Диффузная оптическая томография: инновационная альтернатива традиционным обследованиям мозга

Диффузная оптическая томография как альтернатива МРТ – ODSIS Медицинский портал

Диффузная оптическая томография: инновационная альтернатива традиционным обследованиям мозга

Ученые, занимающиеся испытаниями по разработке исследовательских приборов в отрасли неврологии, уверенно продвинулись вперед за последнее десятилетие.

Более 10 лет ведущие медики Вашингтонского университета при Медицинской школе в Сент-Луисе разрабатывали инновационное приспособление, которое произвело фурор и стало отличной альтернативой традиционным методикам — компьютерной и МРТ (магнитно-резонансной томографии). Данная технология сканирования мозга носит название диффузной оптической томографии (ДОТ).

В процессе разработки прибор был предназначен для исследования некоторых небольших локальных областей мозга. Сейчас метод диффузной оптической томографии может охватывать 2/3 мозга, сканируя его различные зоны и сосудистые бассейны одновременно.

Новая система ДОТ отличается высоким качеством изображения и достигает высокого уровня детализации. По словам Иосифа Калвера, профессора в радиологии, вскоре технология полноправно вытеснит исследование МРТ.

Принцип работы

Оптическая нейровизуализация производится прибором, в который встроены десятки маленьких светодиодных ламп.

Таким образом, диффузная оптическая томография не оказывает на человеческий организм интенсивного радиоактивного и ультрафиолетового излучения, как традиционные приборы.

Следовательно, такой метод диагностики становится абсолютно безопасным для обследования детей и беременных женщин. Нейровизуализация особенно актуальна для пациентов, которым необходимо исследовать лобные доли и части коры мозга, доминантные для речевого аппарата и саморефлексии.

Технология работает посредством глубинного освещения локальных частей мозга, и последующего обнаружения цветовых и динамических изменений в его тканях.

С помощью диффузной оптической томографии можно легко обнаружить следующие патологии:

  • Онкологические заболевания мозга;
  • Доброкачественные новообразования, имеющие тенденцию к разрастанию;
  • Кровоизлияния;
  • Гематомы;
  • Тромбы в сосудах головного мозга;
  • Предынсультные состояния;
  • Нейродегенеративные расстройства;
  • Аутизм;
  • Болезнь Паркинсона;
  • Осложнения тяжелых черепно-мозговых травм;
  • Прогрессирующие воспалительные процессы в тканях головного мозга;
  • Хронические и врожденные нарушения в коре мозга.

Сравнение ДОТ и МРТ

В процессе разработки, ученые тестировали оба прибора и выявили, что диффузная оптическая томография обладает выгодными отличиями от классической магнитно-резонансной томографии.

МРТ и ДОТ не могут сканировать процессы, которые проходят глубоко в тканях мозга. Однако оптическая нейровизуализация способна проникать в ткани на глубину 1 см без искажения изображения. Сканирование более глубоких слоев затруднено, однако, возможно.

МРТ может дать примерно тот же результат, однако такое исследование наносит некоторый вред пациенту посредством радиоактивного излучения. ДОТ проводит исключительно сканирование, не облучая больного.

Кроме того, прибор для оптической нейровизуализации постоянно модифицируется, и этот прогресс через несколько лет обещает достичь более глубокого проникновения света в кору мозга.

В отличие от прибора для МРТ, технология ДОТ может проводиться в операционной или палате интенсивной терапии, где находятся лежачие больные. Агрегат является портативным.

Одно из тестовых испытаний было направлено на идентификацию зоны Брока в лобной доли, которая отвечает за речь.

Оптическая нейровизуализация позволила охватить 75% перекрытия между долями, в то время как стандартная МРТ показала более низкие результаты.

Тестирование проводилось и в качестве полисомнографии. В этом случае оба прибора идентифицировали один и тот же кластер в трех регионах обоих полушарий, с одинаковой точностью. Данное обследование обычно необходимо при парасомниях, инсомниях, аутизме, шизофрении и болезни Альцгеймера.

В феврале 2014 года ученые заявили о революционной диагностике раковых опухолей мозга с использованием диффузной оптической томографии.

