Исследователи Лондонского Имперского колледжа и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе заявляют, что их экспериментальное исследование, опубликованное сегодня в npj Digital Medicine, открывает путь к разработке высококачественных клинических изображений человеческого мозга, которые могли бы превзойти существующие технологии.
В отличие от существующих методов визуализации головного мозга, таких как МРТ, КТ и ПЭТ-сканирование, технология может применяться для визуализации любого пациента и может быть подходящей для непрерывного наблюдения за пациентами с высокой степенью зависимости. Его можно было доставить с помощью относительно небольшого устройства, которое также потенциально могло бы сделать его портативным через машину скорой помощи и позволить быстрое обследование до прибытия в больницу.
Исследователи уверены, что технология будет безопасной, поскольку звуковые волны уже используются для ультразвукового сканирования, и эта технология использует аналогичную интенсивность звука. Ультразвук не может легко проникнуть через кость, тогда как новое устройство, которое можно носить как шлем, способно преодолеть этот барьер.
Новый подход особенно важен для пациентов, обследованных на инсульт – вторая по частоте причина смерти и самая частая причина неврологической инвалидности у взрослых – где быстрое, универсально применимое и высококачественное изображение имеет важное значение.
Ведущий автор д-р. Луис Гуаш из Департамента наук о Земле и инженерии Imperial сказал: "Техника визуализации, которая уже произвела революцию в одной области – сейсмическая визуализация – теперь может произвести революцию в другой – визуализация мозга."
Профессор Брайан Уильямс, директор Центра биомедицинских исследований больниц NIHR UCL, который частично финансировал исследование, сказал: "Это необычная и новая разработка в области визуализации мозга, которая имеет огромный потенциал для обеспечения доступной визуализации мозга в повседневной клинической практике для оценки головного мозга при травмах головы, инсульте и различных заболеваниях головного мозга.
"Если это оправдает обещания, это будет большим достижением. Это также великолепная иллюстрация того, как сотрудничество между инженерами и клиницистами с использованием методов из другой области науки может привнести революционные инновации в медицину."
Превосходя дисциплины
Ученые-геологи используют сейсмические данные и вычислительную технику, называемую полной инверсией формы волны (FWI), для картирования внутренней части Земли. Сейсмические данные от детекторов землетрясений (сейсмометров) подключаются к алгоритмам FWI, которые извлекают трехмерные изображения земной коры, которые могут использоваться для прогнозирования землетрясений и поиска залежей нефти и газа.
Теперь имперские исследователи адаптировали этот подход к медицинской визуализации, разработав метод, который использует звуковые волны с конечной целью получения изображений мозга с высоким разрешением.
Они построили шлем с множеством акустических преобразователей, каждый из которых посылает звуковые волны через череп. Энергия ультразвука, которая распространяется через голову, записывается и передается через шлем в компьютер. Затем FWI используется для анализа реверберации звука по всему черепу, создавая трехмерное изображение интерьера.
Исследователи протестировали свой шлем на здоровом добровольце и обнаружили, что качество записанных сигналов было достаточным для алгоритма для генерации детального изображения, и они уверены, что рассеянная энергия от мозга будет интерпретируема.
Используя компьютерное моделирование, они также обнаружили, что могут получать изображения с высоким разрешением со звуковыми частотами, достаточно низкими, чтобы проникать в череп с безопасной интенсивностью.
Они создали детальное компьютерное моделирование, основанное на свойствах различных типов тканей человеческого мозга, чтобы установить, что звуковые волны будут эффективны для создания изображений мозга с высоким разрешением.
Доктор. Гуаш сказал: "Это первый раз, когда FWI был применен к задаче визуализации внутри человеческого черепа. FWI обычно используется в геофизике для картирования структуры Земли, но наша совместная многопрофильная команда ученых-геологов, биоинженеров и неврологов использует его для создания безопасного, дешевого и портативного метода создания трехмерных ультразвуковых изображений человеческого мозга."
Возможное клиническое использование
Магнитно-резонансная томография (МРТ), как правило, является лучшим методом для получения изображений головного мозга с высоким разрешением, и ее использование в настоящее время необходимо для исследования многих неврологических расстройств, включая инсульт, рак мозга и травмы головного мозга.
Тем не менее, для МРТ требуются большие, сложные, дорогие, непереносные аппараты, охлаждаемые до трех градусов выше абсолютного нуля, и его нельзя использовать для пациентов, у которых нельзя полностью исключить наличие металлических имплантатов или инородных тел. Это делает использование экстренной помощи у пациентов с потенциально измененным сознанием, например, с подозрением на инсульт, трудным или невозможным.
Исследователи говорят, что если оно окажется успешным в испытаниях на людях, их устройство преодолеет эти препятствия.
Соавтор исследования профессор Парашкев Начев из UCL сказал: "Это яркая иллюстрация удивительной силы передовых вычислений в медицине. Сочетание инновационных алгоритмов и суперкомпьютеров может позволить нам получать изображения мозга с высоким разрешением с помощью безопасной, относительно простой, хорошо известной физики: передачи звуковых волн через ткани человека.
"Практические аспекты МРТ всегда будут ограничивать ее применимость, особенно в острых случаях, когда своевременное вмешательство имеет наибольшее влияние. Неврология десятилетиями ждала нового, универсально применимого метода визуализации: полная инверсия формы волны вполне может быть ответом."
Затем исследователи создадут новый прототип для визуализации нормального человеческого мозга в реальном времени в качестве первого шага к устройству, которое можно будет оценить в клинических условиях.