Новые методы медицинской визуализации

Давным-давно врачи, интересующиеся внутренним устройством человека, покупали или украли трупы. Когда секции стали легальными, они превратились в публичные зрелища, которые, например, в Нидерландах XVII века привлекали толпы любопытных. Потом появились рентгеновские трубки (1), УЗИ, томография и магнитно-резонансная томография, т.е. эпоха заглядывания внутрь живых людей без скальпеля.

Сегодня арсенал средств медицинской визуализации настолько богат и разнообразен, что сложно даже перечислить все методики в небольшой статье. Кроме того, список постоянно обновляется и обогащается новинками, ведь врачей и исследователей уже давно не устраивает ответ на вопрос «что внутри». Они хотят точно знать, что там происходит, что может происходить, насколько успешно лечение и что все это вместе означает.

От лучшего контраста к наблюдению за изменениями вживую

2. Изображения сканирования 18F-FDG-PET

Например, использование в визуализации и диагностике является обычным явлением. биомаркер. Это индикаторы конкретного болезненного состояния, которые открывают потенциал для большей эффективности при разработке лекарств. Захват 18F-FDG фтордезоксиглюкозы активными раковыми клетками, видимый при сканировании, используется в качестве наглядной оценки действия лекарств, применяемых при лечении рака. ПЭТ позитронно-эмиссионная томография (2). Последующие сканирования после применения этого биомаркера исследуют регрессию опухоли.

Сама опухоль может быть обнаружена, например. целенаправленная визуализацияпри котором пациенту вводят контрастное вещество (что позволяет лучше увидеть область заболевания на сканированном изображении) с молекулой клея, сфокусированной на желаемой области. При введении в кровоток локализованные молекулы адгезии, такие как моноклональные антитела, пептиды, копротеины или полисахариды, прикрепляются к опухоли. Это затем хорошо видно и просматривается на МРТ, ПЭТ / КТ или УЗИ.

Визуализация также может быть оказана помощь наночастицы. В МРТ-сканировании используются наноразмерные контрастные вещества, изготовленные из материалов железа или гадолиния, которые резонируют под воздействием энергии магнитного поля, заключенные в углеродные нанотрубки.

Санджив Гамбхир, директор Стэнфордского центра передового опыта в области раковых нанотехнологий (CCNE), финансируемого NCI, Национальным институтом рака США, разработал наноразмерные квантовые точкикоторые используют химическую реакцию для генерации собственного света в организме и сигнализируют о местонахождении опухоли.

Перед проведением медицинской визуализации, например, позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) или Однофотонная эмиссионная томография (ОФЭКТ) – пациенту также вводят или проглатывают радиоактивные материалы, называемые радиотрекерами Lub радиофармацевтиками.

Во время сканирования камера наводится на область концентрации радиоактивного материала, показывая врачу, в чем проблема. Этот тип ядерной визуализации становится особенно полезным при диагностике заболеваний щитовидной железы, желчного пузыря, сердца, рака и болезни Альцгеймера.

ПЭТ-сканирование не является совершенно новым методом, но в последние годы его значение возросло, особенно в связи с тем, что в одном устройстве он сочетается с компьютерная томография. В отличие от многих других технологий визуализации, ПЭТ-сканирование не предназначено для исследования органов и тканей. Вместо этого они могут отображать биологические функции, такие как кровоток и метаболизм глюкозы. Они дают врачу более широкое представление о здоровье человека.

В журнале Journal of Nuclear Medicine за апрель 2019 года ученые описали метод на основе ПЭТ для лучшего прогнозирования прогрессирования болезни Альцгеймера с использованием так называемого визуализация амилоида. До сих пор такие исследования проводились только при вскрытии умершего человека.

Алгоритмы приходят

Еще большей новизной, чем другие методы сканирования и рентгенографии в визуализации организма, является семантический анализ данных в медицинских информационных системах. Такие системы могут быть основаны на методах структурного анализа медицинских изображений и нацелены на автоматическую интерпретацию изображений.

Все чаще мы слышим об исследованиях, в которых системы, основанные на искусственный интеллект Они диагностируют больных с большей статистической точностью, чем врачи-специалисты, на основании сканов и рентгенограмм или полученных с применением других методик (3).