На фото можно увидеть изображение поврежденных клеток при различных цветовых спектрах:

Новая методика позволила решить проблему дифференциальной диагностики онкологических заболеваний на ранней стадии, не провоцируя вторичных рецидивирующих опухолевых процессов ввиду отсутствия усиленного воздействия излучения.

Немаловажным преимуществом становится фактор безопасности. Диффузную оптическую томографию можно применять у детей, в том числе, младенцев, беременных женщин, тяжело больных людей, которым противопоказаны вредные облучения.

Технология также идеально подходит для обследования пациентов с кардиостимуляторами, кохлеарными имплантами глубоких стимуляторов мозга и прочими имплантирующими устройствами, использование которых несовместимо с облучением.

Источник: http://odsis.ru/diffuznaya-opticheskaya-tomografiya-innovatsionnaya-alternativa-traditsionnym-obsledovaniyam-mozga/

Диффузная оптическая томография: инновационная альтернатива традиционным обследованиям мозга

Диффузная оптическая томография: инновационная альтернатива традиционным обследованиям мозга

Ученые, занимающиеся испытаниями по разработке исследовательских приборов в отрасли неврологии, уверенно продвинулись вперед за последнее десятилетие.

Более 10 лет ведущие медики Вашингтонского университета при Медицинской школе в Сент-Луисе разрабатывали инновационное приспособление, которое произвело фурор и стало отличной альтернативой традиционным методикам — компьютерной и МРТ (магнитно-резонансной томографии). Данная технология сканирования мозга носит название диффузной оптической томографии (ДОТ).

В процессе разработки прибор был предназначен для исследования некоторых небольших локальных областей мозга. Сейчас метод диффузной оптической томографии может охватывать 2/3 мозга, сканируя его различные зоны и сосудистые бассейны одновременно.

Новая система ДОТ отличается высоким качеством изображения и достигает высокого уровня детализации. По словам Иосифа Калвера, профессора в радиологии, вскоре технология полноправно вытеснит исследование МРТ.

Оптическая томография: проблемы и перспективы

Диффузная оптическая томография: инновационная альтернатива традиционным обследованиям мозга

Все мы привыкли слышать о том, что живём в эпоху бурного развития науки и техники, а аббревиатура НТР вовсе кажется чем-то антикварным.

Однако следует признать — по-настоящему прорывные, революционные технологии, серьёзно меняющие жизнь если не каждого, то многих, и сегодня появляются сравнительно редко. Поэтому событие, свидетелями которого мы можем стать в ближайшие годы, будет явлением уникальным.

Ведь речь идёт о внедрении в клиническую практику совершенно нового метода неинвазивной медицинской диагностики — оптической томографии.

Томография как метод медицинской диагностики начала активно развиваться в 70-х годах ХХ века. Хотя математическая база для её развития была создана И. Радоном ещё в 1917 г., технические и технологические предпосылки к применению томографии в медицине возникли лишь спустя полвека. В 1963–1964 г. были опубликованы работы А.

 Кормака, в которых описывались томографические алгоритмы, пригодные для медицинских приложений, а в 1972 г. фирма EMI (Великобритания) начала выпуск первого серийного рентгеновского томографа, разработанного под руководством Г. Хаунсфилда. В 1979 г. А. Кормаку и Г.

Хаунсфилду была присуждена Нобелевская премия по медицине и физиологии «за разработку компьютерной томографии» — тем самым, мировое научное сообщество признало огромное значение нового метода.

Сегодня наиболее широко известны так называемая «компьютерная томография» (КТ), под которой понимают рентгеновскую трансмиссионную томографию, и «магнито-резонансная томография» (МРТ), из названия которой — ради спокойствия пациентов — удалили слово «ядерная», хотя никакого отношения к радиоактивности данный метод не имеет.

Методы КТ и МРТ хорошо разработаны и нашли широкое применение в клинической практике. Однако использование в этих методах потенциально опасных для здоровья видов излучения и жёстких магнитных полей ограничивает их применение.

В частности, как КТ, так и МРТ не применяются для исследования внутренних структур головного мозга новорождённых (являясь в то же время основным средством проведения таких исследований у взрослых пациентов). Именно эта область сегодня рассматривается как основная область применения нового и сравнительно молодого вида томографии — трансмиссионной оптической томографии (ТОТ), использующей практически безвредное для человека маломощное (порядка десятков мВт) излучение ближнего ИК-дапазона.

