Приход MARS визуализации и цветных 3D рентгеновских лучей
Профессор Фил Батлер теперь стал гордым обладателем одной из самых известных в мире лодыжек.
Снимки его лодыжки и запястья увидели более 50 миллионов людей. Потрясающей детализации изображений удалось добиться благодаря новейшим разработкам в области медицинской визуализации. Переход на меньший размер пикселей и измерение энергии фотонов с вычислениями на 8 энергетических уровнях позволили MARS визуализации создавать изображения, содержащие в 8000 раз больше информации по сравнению со стандартной компьютерной томографией.
Кроме того, что он стал первым человеком, прошедшим обследование на MARS сканере, Батлер является одним из ведущих ученых, участвовавших в его разработке, и главным исполнительным директором MARS Bioimaging. Хотя раньше он занимался научными исследованиями, об этом физике из Университета Кантербери отзываются как об исследователе – предпринимателе, реализовавшим несколько коммерческих проектов, включая применение новейшего лазера для лечения винного невуса.
В работе над MARS сканером, Батлер успешно объединил свои интересы в различных областях, включая чистую математику, физику высоких энергий и технологию медицинской визуализации. «Мне всегда хотелось дать результаты физических исследований людям, которые смогут воспользоваться ими, – сказал он. – Что касается MARS, мы берем инновационные детекторы из физики высоких энергий в CERN и создаем устройство, которое улучшит медицинскую диагностику для миллионов людей. Это придает мне силы и помогает в непростой работе».
Работа над устройством ведется уже много лет. Первоначальное участие Батлера в CERN CMS и последующая совместная работа над Medipix3 стали отправными точками в разработке этой детекторной технологии в Новой Зеландии более десятка лет назад.
Идея использовать цветные рентгеновские лучи для медицинской визуализации возникла в 1970-х годах, когда вышло несколько теоретических работ на тему применения энергетической информации, содержащейся в фотонах рентгеновских лучей. К 1995 году CERN начала разрабатывать полупроводниковые детекторы прямого преобразования для физических экспериментов с высокоэнергетическими частицами.
Ученые поняли, что эти детекторы могут выполнять визуализацию. После того, как Батлер начал работать в команде CERN CMS в 2002 году, он увидел, что у Новой Зеландии есть возможности разработать медицинский сканер, используя детектор Medipix3. К 2006 году к Филу присоединился его сын-радиолог Энтони, и вместе с другими участниками проекта они провели первые сканирования на установке MARS, используя лабораторный прототип системы.
На фото: Цветные 3D снимки MARS сканера, на которых изображена энергия (1), кости (2), липиды (3) и мускулы (4). Изображения суммируются для получения окончательного результата.
Прототип системы прошел успешные испытания, после чего была учреждена компания MARS Bioimaging Ltd для создания коммерческой доклинической системы и внедрения новой технологии в клиническую практику. «Современные технологии визуализации – ультразвук, МРТ, КТ и ПЭТ, – с каждым годом улучшали качество медицинских исследований, но по-прежнему оставалось много заболеваний, которые было невозможно диагностировать, – сказал он. – … и до сих пор невозможно».
Разработка и маркетинг доклинической системы были осознанным шагом: необходимо было сначала познакомить ученых с системой цветной рентгеновской визуализации с высоким разрешением и дать им толчок к тому, чтобы они смогли найти ответ на вопрос: как можно с помощью этой инновации выйти за рамки существующих на то время методик визуальной диагностики.
Эта технология сильно изменилась за последнее десятилетие. «Вначале сканирование мыши занимало 24 часа, а восстановление изображения более недели, – сказал Батлер. – Сегодня мышь можно просканировать буквально за минуты, и восстановить изображение за один час».
Труднее всего было собрать самую полную энергетическую информацию. Затем – использовать ее наилучшим образом, чтобы проанализировать объект. И потом вам нужно создать изображение, чтобы донести полученные данные до пользователей.
Информация об энергии и маленький размер пикселей позволили MARS выдавать изображения, такие как снимок часов Фила и половина его руки, который разошелся по интернету и имел десятки миллионов репостов. Фил заметил: «Я считаю, что это прекрасный снимок, хотя некоторые думают, что это отвратительно».
«Моя лодыжка, возможно, выглядит менее отвратительно, но содержит больше информации, особенно если вы посмотрите на изображения карт кальция, жировых тканей и воды в высоком разрешении. Мы имеем изумительное разделение материалов в масштабе 80 микрон или 0.08 мм».
Заглядывая в будущее, MARS визуализация уже продемонстрировала свою полезность для ортопедического сканирования суставов, и легко представить, что в течение нескольких лет станет возможным сканирование головы и шеи. Для MARS сканирования плечей и бедер потребуются новые методы анализа и просмотра многих терабит данных.
Доклиническое исследование продемонстрировало, какой революционной станет эта технология в таких областях, как выявление рака, здоровье костей, визуализация места контакта кость-металл и оценка состояния сердечно -сосудистой системы.
«Ключевое преимущество этой технологии заключается в том, что она способна получать изображения гораздо более высокого разрешения, чем традиционные методы, и одновременно с этим получать информацию о составе материала объекта, – сказал Батлер. – Масштабируя эту технологию на кисти рук и лодыжки, мы хотели сохранить такое же разрешение и качество диагностики, которое уже было продемонстрировано на нашей маленькой установке».
Необходимость создания новых клинических методов визуализации очевидна. После того, как были опубликованы снимки запястья и лодыжки, мы получили целый поток обращений от людей, которым традиционные методы визуализации не дали необходимую диагностическую информацию. MARS – это интересный метод, который где-то пересекается как с КТ, так и с МРТ визуализацией. Он может сканировать как кости, так и мягкие ткани, а также может получать изображения через и вокруг металла. Эта способность визуализации с металлом особенно важна для оценки состояния костей после замены суставов – процедуры, количество которых должно удвоиться в ближайшие годы.
Основная сложность теперь – это как сделать доступной технологию визуализации MARS для людей, которым она нужна больше всего – врачей и пациентов. На пути продукта от его прототипа до получения разрешения на его использование от FDA стоят обычные трудности.
Одним из минусов снимков MARS является количество информации, получаемой при каждом сканировании. Дополнительная информация дает массу преимуществ для диагностики заболевания, но может создавать сложности при работе с ней. На сегодняшний момент наша команда сконцентрировала свои усилия на разработке продуктов для визуализации более мелких частей тела, как кисть или шея.
Со временем технологии обработки данных должны подтянуться и позволить выполнять сканирование всего тела. «Первые испытания на человеке будут проводиться с целью продемонстрировать плюсы MARS визуализации, которые уже были исследованы на нашей доклинической системе, например возможность увидеть ранние биохимические изменения в хряще», – сказал Батлер.
Для него самым удивительным в этом проекте стало то, как хорошо целая масса различных знаний и умений членов его многонациональной, многодисциплинарной команды дополняют друг друга. Более 50 человек, включая физиков, врачей, ученых и инженеров, работают в настоящее время над коммерциализацией сканера и исследуют возможность его клинического применения. По словам Батлера, «успех этого проекта стал возможен благодаря междисциплинарному подходу, который позволил инновации из Новой Зеландии заявить о себе в мировом масштабе».
Ханна Преббл
На фото вверху статьи: Снимок сканера MARS (на котором изображения костей, липидов, мускулов и металла получили свои видимые цвета) рядом с фото настоящей руки.
