Взгляд в глаза: создание экономически эффективного инструмента для визуализации рака
Передовые хирургические инструменты часто изготавливаются с использованием новейших технологий, что может ограничить их общую доступность. В попытке расширить хирургические возможности удаления опухолей группа разрабатывает компактную систему хирургии с флуоресцентным контролем, созданную из экономически эффективных готовых компонентов, что может значительно снизить затраты по сравнению с текущими коммерчески доступными подходами. Их экономно спроектированная система была оценена на мышиной модели и недавно была опубликована в Scientific Reports .
«Как мы можем уравнять возможности различных больничных систем?» — задается вопросом старший автор исследования Сэмюэль Ачилефу, доктор философии, профессор и заведующий кафедрой биомедицинской инженерии Юго-Западного медицинского центра Техасского университета.
«Многие клинические центры не имеют доступа к передовым хирургическим инструментам, которые потенциально могут повлиять на результаты лечения пациентов. Используя экономически эффективный подход, наша команда стремится создать доступную систему флуоресценции в реальном времени, которая будет одинаково выявлять опухоли во всех больницах, независимо от их местоположения или бюджета».
Сосредоточение на хирургии под контролем флуоресценции
Как работает флуоресцентная хирургия? В контексте рака первым шагом является введение контрастного вещества, которое специально нацелено на опухоли. Это вещество, называемое флуорофором, активируется при воздействии определенных типов света, заставляя его светиться. Таким образом, хирург может увидеть, насколько далеко распространяется опухоль, что позволяет ему полностью удалить рак, не затрагивая здоровые ткани. Он также может увидеть, остались ли какие-либо злокачественные частицы в ходе операции.
Изучается множество различных флуорофоров, и некоторые из них активируются при воздействии видимого света, что делает их заметными невооруженным глазом. Но, как и свечение светлячка, эту флуоресценцию легче всего увидеть в темноте, и выключение света в операционной — не идеальное решение.
Чтобы преодолеть это препятствие, исследователи изучают флуорофоры, которые активируются при воздействии ближнего инфракрасного света . Ближний инфракрасный свет лежит сразу за видимым спектром и может проходить дальше через ткани, что означает, что хирурги могут лучше обнаруживать опухоли глубоко в организме. Загвоздка, конечно, в том, что люди не могут видеть ближний инфракрасный свет — по крайней мере, без соответствующих инструментов.
«Когда флуорофор в ближнем инфракрасном диапазоне светится, вы не можете увидеть его глазами», — пояснил ведущий автор исследования Леонид Шмуйлович, доктор медицины, доктор философии, доцент кафедры медицины и радиологии в Университете Вашингтона в Сент-Луисе. «Вам нужна специальная камера, чувствительная к этим длинам волн, а затем вам нужен способ проецировать этот сигнал так, чтобы хирург мог его увидеть». В существующих системах этот сигнал обычно отображается для хирурга на расположенном рядом экране.
Хотя несколько различных хирургических систем с флуоресцентным контролем в ближнем инфракрасном диапазоне были одобрены для различных показаний, у них есть два основных ограничения, которые препятствуют их широкому использованию: размер и стоимость.
«Существующие системы занимают много места в операционной, а некоторые требуют помощи другого пользователя для управления устройством, что может помешать нормальному рабочему процессу хирурга», — отметил Ачилефу. «Не говоря уже о высокой цене, связанной с этими системами, которая может стоить 100 000 долларов и более».
Компоненты экономно спроектированной хирургической системы с флуоресцентным контролем. NIR, ближний инфракрасный; VIS, видимый. Кредит: Леонид Шмуйлович
Сокращение расходов, оптимизация размеров, оптимизация дизайна
В течение многих лет исследования в лаборатории Ачилефу включали постоянную разработку недорогой хирургической системы с флуоресцентным контролем, которая использует очки для визуализации флуоресцентного сигнала. Вместо того, чтобы просматривать флуоресценцию опухоли на расположенном рядом экране, этот подход дополненной реальности проецирует ближний инфракрасный сигнал непосредственно на окуляр, накладывая освещенную опухоль на поле зрения хирурга.
Опираясь на предыдущие исследования , команда представила свою последнюю модель, созданную из полностью готовых компонентов и простых деталей, напечатанных на 3D-принтере. Их система имеет следующие основные компоненты: источники видимого и ближнего инфракрасного света (похожие на простые лазерные указки), минимальную систему камер и процессор, а также коммерческие очки дополненной реальности. Эти разрозненные части соединяются вместе с помощью напечатанных на 3D-принтере креплений, при этом весь блок располагается на голове пользователя.
Вместе с процессором, аккумуляторная батарея для питания устройства располагается на поясе пользователя, что делает систему непривязанной и полностью свободной от рук. Отдельные компоненты системы стоят примерно 1000 долларов, и исследователи надеются, что коммерческая модель будет составлять лишь часть стоимости ныне доступных систем.
«Мы хотели проверить, способна ли самая простая система камер обнаруживать ближний инфракрасный сигнал, и, к нашему удивлению, она фактически превзошла наши предыдущие разработки», — сказал Шмулович, который завершил это исследование во время постдокторской стажировки в лаборатории Ачилефу в Университете Вашингтона в Сент-Луисе. «С некоторыми доработками мы смогли настроить систему для фильтрации фоновых сигналов, обеспечив основную функциональность для системы с флуоресцентным наведением».
Размещение камер представляет собой важный шаг вперед, объяснил Шмуйлович. Многие технологии, которые накладывают одно изображение на другое — в данном случае флуоресцентный сигнал поверх поля зрения хирурга — страдают от так называемого эффекта параллакса. Это когда наложенное изображение не идеально совпадает с реальностью.
Чтобы преодолеть этот эффект, исследователи использовали светоделитель (устройство, разделяющее входящий свет на два отдельных пути). Они разместили светоделитель перед очками дополненной реальности и поместили камеру чуть выше глаз пользователя на одной линии со светом, отражающимся от светоделителя.
«Таким образом, свет либо проходит через светоделитель в глаз пользователя, либо отражается от светоделителя в камеру», — пояснил Шмуйлович. «Это значительно улучшает оптическое выравнивание нашей системы и стало действительно захватывающим нововведением», — сказал он.
Оценка производительности
Команда сравнила свое устройство с более чем 10 существующими системами с флуоресцентным управлением, проанализировав опубликованные значения таких характеристик, как чувствительность флуоресценции, разрешение и освещенность (яркость). Несмотря на уменьшенный размер и стоимость своей системы, исследователи обнаружили, что их экономично спроектированные очки имели сопоставимые характеристики с продуктами на рынке. Они также оценили реальную полезность своей системы и провели операцию на мышах с опухолями молочной железы.
«Благодаря нашей системе мы можем видеть опухоли, удалять их, а если осталась какая-то остаточная опухоль, мы можем увидеть ее в режиме реального времени», — сказал Ачилефу.
Исследователи подчеркнули, что эта технология является шаблоном, а не готовым продуктом. «Это инструмент, это начало», — сказал Шмуйлович. «Мы хотели показать, что недорогие компоненты, если их творчески комбинировать, могут конкурировать по производительности с дорогими и устоявшимися технологиями», — сказал он.
Ци Дуань, доктор философии, директор программы в Отделе технологий медицинской информатики в NIBIB, согласился. «Благодаря своему инновационному инженерному подходу эта команда заложила основу для доступной хирургической системы с флуоресцентным контролем», — сказал он. «Благодаря своей открытой и недорогой конструкции эта ресурсная технология может быть адаптирована для множества приложений с флуоресцентным контролем и когда-нибудь может помочь улучшить хирургическую помощь».