Потенциальные преимущества ТОТ отнюдь не исчерпываются её безопасностью. Использование ИК-излучения, хорошо поглощаемого гемоглобином в окси- и дезокси-состояниях (на разных длинах волн) позволяет получать пространственное распределение степени оксигенации тканей, что невозможно в других методиках.

Использование излучения со специфичными длинами волн позволит так же определять пространственное распределение НАД (NAD), НАД+ (NADH), триптофана, различных цитохромов (билирубин, меланин, цитохром-оксидаза) и концентрации воды.

Всё это позволяет не только успешно и своевременно диагностировать ряд заболеваний (дисплазия, опухоли, тромбоз, гематомы — в частности, при родовых травмах головы младенца), но и получать информацию о метаболических процессах и функционировании различных органов в динамике.

В частности, оптическая томография позволит в реальном масштабе времени наблюдать пространственное распределение насыщенности тканей водой, pH-фактора и т. п.

В КТ и МРТ восстановлению подлежит пространственное распределение одной величины (коэффициента поглощения рентгеновских лучей или концентрации ядер водорода).

Задачей оптической томографии является восстановление пространственного распределения двух оптических характеристик — коэффициента поглощения (что даёт информацию о химическом составе тканей) и коэффициента рассеяния (определяемом в первую очередь особенностями клеточного строения). Таким образом, ТОТ позволяет получить существенно больше информации, имеющей важное диагностическое значение.

Наконец, конструкция оптического томографа существенно проще (и дешевле) конструкции систем, применяемых в КТ и МРТ. Это позволит шире использовать ТОТ в медицинской практике, а так же создавать портативные томографические системы, что будет означать настоящий прорыв в развитии медицинской диагностики.

Сегодня оптическая томография находится на пороге широкого внедрения в клиническую практику.

Первой — и пока фактически единственной — «продаваемой» системой является маммограф DYNOT (Dynamic Infrared Optical Tomography), разработанный в NIRx Medical Technologies (США) совместно с исследователями из Медицинского центра Downstate при Медицинском университете Нью-Йорка (руководитель работ — доктор Барбур (R. Barbour)).

В настоящее время в США проходит клинические испытания система CTLM (Computed Tomography for Laser Mammography), разработанная американской фирмой IDSI (рис. 1). В ЕС, Канаде, Китае, ряде стран Ближнего Востока эта система уже разрешена к продаже.

В работах по созданию CTLM принимал участие коллектив Центра биомедицинской фотоники Бриттона Чанса. (Нельзя не отметить тот факт, что создатель и руководитель этого центра, Бриттон Чанс (Britton Chance), не только внёс огромный вклад в науку, но ещё и стал олимпийским чемпионом по парусному спорту в 1952 г., на Олимпиаде в Хельсинки.)

Одним из лидеров в области исследований головного мозга новорождённых сегодня является Исследовательская лаборатория биомедицинской оптики, относящаяся к кафедре Биомедицинской физики и биоинженерии Университетского колледжа в Лондоне. Разработанная под руководством С.

 Эрриджа (S. Arrige) система MONSTIR (Multi-channel Opto-electronic Near-infrared System for Time-resolved Image Reconstruction, рис.

2 и 3) в настоящее время проходит клинические испытания и, вероятно, в скором времени послужит прототипом для разработки серийного оптического томографа.

Рисунок 3. Томогорафические «срезы» распределения коэффициента поглощения лазерного излучения в голове новорождённого, полученные с помощью системы MONSTIR

Активно развивается примыкающее направление эмиссионной оптической томографии лабораторных животных.

Регистрация излучения, возникающего в результате биолюминисценции, и восстановление пространственного распределения источников излучения позволяет наблюдать процесс экспрессии генов, что весьма важно для работ в области создания лекарств.

Одним из лидеров этого направления является возглавляемое доктором Сахеджином (G. Sahagian) Подразделение по визуализации органов мелких животных (Small Animal Imaging Facility), с Кафедры физиологии Университета Тафтса (США, Массачусетс).

