Vý­zkum­ný tým pod ve­de­ním do­cen­ta Ja­ro­še z Fa­kul­ty in­for­mač­ních tech­no­lo­gií Vy­so­ké­ho učení tech­nic­ké­ho v Brně (FIT VUT) ve spo­lu­prá­ci s Uni­ver­si­ty Colle­ge Lon­don (UCL) při­spěl k vý­vo­ji pře­lo­mo­vé di­a­gnos­tic­ké tech­no­lo­gie – op­tic­ké­ho 3D fo­to­a­kus­tic­ké­ho ske­ne­ru. Tato ino­va­tiv­ní me­to­da ote­ví­rá nové mož­nos­ti v ne­in­va­ziv­ní di­a­gnos­ti­ce cév­ních one­moc­ně­ní, zá­nět­li­vých stavů kůže či rev­ma­to­id­ní ar­tri­ti­dy. Tech­no­lo­gie nejen zkra­cu­je dobu vy­šet­ře­ní, ale také za­jiš­ťu­je vý­raz­ně přes­něj­ší vý­sled­ky.

Vý­sled­ky vý­zku­mu byly pu­b­li­ko­vá­ny v pres­tiž­ním ča­so­pi­se Na­tu­re Bi­o­me­di­cal En­gi­nee­ring, který je špič­kou v ob­las­ti apli­ko­va­né me­di­cín­ské in­for­ma­ti­ky.

Jak technologie funguje?

Fo­to­a­kus­tic­ká to­mo­gra­fie (PAT) je uni­kát­ní me­to­da, která kom­bi­nu­je vý­ho­dy op­tic­ké­ho a ul­tra­zvu­ko­vé­ho zob­ra­zo­vá­ní bi­o­lo­gic­kých tkání. Spe­ci­ál­ní laser vy­sí­lá svě­tel­né im­pul­zy, které pro­ni­ka­jí do tkání a vy­vo­lá­va­jí ul­tra­zvu­ko­vé vlny. Tyto vlny jsou ná­sled­ně de­te­ko­vá­ny a zpra­co­vá­ny do de­tail­ní­ho 3D ob­ra­zu cév­ních struk­tur až do hloub­ky 15 mm. Dří­věj­ší ge­ne­ra­ce této tech­no­lo­gie však byla pří­liš po­ma­lá pro kli­nic­ké vy­u­ži­tí – vy­tvá­ře­ní jed­no­ho ob­ra­zu tr­va­lo ně­ko­lik minut, což bylo velmi ná­roč­né na za­jiš­tě­ní ab­so­lut­ní ne­hyb­nos­ti pa­ci­en­ta. Při po­hy­bu se vý­sled­ky roz­ma­žou a ne­mo­hou být po­u­ži­ty.

Op­tic­ký 3D fo­to­a­kus­tic­ký ske­ner tento pro­blém řeší díky op­ti­ma­li­za­ci soft­wa­ru a vy­u­ži­tí po­kro­či­lých metod zpra­co­vá­ní dat. Na vý­vo­ji této tech­no­lo­gie pra­cu­je od roku 2014 tým br­něn­ských vý­zkum­ní­ků z FIT VUT pod ve­de­ním do­cen­ta Ji­ří­ho Ja­ro­še. Vý­sled­kem je­jich úsilí je ně­ko­li­ka­ná­sob­né urych­le­ní vý­po­čet­ních pro­ce­sů spo­je­ných s fo­to­a­kus­tic­kou to­mo­gra­fií. Nový ske­ner do­ká­že vy­tvo­řit 3D obraz během ně­ko­li­ka sekund, čímž eli­mi­nu­je cit­li­vost na pohyb pa­ci­en­ta a umožňuje prak­tic­ké vy­u­ži­tí této tech­no­lo­gie.

Praktické přínosy pro medicínu

Nový fo­to­a­kus­tic­ký ske­ner vý­znam­ně roz­ši­řu­je mož­nos­ti di­a­gnos­ti­ky a pře­ko­ná­vá ome­ze­ní tra­dič­ních zob­ra­zo­va­cích metod, jako jsou ul­tra­zvuk, mag­ne­tic­ká re­zo­nan­ce či la­bo­ra­tor­ní testy. Za­tím­co ul­tra­zvuk ne­do­ká­že spo­leh­li­vě de­te­ko­vat jemné cévní struk­tu­ry a mag­ne­tic­ká re­zo­nan­ce je ča­so­vě ná­roč­ná a fi­nanč­ně ná­klad­ná, nový ske­ner na­bí­zí rych­lé a de­tail­ní vý­sled­ky bez po­tře­by kon­trast­ních látek či po­ža­dav­ku na dlou­hý klid pa­ci­en­ta.

