создали новое устройство для сканирования тела человека. Оно является неинвазивным и не требует вмешательства и контакта с телом пациента. С помощью лазеров устройство для ультразвуковой диагностики может заглянуть во внутренние органы или кости пациента без какого-либо физического контакта, устраняя главное ограничение существующих аппаратов для ультразвуковой диагностики (УЗИ). «Хайтек» рассказывает, как разработка повлияет на оказание своевременной медицинской помощи пациентам и на скорость постановки диагноза, а также позволит сделать диагностику доступнее.
На сегодняшний день существует множество методов и устройств, которые врачи используют для сканирования человеческого тела прежде, чем прибегнуть к хирургическому вмешательству или иному виду терапии. Однако ни один из этих методов не является совершенным или универсальным.
Рентгенография является самым распространенным методом для анализа состояния костей, внутренних органов, а также для диагностики рака молочной железы. Когда рентгеновские лучи проходят через тело человека, энергия от них поглощается различными частями тела с различной скоростью. Детектор на противоположной от аппарата стороне фиксирует эту скорость и превращает данные в изображение.
Части тела, через которые лучи проходят медленнее, например, кости, на снимке отображаются белым цветом, а менее плотные (например, внутренние органы) имеют темный оттенок. Во время рентгенографии пациент подвергается незначительному радиационному облучению в течение доли секунды — само по себе оно не представляет опасности для здоровья. Однако повторное облучение может привести к превышению допустимой доли радиации и, как следствие, причинить вред здоровью пациента.
Другой вид диагностики состояния внутренних органов и тканей — компьютерная томография — используется для определения формы и размера опухолей, повреждений костей, мониторинга состояния сосудов и других заболеваний.
Перед сканированием пациенту в желудок, кровь или кишечник вводится краситель, который позволяет сделать снимок более контрастным и, как следствие, повысить его качество. Во время процедуры пациент обычно лежит спиной на плоской кровати, которая задвигается внутрь кольца компьютерного томографа.
КТ — безопасная процедура, однако существует вероятность возникновения аллергии на краситель у пациента. Кроме того, при этом виде обследования пациент подвергается воздействию рентгеновского излучения. Предполагается, что облучение во время КТ может немного увеличить шансы развития рака спустя много лет, хотя считается, что этот риск очень мал (менее 1 на 2 000).
Магнитно-резонансная томография (МРТ) предполагает помещение человека внутрь металлического цилиндра и опирается на применение принципа ядерного магнитного резонанса, позволяющего измерять разницу между возбужденными атомами водорода в разных областях исследуемой зоны. Этот вид томографии наиболее эффективен при исследовании мягких тканей — например, спинного и головного мозга, а также полых внутренних органов, таких как предстательная железа, прямая кишка, матка.
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) основана на радионуклидном исследовании тканей и органов и является одним из наиболее распространенных методов диагностики различных онкологических заболеваний.
Самый безопасный на сегодняшний день метод сканирования — ультразвуковой, или УЗИ. У ультразвуковых волн, используемых во время процедуры, нет никаких известных побочных эффектов — в отличие от КТ, МРТ и рентгена, при которых пациент подвергается воздействию радиации.
Однако у УЗИ есть существенное ограничение — для работы аппарата его необходимо прижать к коже пациента, что невозможно в некоторых случаях, например, при сильных ожогах.
Что придумали ученые?
В статье, опубликованной в журнале Light: Science and Applications, инженеры из MIT описали систему, которая имитирует возможности ультразвукового аппарата, но использует лазеры, позволяющие ей проводить сканирование на расстоянии полуметра от пациента.
В отличие от рентгеновского излучения, лазеры не представляют никакой опасности для здоровья пациента даже при многократном облучении. Использованные в системе лазеры имеют длину волны 1 550 нм — такие волны поглощаются водой и наносят не больше ущерба, чем если светить на кожу человека лазерной указкой.
Поскольку кожа в основном состоит из воды, лазерное излучение поглощается молекулами воды и приводит к их расширению. Это расширение и сжатие молекул контролируется импульсным лазерным пучком, который создает устойчивые колебания — звуковые волны, подобные тем, что возникают на поверхности динамика в ответ на электрические сигналы. Затем эти звуковые волны распространяются по всему телу пациента — так же, как и звуковые волны от обычного УЗИ-аппарата.
В аппарате для УЗИ вернувшиеся звуковые волны захватывает микрофон, в новой системе его функцию выполняет принимающий лазер, который служит чувствительным детектором движения.
Поскольку звуковые волны взаимодействуют с различными типами тканей по мере проникновения в тело, они приходят в норму с различной интенсивностью и частотой. Кроме того, звуковые волны создают вибрации на поверхности кожи, которые можно обнаружить и измерить. Эти измерения затем обрабатываются с помощью программного обеспечения и алгоритмов, как результат — изображение того, что находится внутри тела пациента.
У нового метода есть недостатки?
В ходе первого этапа тестирования исследователи использовали новую установку для сканирования металлических предметов, помещенных в сферическую форму из желатина. Визуализировав данные с использованием коммерческого ультразвукового зонда, ученые обнаружили, что оба полученных в ходе испытаний изображения были обнадеживающе похожи.
Затем ученые просканировали мягкие ткани животных и пришли к выводу, что лазерное ультразвуковое исследование способно различать более тонкие особенности, чем обычное УЗИ: границу между мышцами, жиром и костью.
На третьем этапе исследователи провели эксперимент на группе добровольцев. Просканировав предплечья нескольких здоровых людей, авторы разработки пришли к выводу, что система хорошо определяет границы жира, мышц и тканей. Они были хорошо видны и сопоставимы с изображениями, полученными с помощью коммерческих контактных ультразвуковых датчиков.
Исследователи также обнаружили ряд недостатков в работе системы. Во-первых, как и в случае с традиционным ультразвуковым исследованием, лазеры способны проникать в тело пациента на глубину всего 6 см под поверхность кожи — точнее, врачи не могут увидеть внутренние органы и кости, расположенные на большей глубине.
Во-вторых, точность изображения, которое позволяют получить лазеры, пока ниже, чем у УЗИ. Разрешения снимков пока недостаточно, чтобы выявлять заболевания с вероятностью, близкой к 90%.
Сейчас ученые работают над расширением возможностей системы, в том числе над повышением разрешения сделанных с ее помощью снимков.
Следующий шаг — уменьшить размер оборудования и сделать как сканирование, так и обработку изображений портативными. По словам ученых, это особенно важный шаг — дистанционное сканирование тела позволит проводить процедуру без участия высококвалифицированного специалиста. Другими словами, пациенты смогут проводить процедуру самостоятельно в домашних условиях.
Что не так с разработкой?
Как это ни странно, отсутствие какого-либо негативного эффекта для здоровья пациента может стать проблемой нового метода сканирования. В отличие от рентгенологического обследования, проведение которого можно определить по незначительному повышению радиационного фона человека, дистанционное ультразвуковое исследование не оставляет никаких следов. Это позволит получить данные о здоровье человека без его ведома — просто просканировав его с расстояния в полметра. Сам человек об этом, скорее всего, никогда не узнает.
Это предположение звучит как научная фантастика, однако если ученым удастся создать портативный прибор для дистанционного сканирования, оно может стать реальностью. Данные о здоровье человека гипотетически могут быть интересны банкам и страховым компаниям, а также компаниям, которые обучают искусственный интеллект или собирают датасеты.