Следует особо отметить, что интерес к развитию оптической томографии связан не только с огромным прикладным значением, но и с научной сложностью самой задачи, которая, как не устают повторять авторы работ в данной области, представляет собой «настоящий вызов». Оптическая томография не является «продолжением» томографии рентгеновской.

Распространение лазерного излучения в биологической среде существенно отличается от распространения рентгеновских лучей. Если в последнем случае наблюдается только поглощение излучения (точнее, рассеяние является пренебрежимо малым), то при прохождении оптического излучения через биологическую ткань рассеяние излучения начинает играть главную роль.

Вошедший в биологическую среду лазерный луч «размывается», траектории фотонов становятся существенно криволинейными. Это не позволяет использовать математический аппарат рентгеновской томографии, базирующийся на представлении о прямолинейном распространении излучения в среде, законе Бугера-Ламберта-Бэра и преобразовании Радона.

Кроме того, если задачей рентгеновской томографии является восстановление пространственного распределения одной неизвестной величины (коэффициента поглощения излучения), то в оптической томографии восстановлению подлежит пространственно распределение как коэффициента поглощения, так и коэффициента рассеяния.

В этом случае использование «рентгеновской» схемы измерений с регистрацией только ослабления постоянного излучения даёт принципиально недостаточно информации.

Для задач оптической томографии необходимы новые, более информативные методы измерений, с регистрацией временных распределений пико- или фемтосекундных импульсов, прошедших через исследуемый объект (time-domain tomography) или измерением сдвига фазы зондирующего излучения с высокочастотной модуляцией (frequency-domain tomography).

Таким образом, ТОТ является очень дальним родственником рентгеновской томографии. Фактически, это совершенно новая научная и техническая задача. Её решение связано с развитием самых различных областей как фундаментальной, так и прикладной науки.

И даже выход на стадию лабораторных исследований в данной области может рассматриваться как серьёзный успех, а полученные при этом результаты могут найти широкое применение в различных смежных областях знания (например, в области численных методов и математического моделирования, или в области развития фото- и спектрометрии).

В связи с этим отрадно констатировать, что столь перспективное и важное направление не остаётся без внимания российской науки. Работы по созданию методов и систем для оптической томографии ведутся в лаборатории нелинейной спектроскопии сверхбыстрых процессов в конденсированных средах МНЛЦ МГУ (руководитель д. ф.-м. н. Шувалов В. В.); на кафедре Биомедицинских систем МИЭТ (руководитель д. ф.

-м. н. Селищев В. В.) (рис. 4); в Институте оптики и биофотоники СГУ (руководитель д. ф.-м. н. Тучин В. В.); в НИИ лазерной физики Государственного Оптического Института (руководитель к. ф.-м. н. Любимов В. В.).

Источник: https://biomolecula.ru/articles/opticheskaia-tomografiia-problemy-i-perspektivy

Обследование на клеточном уровне: диффузионно-взвешенная МРТ

Диффузная оптическая томография: инновационная альтернатива традиционным обследованиям мозга

08.12.2017

Программа общего исследования организма методом магнитно-резонансной томографии, которая позволяет получить диффузионно-взвешенные снимки всех тканей и органов – это процедура МРТ диффузии всего тела. Выясним, что представляет собой этот метод диагностики, чем отличается от классического МРТ-исследования, и в каких случаях его назначают.

Другой подход

Диффузионно-взвешенная МРТ (ДВ-МРТ) – это подвид магнитно-резонансной томографии, основанный на оценке происходящих в организме процессов на клеточном уровне.

В большей степени живые клетки состоят из воды, которой они обмениваются между собой. Молекулы воды содержатся и в межклеточном пространстве.

Они постоянно передвигаются и проникают через мембрану то в клетку, то из нее. Процесс такого перехода называется диффузией.

В норме обмен молекулами воды происходит определенным образом. При патологиях органов и тканей диффузия нарушается: клетки отдают воду в межклеточное пространство медленнее, чем получают извне. В результате они набухают и деформируются.

Возможна и обратная ситуация, когда водяных молекул уходит из клетки больше, чем приходит в нее. Диффузионная МР-томография фиксирует показатели диффузии всех тканей и органов организма, а специалист оценивает их и сравнивает с нормой.

Чем больше воды в клетках и тканях – тем четче будет картина.

