Использование света для контроля артериального давления и отслеживания хода лечения рака
Вот эксперимент: включите фонарик на телефоне и поместите кончик пальца над маленьким лучом света. Что вы видите? Ваш палец освещен, но свет не проходит полностью. Вы смотрите на то, что называется диффузным свечением, которое происходит, когда все клетки и молекулы, из которых состоит ваш палец, поглощают и рассеивают постоянный луч света в одно мгновение.
«Свет меняет направление миллионы раз, превращаясь в рассеянное красное свечение», — объясняет Даррен Роблиер, доцент кафедры биомедицинской инженерии Бостонского инженерного колледжа.
Понимание того, как свет взаимодействует с живыми клетками и тканями, является основой его работы. Это может быть не так просто, как посветить фонариком телефона на палец, но принципы диффузного свечения применимы ко многим изобретениям Роблиера в области медицинских устройств для отслеживания здоровья.
В Лаборатории биомедицинских оптических технологий он и его команда тестируют способы мониторинга биологических процессов, таких как артериальное давление , уровень кислорода и прогрессирование заболеваний, с помощью световых волн. Например, изучение того, как различные длины волн света создают узоры при поглощении и рассеивании, может рассказать Роблиеру о метаболических сигналах в крови человека. За последние несколько лет он разработал устройство для мониторинга артериального давления, которое не требует сдавливания руки манжетой, с целью получения более точных показаний, чем текущие, иногда неудобные, варианты.
«Эта технология измеряет оптические эффекты того, что происходит, когда бьется ваше сердце», — говорит Роблиер, который также является членом Центра фотоники BU. Каждый раз, когда ваше сердце бьется, кровоток ускоряется, а затем замедляется, и в то же время артерии расширяются и сужаются, увеличивая и уменьшая объем крови в артериях.
«Мы измеряем оба эти параметра и извлекаем большой объем информации из этих сигналов, а затем используем ее для прогнозирования артериального давления».
Ариана Гарретт (ENG'25), кандидат наук в лаборатории Роблиера, использует безманжетный тонометр во время выполнения жимов ногами, способ наблюдать за изменением кровотока при приложении энергии. Автор: Джеки Риккарди.
Устройство, называемое спекл-контрастной оптической спектроскопией, использует несколько длин волн, от видимого до ближнего инфракрасного света (БИК), который находится чуть дальше того, что видят наши глаза, для контроля артериального давления. Устройство крепится на палец и фиксируется ремешком вокруг запястья. Последние результаты команды, которые пока официально не опубликованы, показали, что устройство успешно провело высокоточные, непрерывные измерения артериального давления у 30 человек в течение нескольких недель. Статья опубликована в виде препринта на bioRxiv .
По словам Роблера, современные приборы для измерения артериального давления оставляют много места для человеческой ошибки. Он отмечает, что измерение артериального давления каждые 15 минут в течение 24 часов с помощью его технологии, а затем усреднение этих результатов гораздо точнее, чем однократное измерение в кабинете врача, и лучше предсказывает инсульт, сердечный приступ и сердечно-сосудистые заболевания. Врачи часто назначают домашние мониторы людям, подверженным риску гипертонии, чтобы получать показания в течение 24 часов, «но пациенты ненавидят это», говорит Роблер.
«Манжета срабатывает каждые 15–30 минут, даже в течение ночи, так что это действительно нарушает сон», — говорит он. Эта проблема еще больше подтолкнула его команду к созданию устройства без манжеты.
Отслеживание лечения рака с помощью света
Роблиер также тестирует подобный тип оптической технологии — измерение поглощения и рассеивания световых волн — для считывания метаболических сигналов раковых клеток. В частности, он работал с Наоми Ко, доцентом медицины Школы медицины Чобаняна и Аведисяна Бостонского университета и врачом-онкологом в Бостонском медицинском центре (BMC), над разработкой нового инструмента для мониторинга того, насколько хорошо опухоли рака груди реагируют на химиотерапию или лучевую терапию. BMC — это основная учебная больница BU.
Этот ручной сканер перемещается по ткани молочной железы, чтобы контролировать, насколько хорошо опухоли молочной железы реагируют на химиотерапию или лучевую терапию. Автор: Джеки Риккарди.
«Несмотря на все достижения в области лечения рака молочной железы, есть некоторые случаи, когда химиотерапия не эффективна или эффективна лишь частично», — говорит Роблиер, а современные инструменты мониторинга, такие как маммография, УЗИ и МРТ, «не очень хороши для определения того, отреагирует ли опухоль на лечение».
Показатели, которые измеряет их устройство, например, концентрация и соотношение оксигенированных и дезоксигенированных эритроцитов, можно использовать для прогнозирования вероятности уменьшения опухоли. Все чаще врачи назначают лечение перед хирургическим удалением опухолей молочной железы, «поэтому мониторинг реакции опухоли в реальном времени имеет большие потенциальные преимущества», — говорит Ко. «Если мы сможем увидеть, насколько уменьшается раковая опухоль в реальном времени во время лечения, это может помочь нам адаптировать лечение для пациентов с раком молочной железы».
Ко и Роблиер тестируют устройство, которое работает аналогично ручному ультразвуковому сканеру, перемещаемому по ткани молочной железы, в клинических условиях и планируют продолжить анализ его эффективности в течение следующего года. В конечном итоге Роблиер хочет, чтобы устройство было меньше и транспортабельнее, чтобы пациенты могли использовать его дома и отправлять показания своим врачам без необходимости записываться на прием.
«Эта технология находится на такой ранней стадии развития, что она эквивалентна тому, что было с ультразвуком в 1960-х годах», — говорит Роблиер. «По мере накопления знаний в конечном итоге данные смогут интерпретироваться и использоваться для принятия клинических решений врачами и медсестрами».
Возможно, предстоит еще многому научиться, поэкспериментировать и протестировать, но возможности огромны. Команда Роблера работает над целым рядом других оптических технологий, включая технологию для мониторинга диализа при лечении заболеваний почек. Они также находятся на ранних стадиях создания устройства, специально предназначенного для лечения склеродермии — разрушительного аутоиммунного заболевания, вызывающего воспаление и фиброз кожи, — которое может помочь врачам определить, уменьшают ли лекарства внутренний фиброз, поскольку ничего подобного в настоящее время не существует.
«Одной из самых важных вещей, которые я делаю, я считаю, что, разрабатывая эти технологии, мы общаемся со многими врачами, понимая, в чем заключаются их неудовлетворенные потребности, и помогая понять, могут ли помочь наши технологии», — говорит Роблиер. «Я надеюсь, что эта работа окажет реальное влияние на жизни пациентов».