Das Ende der Endoskopie? Neue Technik könnte die Zukunft der medizinischen Bildgebung sein
Die bahnbrechende Forschung zeigt eine innovative Bildgebungstechnik, die mithilfe von Ultraschall auf nichtinvasive Weise Tiefenbilder liefert.
Die Endoskopie ist derzeit eine der häufigsten Methoden für die medizinische Bildgebung.Zu seinen Anwendungen gehört die Diagnose von Zuständen, die die Lunge, den Dickdarm, den Hals und den Magen-Darm-Trakt betreffen.
Während einer Endoskopie führen Mediziner ein Endoskop - einen langen, dünnen Schlauch mit starkem Licht und einer kleinen Kamera am Ende - in eine kleine Öffnung ein, z. B. in den Mund oder einen winzigen Einschnitt, den ein Chirurg macht.
Endoskopien sind ein invasives Verfahren, wenn auch nur minimal. Sie können Beschwerden verursachen und sind nicht ohne Risiken. Mögliche Nebenwirkungen von Endoskopien sind Übersedierung, Krämpfe, anhaltende Schmerzen oder sogar Gewebeperforationen und geringfügige innere Blutungen.
Jetzt könnte eine innovative Entdeckung der Endoskopie insgesamt ein Ende setzen. Maysam Chamanzar, Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik an der Carnegie Mellon University in Pittsburgh, Pennsylvania, und Matteo Giuseppe Scopelliti, Doktorand in derselben Abteilung, haben eine nichtinvasive Ultraschallbildgebungstechnik entwickelt, die das Endoskop ersetzen soll.
Die Forscher beschreiben ihre neuartige Technik in der Zeitschrift Licht: Wissenschaft und Anwendungen.
Ersetzen der physischen Linse durch eine virtuelle
Chamanzar und Scopelliti erklären in ihrer Arbeit, dass biologisches Gewebe als trübes (oder dichtes und undurchsichtiges) Medium die Möglichkeiten optischer Methoden einschränkt.
Insbesondere besteht das Gewebe aus großen Partikeln und Membranen und schränkt die Tiefe und Auflösung optischer Bilder ein, "insbesondere im sichtbaren und nahen Infrarotbereich des Spektrums".
Die neue Technik verwendet jedoch Ultraschall, um eine „virtuelle Linse“ im Körper zu entwickeln, anstatt eine physische einzuführen. Der Bediener kann dann die Linse einstellen, indem er „die Ultraschalldruckwellen im Medium ändert“, die Autoren schreiben und so mit nichtinvasiven Mitteln Tiefenbilder aufnehmen, auf die zuvor noch nie zugegriffen werden konnte.
Ultraschallwellen können das Medium, in das sie eindringen, komprimieren oder verdünnen. Licht wandert langsamer durch komprimierte Medien und schneller in verdünnten Medien.
Die Autoren erklären, dass sie die virtuelle Linse mithilfe dieses Komprimierungs- / Verdünnungseffekts erstellen konnten:
„Während sich die Ultraschallwellen durch das Medium ausbreiten, modulieren sie seine Dichte und damit seinen lokalen Brechungsindex. Das Medium wird in den Hochdruckbereichen komprimiert, was zu einer höheren Dichte führt, während es in den Unterdruckbereichen, in denen die lokale Dichte verringert ist, verdünnt wird. “
"Infolgedessen", schreiben sie, "erzeugt die stehende Druckwelle einen lokalen Brechungsindexkontrast."
Darüber hinaus kann durch Einstellen oder Neukonfigurieren der Ultraschallwellen von außen die Linse innerhalb des Mediums bewegt werden, sodass sie sich in verschiedene Regionen bewegen und Bilder in verschiedenen Tiefen aufnehmen kann.
„Wir haben Ultraschallwellen verwendet, um eine virtuelle optische Relaislinse innerhalb eines bestimmten Zielmediums zu formen, bei dem es sich beispielsweise um biologisches Gewebe handeln kann“, sagt Chamanzar. "Daher wird das Gewebe in eine Linse verwandelt, mit deren Hilfe wir die Bilder tieferer Strukturen erfassen und weitergeben können."
Der Forscher erklärt weiter, wie die Technik funktioniert und warum sie ein progressiver Schritt zur Visualisierung im Körper ist.
„Was unsere Arbeit von herkömmlichen akustooptischen Methoden unterscheidet, ist, dass wir das Zielmedium selbst, das biologisches Gewebe sein kann, verwenden, um das Licht zu beeinflussen, während es sich durch das Medium ausbreitet“, fährt Chamanzar fort. "Diese In-situ-Interaktion bietet die Möglichkeit, die [Hindernisse] auszugleichen, die die Lichtbahn stören."
Technik zur „Revolutionierung der medizinischen Bildgebung“
Einige der Anwendungen der neuen Technik umfassen die Bildgebung des Gehirns, die Diagnose von Hautzuständen und die Identifizierung von Tumoren in verschiedenen Organen. Die Methode kann je nach zu überwachendem Bereich ein Handheld-Gerät oder ein Hautpflaster umfassen.
Durch einfaches Auftragen auf die Hautoberfläche könnten Angehörige der Gesundheitsberufe Bilder von inneren Organen erhalten, ohne die möglichen Nebenwirkungen und Unannehmlichkeiten einer Endoskopie.
"Die Möglichkeit, Bilder von Organen wie dem Gehirn weiterzuleiten, ohne dass physikalische optische Komponenten eingesetzt werden müssen, ist eine wichtige Alternative zur Implantation invasiver Endoskope in den Körper."
Maysam Chamanzar
„Diese Methode kann das Gebiet der biomedizinischen Bildgebung revolutionieren“, fügt er hinzu.
"Trübe Medien wurden immer als Hindernisse für die optische Bildgebung angesehen", fügt Co-Autor Scopelliti hinzu. "Wir haben jedoch gezeigt, dass solche Medien in Verbündete umgewandelt werden können, damit das Licht das gewünschte Ziel erreicht."
„Wenn wir Ultraschall mit dem richtigen Muster aktivieren, wird das trübe Medium sofort transparent. Es ist aufregend, über die möglichen Auswirkungen dieser Methode auf eine Vielzahl von Bereichen nachzudenken, von biomedizinischen Anwendungen bis hin zu Computer Vision. “