3. Обнаружение поражений легких с помощью ИИ

Согласно отчету Data Bridge Market Research за апрель 2019 года, стоимость рынка искусственного интеллекта на рынке медицинской визуализации вырастет с 21,5 млрд долларов в 2018 году до 265 млрд долларов в 2026 году.

Мы уже знаем немало примеров очень успешных приложений ИИ. Технология, связанная с DeepMind от Google, может считывать 3D-сканы сетчатки и диагностировать пятьдесят различных офтальмологических проблем с 99-процентной точностью. Более того, он может не только автоматически выявлять заболевания глаз, но и выявлять пациентов, которые больше всего нуждаются в неотложной помощи.

ICAD разработал решение для цифровой томосинтез молочной железы (DBT) — название, которое помогает радиологам исследовать каждый слой ткани самостоятельно и, следовательно, обнаруживать опухоли раньше (8%). Это сокращает время, затрачиваемое радиологами на чтение снимков молочной железы, в среднем более чем на 50%.

Siemens Healthineers и Intel вместе работают над проектом по использованию ИИ для улучшения МРТ диагностика сердца. В настоящее время кардиологам приходится вручную сегментировать множество различных частей сердца в своих визуализирующих исследованиях, что может занимать довольно много времени. Технология мгновенной сегментации на основе искусственного интеллекта позволяет специалистам безопасно просматривать больше пациентов.

Компания GE Healthcare представила новую технологию медицинской визуализации в виде радиологическая ультразвуковая система LOGIQ E10, которому помогает искусственный интеллект для быстрого сбора данных и реконструкции изображений.

Цифровая система использует закрытую связь и передовые алгоритмы, которые обеспечивают в 48 раз большую пропускную способность и в десять раз большую вычислительную мощность, чем предыдущие системы. Подключение к облаку названо и позволяет врачам мгновенно обмениваться разнообразной важной медицинской информацией, такой как изображения, диагностическая информация и медицинские записи, со своими коллегами и пациентами.

В свою очередь, технология, разработанная японским центром передовой разведки RIKEN, успешно справляется с распознавание раковых изменений на фотографиях, без врачебной аннотации. Здесь ИИ выявляет особенности, имеющие отношение к прогнозу рака, которые ранее не замечались патологоанатомами, что приводит к большей точности диагностики рецидива рака простаты по сравнению с традиционными методами.

Согласно д-ру. Йоитиро Ямамото, ведущий автор статьи, опубликованной в Nature Communications, говорит: «Эта технология может продвинуть персонализированную медицину, позволяя очень точно предсказывать рецидивы рака, извлекая передний план из изображений».

Больше удобства и комфорта

Специалисты считают, что будущее за распространением методов медицинской визуализации и их использованием в новых местах и ​​ситуациях, а также в портативных устройствах (4).

Представьте себе цифровой детектор изображений, встроенный в носилки скорой помощи. В критические моменты, еще до прибытия в больницу, сотрудники скорой помощи делают снимки органов пациента и отправляют их по беспроводной связи в больницу, что облегчает персоналу HED начать лечение сразу по прибытии или проводить быстрые консультации в пути.

Технологии визуализации также можно разместить на больничной койке, в инвалидном кресле и даже в одежде, что позволяет делать рентгеновские снимки с минимальными неудобствами для пациента. Такие устройства также высвобождают ресурсы больницы, устраняя необходимость транспортировки пациентов в диагностические центры.

4. Визуализация ручным сканером очагов рака кожи в миллиметровом диапазоне волн.

Эта тенденция остается легкой портативный магнитоэнцефалографический сканер головного мозгакоторый был разработан учеными из Университетского колледжа Лондона. Его можно носить как шлем, измеряя активность мозга, когда люди совершают естественные движения, такие как кивание головой, потягивание, чаепитие и даже игра в пинг-понг. Его можно использовать, например, у больных эпилепсией.

Еще одним примером портативной медицинской визуализации является МРТ перчатка, представленный Медицинской школой Нью-Йоркского университета, обеспечивает четкое и постоянное изображение движущихся суставов и сухожилий. Информация, полученная благодаря этому, может быть использована для создания четкой карты анатомии руки, помогая практически во всем, от хирургии до проектирования более точного протезирования.

Комфорт использования – это не только портативность устройств. Для многих людей МРТ не очень приятное занятие. При стандартных МРТ человек проскальзывает в узкую трубку и должен оставаться там на протяжении всего исследования.

Людям, страдающим клаустрофобией, с этим трудно справиться. Отсюда идея для устройств под названием Открыть МР. Они не закрыты по бокам, хотя, по мнению специалистов, могут быть чуть менее точными. Доступны также новые аппараты МРТ, такие же точные, как и традиционные, но намного короче, поэтому они никогда не охватывают всего пациента.

Комфорт ожоговых больных также может значительно повыситься. ультразвуковой лазерный аппарат для медицинской визуализации, представленный MIT в конце 2019 года, который обеспечивает бесконтактную диагностику. Лазерная волна проникает в относительно водную среду кожи человека и далее в нижележащие ткани. Это делается путем нагревания воды и ее расширения и сжатия для создания звуковых волн.

Второй лазер улавливает эти волны и создает изображение. Пациенты ничего не чувствуют, а поскольку длина волны лазера составляет всего 1550 нанометров, они безопасны для кожи человека и легко поглощаются водой.

Он помогает или заменяет хирургов

Нет конца инновациям. Благодаря недавно продемонстрированному изобретению, разработанному в Университете Ватерлоо, представляется возможным с беспрецедентной степенью точности определение краев опухолей во время операции по их удалению.

Новый метод визуализации использует различия в том, как свет от лазеров взаимодействует с раковыми и здоровыми тканями, позволяя различать их в режиме реального времени и без физического контакта.

«Во время операции хирург точно увидит, что и сколько нужно отрезать», — объясняет Парсин Хаджи Реза, профессор системной инженерии, возглавляющий проект, в Scientific Reports.

В настоящее время врачи полагаются в первую очередь на предоперационные МРТ, КТ, опыт и визуальный осмотр для определения границ опухоли во время операции. Затем образцы тканей отправляются в лаборатории для тестирования, результаты которого ждут дни или недели, пока не будет определено, полностью ли удалена опухоль.

Визуальные тесты вскоре могут стать ключевым компонентом некоторых медицинских процедур. При минимально инвазивных хирургических процедурах визуализация позволит хирургам лучше видеть внутренние органы, улучшить лечение и свести к минимуму осложнения.

Более того, малоинвазивная хирургия и новые технологии визуализации развиваются параллельно. Излишне говорить, что во многих случаях точная передовая визуализация может просто заменить операцию, поскольку вам не нужно будет делать срезы, чтобы увидеть все, что нужно увидеть внутри пациента.

Еще одна перспективная область – так называемая 3D хирургия (5). Традиционно хирурги полагаются на предоперационные плоские рентгеновские снимки пораженных участков и инвазивные методы для обнаружения труднодоступных опухолей или поврежденных органов в операционной.

5. Виртуальная визуализация в медицине

Между тем в трехмерная хирургия компьютерная томография, магнитно-резонансная томография и светодиодные камеры используются для создания трехмерных изображений операционного поля в режиме реального времени и для точной локализации поражений.

Хирургия такого рода имеет множество применений и особенно полезна для нейрохирургов при предоперационной оценке опухолей головного мозга — хирурги могут более точно удалять опухоли, не вызывая новых повреждений деликатных структур. Технологии дополненной реальности, такие как EchoPixel True 3D, теперь позволяют радиологам или врачам «латать» МРТ-изображения для создания трехмерного изображения, которое затем можно исследовать с помощью 3D-очков, очков виртуальной реальности и даже 3D-печати с использованием специального пластика.

По мнению экспертов, в течение следующих двадцати лет технологии визуализации будут сосредоточены на молекулярном и клеточном уровнях. Вместо того, чтобы смотреть только на анатомию, как это было в большинстве случаев, врачи будут смотреть на метаболизм и физиологию.

ПЭТ-сканирование считается первым шагом в этом направлении. Он также будет распространяться комбинирование нескольких методов. Прототипы ПЭТ/МРТ-сканеров уже существуют, и идут разговоры о комбинированных КТ/МРТ-аппаратах. Если к этому добавить современные техники представления изображений, смешанную реальность и погружение в виртуальную среду, работа будущих врачей может стать поистине экстраординарным опытом.