עם היכולת ללכוד תמונות מפורטות של כלי דם בשניות, טכנולוגיה פורצת דרך זו מבטיחה לחולל מהפכה באבחון בתחומים כמו ראומטולוגיה, אונקולוגיה ורפואת לב וכלי דם.
לִלמוֹד: סורק פוטו-אקוסטי תלת מימד אופטי מהיר להדמיה קלינית של כלי דם
במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת טבע הנדסה ביו-רפואיתחוקרים פיתחו סורק טומוגרפיה פוטו-אקוסטית (PAT) תלת מימדית (3D) להדמיה מהירה של כלי דם.
הדמיה של המיקרו-וסקולטורה לעומקים מתחת לסנטימטרים נחוצה לניהול קליני יעיל של הפרעות בכלי הדם. טכניקות הדמיה אופטית מבטיחות בדמיית זרימת כלי דם, אנטומיה וחמצן. עם זאת, פיזור אופטי על ידי רקמה מגביל את הרזולוציה המרחבית או את עומק החדירה. בעוד שהדמיית אולטרסאונד יכולה לתת מענה למגבלות הרזולוציה/עומק, היא מציבה אתגרים אחרים.
ככזה, הדמיה פוטו-אקוסטית היא חלופה שיכולה להתגבר על המגבלות של אולטרסאונד והדמיה אופטית. ב-PAT, קרן לייזר פועמת מאירה את הרקמה; ספיגה אופטית על ידי המוגלובין יוצרת חימום אימפולסיבי ולאחר מכן, גלי אולטרסאונד רחבי פס. ניתן לשחזר תמונה על ידי זיהוי גלים אלו על פני העור.
PAT מתגבר על חששות ברזולוציה של טווח מכיוון שגלי אולטרסאונד מפוזרים פחות מפוטונים ברקמה. עם זאת, יישום PAT מציג אתגרים הקשורים למכשור. גלאי אולטרסאונד פיזואלקטריים קונבנציונליים נמצאים בשימוש נפוץ בסורקי PAT, אך הם בעלי רגישות נמוכה לגדלי אלמנטים מתחת ל-100 מיקרומטר ותגובת תדר פס רחב לא מספקת.
המחקר והממצאים
במחקר הנוכחי, החוקרים בנו סורק PAT מהיר ואופטי להדמיה קלינית של כלי דם. הסורק שנבנה בהתאמה אישית כלל מתנד פרמטרי אופטי (OPO) וחיישן אולטרסאונד של Fabry-Perot (FP). ה-OPO פולט פולסי לייזר של ננו-שניות (700 עד 900 ננומטר) המועברים באמצעות סיב אופטי. אור מהקצה המרוחק של הסיב מייצר קרן גדולה המתרחשת על ראשו של חיישן האולטרסאונד FP. האלמנט הרגיש מבחינה אקוסטית הוא אינטרפרומטר FP (FPI).
לאחר המעבר דרך החיישן, הקרן מאירה את הרקמה שמתחתיה, ויוצרת גלי אולטרסאונד רחב-פס המתפשטים ל-FPI. ההפרעה בין האור המוחזר משתי מראות FPI מווסתת כוח אופטי מוחזר, הנקרא על ידי סריקת מערך של ≤ 64 קרני לייזר ממוקדות על פני החיישן. שתי אסטרטגיות יושמו כדי להפחית את זמני רכישת התמונה.
ראשית, קצב רכישת קו A הוגדל על ידי קריאת חיישן מקבילה ושימוש בלייזרי עירור בתדירות חוזרת בפולסים גבוהים (PRF). האסטרטגיה השנייה כללה חישה דחוסה, המאפשרת תת-דגימה של צמצם הזיהוי האקוסטי, מה שהפחית את מספר קווי A הדרושים לבניית תמונה. הסורק רכש תמונות 3D in vivo של כלי דם של מבוגרים בריאים.
תמונות שוחזרו תוך שנייה בשיטת k-space מ-34,560 קווי A; קצב A-line היה 6,400 שניות (שניות), ומשך הסריקה הכולל היה 5.4 שניות. בסך הכל, הסורק סיפק תמונות מפורטות של המיקרו-וסקולטורה לעומקים של עד 15 מ"מ; התמונות היו דומות או טובות יותר באיכותן מאשר סורקי FP קודמים. תמונות שנרכשו ב-100 הרץ (הרץ) ו-200 הרץ PRFs בקצבי A של 6,400/s ו-12,800/s הפחיתו את זמני הרכישה ל-3.2 שניות ו-1.6 שניות, בהתאמה.
יתר על כן, ב-1 kHz, קצב A-line עלה ל-64,000/s, וזמן הסריקה הכולל היה 0.3s. איכות התמונה לא נפגעה יתר על המידה. כדי להדגים תועלת קלינית, נערכו מחקרי מקרה גישושים על חולים עם חשד לשינויים בכלי הדם הקשורים לדלקת מפרקים שגרונית, מחלת כלי דם היקפית (PVD) ודלקת עור.
נרכשו תמונות של כפות הרגליים של חולים בסיכון ל-PVD של כלי קטן. המיקרו-סירקולציה של כף רגל ימין של המטופל הייתה תקינה, אך כף הרגל השמאלית הראתה תסמינים של הפרעות זלוף. תמונות הראו פיתול כלי דם ברגל שמאל, אשר נקשרה למיקרווסקולופתיה הקשורה ל-PVD.
לאחר מכן, העור סביב פפולה מורמת לאחר עקיצת חרק צולם מספר פעמים במשך שבעה ימים. ביום 1, תמונות חשפו מיקרו-וסקולטורה צפופה וכאוטית המשתרעת מהאפידרמיס ועד להיפודרמיס באזור הפפולה. מספר הכלים ירד בהדרגה עם הזמן. לבסוף, הצוות סרק תמונות של המפרקים הבין-פלנגאליים של חולה דלקת מפרקים שגרונית.
המפרק הימני הפגוע באזור הגיד הראה ניגודיות גבוהה יותר מאשר במפרק השמאלי הלא מושפע. יתרה מכך, הם סרקו את המפרקים של חולים עם חומרת מחלה מוגברת וחמש בדיקות בריאות. התוצאות הראו הבדלים מובהקים בין חולים עם מחלה פעילה ובקרות, מה שמצביע על כך שניתן לזהות ניאואנגיוגנזה הנגרמת על ידי דלקת.
מסקנות
יחד, החוקרים פיתחו סורק פוטו-אקוסטי מבוסס חיישן FP ברזולוציה גבוהה והעריכו את הפוטנציאל שלו ככלי הדמיה קליני. בעוד שסורקי FP מהדור המוקדם מספקים תמונות באיכות גבוהה, הם דורשים זמני סריקה ארוכים. מגבלה זו התגברה באמצעות קריאות מקבילות, לייזרים לעירור גבוה ב-PRF וחישה דחוסה. ניתן לרכוש תמונות באיכות גבוהה תוך שניות מבלי לפגוע באיכות. PAT מהיר ואופטי יכול להיות שימושי בראומטולוגיה, אונקולוגיה, רפואת לב וכלי דם ודרמטולוגיה.