Диагностические возможности метода

Результат общей диффузионно-взвешенной МР-томографии – это трехмерное изображение всего тела, собранное из нескольких тысяч снимков. Оно ценно для специалистов из различных областей медицины, так как дает информацию о состоянии всех органов и тканей человека. Благодаря диффузионной МРТ диагностируют:

  • патологические процессы (воспаления, некроз, тромбоз и другие);
  • аномалии в строении органов;
  • доброкачественные новообразования и раковые опухоли.

Участки тела с отличной от нормы диффузией станут показанием для повторного применения ДВ МРТ в целях детального изучения «интересной» области. Например, диффузионное обследование головного мозга будет информативнее, чем ДВ-сканирование всего тела, так как исследуемая зона меньше по размерам.

Показания к проведению ДВ-МРТ

Диффузионная МР-томография назначается для подтверждения или опровержения предполагаемого или уточнения уже поставленного диагноза. Процедура показана в следующих случаях:

  • Диагностика инсультов и инфарктов.
  • Подозрение на раковую опухоль.
  • Подозрение на метастазирование.
  • Оценка эффективности проводимого лечения онкологии.

Диффузионная МР-томография отчетливо визуализирует лимфатическую систему человека. Поэтому данный метод диагностики самый эффективный в выявлении опухолей в лимфоузлах – лимфом.

Чтобы сделать диффузию всего тела необязательно иметь показания. Процедуру можно провести в целях общего обследования. Достаточно прийти в любую клинику, где предлагают МРТ-диагностику, и воспользоваться соответствующими услугами.

Противопоказания, ограничения, методика проведения

Противопоказания к проведению диффузионной МРТ-диагностики такие же, как и у классического варианта исполнения магнитно-резонансной томографии:

  • Наличие кардиостимулятора (во время процедуры возможно нарушение его работы, что несет риск для жизни пациента).
  • Электронное устройство, имплантированное в среднее ухо (аппарат может выйти из строя, потребуется его замена).
  • Беременность в 1 триместре (во 2 и 3 триместрах диффузия всего тела не противопоказана).
  • Масса тела от 130 кг (томограф рассчитан на установленный производителем техники максимум нагрузки).
  • Клаустрофобия, другие состояния и болезни пациента, мешающие сохранять во время диагностики неподвижность (допустимо проведение диффузионной МР-томографии при условии введения больного в наркоз).

Перед процедурой необходимо снять все, что содержит металл. Если есть металлические несъемные предметы (зубные имплантаты, мосты, коронки, брекеты, спицы), то диффузию можно сделать, только если их материал не включает в себя ферромагнетики. Иначе диагностика потеряет свой смысл: информативность будет мала вследствие искажения данных из-за взаимодействия металла с магнитным полем томографа.

Способ проведения МРТ-диффузии:

  1. Пациент снимает одежду с металлической фурнитурой, кольца, пирсинг и другие вещи с содержанием металла и ложится на стол томографа.
  2. При необходимости пациенту делают седацию или вводят его в медикаментозный сон.
  3. Стол аппарата задвигают в тоннель.
  4. Специалист включает диффузионно-взвешенный режим сканирования, и аппарат выполняет снимки.
  5. После окончания сканирования стол выдвигают, и пациент может покинуть МРТ-кабинет.

Процедура диффузионной МРТ длится 40-90 минут. За это время томограф делает тысячи снимков, которые компьютер собирает в единое изображение. Этот метод диагностики не требует контрастирования, так как четкость картинки достигается различными показателями диффузии в организме.

С помощью диффузионной МРТ-томографии сканируется организм полностью и выявляются области с нарушенным обменом воды между клетками тканей и внутренних органов.

С такими результатами диагностики можно пойти к любому врачу, который при необходимости назначит дополнительное исследование.

Обследование всего тела – это способ предотвратить развитие опасных для жизни заболеваний или обнаружить их на ранней стадии, когда лечение будет наиболее эффективно.

Обследование на клеточном уровне: диффузионно-взвешенная МРТ Ссылка на основную публикацию

Источник: https://diagme.ru/mrt/obshie-svedeniya/diffuziya

Как диффузная оптическая томография помогает обследовать детей

Диффузная оптическая томография: инновационная альтернатива традиционным обследованиям мозга

В последние годы в области медицинской физики и биомедицинской инженерии возник ряд новых методов визуализации мозга, которые позволили учёным получать гораздо более точные данные о строении и организации головного мозга человека, как здорового, так и при ряде заболеваний.

Одним из таких методов стала функциональная спектроскопия в ближней инфракрасной области (functional near-infrared spectroscopy, fNIRS). Это неинвазивный, относительно дешёвый и простой метод, который позволяет обследовать мозг новорождённых без необходимости их транспортировки.

Функциональная спектроскопия в ближней инфракрасной области (functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)

Логическим продолжением fNIRS стала диффузная оптическая томография (diffuse optical tomography, DOT). Она позволяет с помощью инфракасного излучения измерить оптическую абсорбцию (светопоглощение) гемоглобина, основываясь на его спектре поглощения в зависимости от насыщения кислородом.

DOT — метод визуализации мозга, позволяющий создавать трёхмерные изображения.

Его основное преимущество перед остальными методами — возможность отслеживать динамику кровотока в тканях мозга на разной глубине, при этом исключая изменения насыщаемости кислородом в других тканях, например, черепе или скальпе.

Кроме того, так как при DOT используется инфракрасное излучение, она безвредна в отличие от, например, компьютерной томографии, при которой изображение формируется из послойных рентгеновских снимков.

Диффузная оптическая томография (diffuse optical tomography, DOT)

Качество изображений, полученных с помощью DOT, зависит от источников инфракрасного излучения. Обычно используются приборы с 10-20 источниками.

Впервые для визуализации мозга младенцев DOT стала применяться в конце 1990-х годов. Так, в 1998 году группа исследователей продемонстрировала работоспособность метода, измерив с его помощью гемодинамические изменения в коре головного мозга у новорождённых.

Использоваться повсеместно DOT стала лишь недавно и быстро зарекомендовала себя как хороший метод диагностики патологий у новорождённых. Например, она лучше, чем электроэнцефалография справлялась с выявлением перинатальной гипоксической ишемической энцефалопатии — поражения мозга ребёнка, возникшего до или во время родов и приводящего к нарушениям развития и гибели.

Впрочем, ни один метод не совершенен, и DOT – не исключение. На сегодняшний день существует несколько проблем, которые исследователям приходится решать при работе с DOT.

Так, из-за размера и веса оптических волокон их максимальное количество ограничено, особенно при работе с детьми. Поэтому исследователям приходится выбирать между расположением их по всей голове на большом расстоянии друг от друга и сосредоточением в какой-то одной области для более тщательного её изучения.

Кроме того, движения головы могут влиять на качество исследования — при них возникают кратковременные высокоамплитудные всплески интенсивности.

Они сразу же исчезают по окончании движения, но при работе с маленькими детьми, которых невозможно заставить лежать неподвижно, это может сильно мешать. В таких ситуациях обычно приходится сначала убаюкать ребёнка и обследовать его мозг во время сна.

Если это невозможно, то исследователи используют акселерометр, который позволяет зафиксировать данные о движениях и не учитывать их при формировании результата.

Могут повлиять на конечный результат и гемодинамические изменения как в головном мозге, так и в тканях головы. Они возникают из-за дыхания, сердцебиения, изменения артериального давления. Для того, чтобы результат был корректным, исследователи используют специальные фильтры, позволяющие отделить определённые сигналы от общей картины.

Основным фактором, не позволяющим улучшить результаты DOT, пока что остаётся ограниченное число оптических волокон. Тем не менее, технология быстро развивается и, возможно, волокна уже не понадобятся. Учёные уже предпринимают попытки работать без них. Пока такие системы рассчитаны на взрослых, но в теории их можно применять и для обследования детей.

Но преимуществ у метода все же намного больше, чем недостатков. Активное внедрение DOT в клиническую диагностику позволит, например, непрерывно наблюдать за активностью коры головного мозга у недоношенных детей. Дальнейшее усовершенствование технологии сделает аппаратуру для исследований дешевле и компактнее.

Алла Салькова

Ссылка на источник

Источник: https://alev.biz/news/science-news/neurosciences/kak-diffuznaya-opticheskaya-tomografiya-pomogaet-obsledovat-detej/

МедПомощь
Добавить комментарий