Jed­ním z klí­čo­vých pří­no­sů ske­ne­ru je schop­nost de­tail­ní vi­zu­a­li­za­ce cév­ních struk­tur již v ra­ných stá­di­ích one­moc­ně­ní. U pa­ci­en­tů s di­a­be­tem do­ká­že ske­ner od­ha­lit změny v mi­k­ro­cir­ku­la­ci, které často před­chá­ze­jí zá­važ­ným kom­pli­ka­cím, jako je pe­ri­fer­ní cévní one­moc­ně­ní. V pří­pa­dě rev­ma­to­id­ní ar­tri­ti­dy umožňuje sle­do­vá­ní tvor­by no­vých cév v po­sti­že­ných ob­las­tech, což lé­ka­řům po­sky­tu­je cenné in­for­ma­ce pro vy­hod­no­ce­ní zá­nět­li­vé ak­ti­vi­ty a op­ti­ma­li­za­ci léčby.

V der­ma­to­lo­gii a on­ko­lo­gii na­bí­zí ske­ner zcela nové mož­nos­ti pro sle­do­vá­ní cév­ních změn, na­pří­klad při kož­ních zá­ně­tech nebo růstu ná­do­rů. Díky schop­nos­ti za­chy­tit dy­na­mic­ké změny v cév­ním sys­té­mu vý­raz­ně pře­ko­ná­vá li­mi­ty sou­čas­ných ul­tra­zvu­ko­vých metod a umožňuje přes­něj­ší di­a­gnos­ti­ku bez zby­teč­ných ča­so­vých pro­dlev.

Cesta k přelomové technologii

Vývoj ske­ne­ru je ukáz­ko­vým pří­kla­dem me­zi­ná­rod­ní spo­lu­prá­ce a me­zi­o­bo­ro­vé­ho pří­stu­pu. První kroky pro­jek­tu vedly přes dvě ba­ka­lář­ské práce na FIT VUT, za­mě­ře­né na ak­ce­le­ra­ci vý­po­čet­ních pro­ce­sů, ná­sled­ně pře­cho­dem z pro­gra­mo­va­cí­ho ja­zy­ka Mat­lab do vy­so­ce op­ti­ma­li­zo­va­né­ho kódu v C++ plně vy­u­ží­va­jí­cí­ho ví­ce­já­dro­vé pro­ce­so­ry. Kód byl ná­sled­ně dále ak­ce­le­ro­ván po­mo­cí gra­fic­ké karty, což vedlo k dva­ce­ti­ná­sob­né­mu zrych­le­ní vý­po­čtů. Tým pod ve­de­ním do­cen­ta Ja­ro­še pra­co­val na op­ti­ma­li­za­ci soft­wa­ru, který je nyní in­te­gro­ván do pro­stře­dí Lab­VIEW a dále roz­ví­jen ve spo­lu­prá­ci s Uni­ver­si­ty Colle­ge Lon­don (UCL). Spo­lu­prá­ce s UCL byla klí­čo­vá. UCL a VUT FIT spo­leč­ně jop­ti­ma­li­zo­va­li nejen soft­wa­ro­vé vý­po­čty, ale i sa­mot­ný hard­ware ske­ne­ru. Díky tomu se po­da­ři­lo sní­žit ča­so­vou pro­dle­vu za­ří­ze­ní na mi­ni­mum.

Publikace v Nature Biomedical Engineering

Vý­sled­ky tech­no­lo­gie byly pu­b­li­ko­vá­ny v člán­ku A fast all-op­ti­cal 3D pho­to­a­cous­tic scan­ner for cli­ni­cal vascu­lar ima­ging (tinyurl.com/3dsken). Pu­b­li­ka­ce nejen po­tvr­zu­je tech­no­lo­gic­kou pře­va­hu za­ří­ze­ní, ale také do­klá­dá jeho pří­nos při zob­ra­zo­vá­ní cév­ních struk­tur u pa­ci­en­tů s dia­be­tem, zá­ně­ty kůže a rev­ma­to­id­ní ar­tri­ti­dou.

Budoucnost diagnostiky

Nový ske­ner ote­ví­rá cestu k re­vo­lu­ci v me­di­cín­ské di­a­gnos­ti­ce. V bu­douc­nu může tech­no­lo­gie najít uplat­ně­ní při sle­do­vá­ní dy­na­mic­kých cév­ních změn v re­ál­ném čase nebo při stu­diu pa­ra­me­t­rů spo­je­ných s prou­dě­ním krve u pa­ci­en­tů s kar­di­o­vasku­lár­ní­mi one­moc­ně­ní­mi. Její vy­u­ži­tí tak sli­bu­je lepší a rych­lej­ší péči pro pa­ci­en­ty a nové mož­nos­ti vý­zku­mu v ob­las­ti me­di­cí­ny.