Профессор Калифорнийского технологического института в сотрудничестве с исследователями из Университета Южной Калифорнии впервые продемонстрировал новую технологию визуализации человеческого мозга с использованием лазерного света и ультразвуковых звуковых волн.
Технология, известная как фотоакустическая компьютерная томография, или PACT, была разработана Лихонгом Вангом , профессором медицинской инженерии и электротехники Бреном, как метод визуализации тканей и органов. Предыдущие версии технологии PACT были способными отображать внутренние структуры тела крысы; PACT также способен обнаруживать опухоли в груди человека, что делает его возможной альтернативой маммографии.
Теперь Ван усовершенствовал технологию, сделав ее настолько точной и чувствительной, что она может обнаруживать даже незначительные изменения количества крови, проходящей через очень крошечные кровеносные сосуды, а также уровень оксигенации этой крови. Поскольку при выполнении когнитивных задач кровоток увеличивается в определенных областях мозга (например, при просмотре фильма кровоток увеличивается в зрительной коре), устройство, показывающее изменения концентрации в крови и оксигенации, может помочь исследователям и медицинским работникам контролировать активность мозга . Это называется функциональной визуализацией.
«При визуализации груди вы просто хотите увидеть кровеносные сосуды, потому что они могут выявить наличие опухоли [опухоли выделяют химические вещества, которые стимулируют образование кровеносных сосудов]», — говорит Ван. «Но функциональное изменение отображаемой мозговой активности — это изменение базового сигнала всего на несколько процентов. Это более чем на порядок сложнее измерить».
Ранее такой вид изображений проводился только с помощью аппаратов функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), которые используют радиоволны и магнитные поля, которые в 100000 раз сильнее, чем магнитное поле Земли, для контроля уровня кислорода в крови. Машины работают хорошо и представляют собой отработанную технологию, но у них есть некоторые недостатки. Во-первых, они очень дорогие и стоят несколько миллионов долларов каждая. Еще одним недостатком является то, что сильные магнитные поля, создаваемые аппаратом, требуют особых мер предосторожности, поскольку железосодержащие предметы, такие как некоторые медицинские инструменты, а также хирургические имплантаты, могут быть вытянуты аппаратом с большой силой. «Аппарат МРТ также требует помещать пациента в узкую трубку во время визуализации, что может быть неудобно для людей с клаустрофобией.
Напротив, технология Ванга намного проще, дешевле и компактнее и не требует помещения пациента внутрь аппарата.
Технология работает, направляя импульс лазерного света в голову. Когда свет проходит через кожу головы и череп, он рассеивается через мозг и поглощается переносящими кислород молекулами гемоглобина в красных кровяных тельцах пациента. Энергия, которую молекулы гемоглобина улавливают от света, заставляет их вибрировать ультразвуком. Эти колебания проходят через ткань и улавливаются массивом из 1024 крошечных ультразвуковых датчиков, размещенных вокруг головы. Данные с этих датчиков затем собираются компьютерным алгоритмом в трехмерную карту кровотока и оксигенации по всему мозгу.
Чтобы протестировать технологию на людях, Ван работал с Джонатаном Руссином, доцентом кафедры клинической неврологической хирургии в школе Кека и заместителем директора Центра нейрореставрации USC; Дэнни Дж. Ван, профессор Института нейровизуализации и информатики Университета Южной Калифорнии; и Чарльз Лю, профессор клинической неврологической хирургии в школе Кек и директор Центра нейрореставрации USC.
После тяжелой черепно-мозговой травмы некоторым пациентам выполняется декомпрессивная гемикраниэктомия — жизненно необходимая процедура, при которой большая часть черепа удаляется для контроля давления из-за отека мозга. Лю и Руссин работают со многими такими пациентами в Национальном реабилитационном центре Rancho Los Amigos в Дауни, Калифорния, где Лю является руководителем отдела инноваций и исследований. После выздоровления после острой травмы, но до операции по реконструкции черепа, в этом исследовании принимали участие отдельные пациенты, чтобы определить, насколько хорошо работает технология визуализации.
«Препятствие, которое нам еще предстоит преодолеть, — это череп», — говорит Ван. «Это акустическая линза, но она плохая, поэтому она также искажает наш сигнал с ослаблением. Это все равно, что смотреть на улицу через волнистое окно», — говорит он. «Но у них есть группа пациентов, перенесших гемикраниэктомию. У них отсутствует часть черепа, поэтому мы можем их визуализировать».
«Нейровизуализация занимает центральное место в разработке новых парадигм лечения, и эта демонстрация является очень важным шагом на пути к разработке нового эффективного инструмента, дополняющего существующие подходы, такие как методы на основе МРТ», — говорит Руссин.
Лю соглашается, добавляя, что «многие из наиболее захватывающих терапевтических подходов к функциональному восстановлению включают стратегии нейромодуляции, которые невозможно изучить в среде МРТ, и мы с нетерпением ждем возможности использовать эту новую технологию, чтобы лучше понять и усовершенствовать наши методы лечения.
Чтобы изобразить пациента, исследовательская группа бреет ему голову (шаг, который, по словам Ванга, они пытаются исключить), чтобы лазерный свет мог осветить их кожу головы. Затем пациент ложится на стол, частично положив голову в чашу, содержащую лазерный источник, ультразвуковые датчики и воду. По словам Ванга, вода действует как «посредник», акустически связывая датчики с поверхностью кожи головы и позволяя им эффективно улавливать сигналы. Они аналогичны гелю, который наносится на кожу при ультразвуковом исследовании.
В дальнейшем Ван говорит, что исследования должны быть сосредоточены на решении проблем, связанных с волосами и черепом. Он сказал, что можно было бы избежать бритья головы пациента, если бы можно было использовать оптические волокна для доставки импульсов лазерного света между волосяными фолликулами на коже головы. И он также надеется в конечном итоге использовать эту технологию на пациентах с неповрежденным черепом.
Статья с описанием технологии под названием « Массивно-параллельная функциональная фотоакустическая компьютерная томография человеческого мозга » появилась в номере журнала Nature Biomedical Engineering от 31 мая .
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК