新しい技術により、高度な血液画像診断が臨床現場に近づきました | BRILink と BRI Agents

流れる血液の特性、つまり血行動態は血管疾患に関する重要な知見をもたらしますが、技術的な制限により、臨床でこれらの特性を測定することは困難でした。現在、解決策があるかもしれません。

カリフォルニア工科大学（Caltech）と南カリフォルニア大学の研究者らは、血液中を流れる粒子をリアルにシミュレートする、エルゴードリレーによる光音響コンピュータ断層撮影（PACTOR）と呼ばれる低コストで非侵襲的な3D画像化手法を開発した。 自然の生体工学著者らは、この技術が動物と人間で実現可能であることを実証することに成功した。

「この技術は、いくつかの革新的な概念を 1 つのコンパクトな全体にまとめたものです」と、国立生物医学画像研究所応用科学技術部門のプログラム ディレクターであるランディ キング博士は述べています。「しかし、このタイプのデバイスは、病院や自宅での継続的なモニタリングなど、より幅広い用途に使用できる可能性があると考えています。」バイオテクノロジー (NIBIB)。

血流速度や酸素供給などの要因によって、発達や初期状態が決まります。 動脈硬化症動脈瘤、血栓症、その他の状態。いくつかの診断画像技術でこれらの血行動態特性を検出できますが、これらの技術では造影剤と呼ばれる染料を患者に注入するか、患者に電離放射線を投与する必要があり、どちらも健康上のリスクをもたらす可能性があります。

ワン氏の研究室での最近の研究は、光音響効果に基づく代替法に焦点を当てています。光音響効果は、光の吸収後に音波が伝わる現象です。光音響イメージングでは、この効果を利用して体内の組織を画像化します。この技術では、生体分子がレーザーパルスからの光を吸収し、そのエネルギーを超音波として再放射します。反射された信号を使用して画像を作成できます。

王氏と彼の同僚は、光音響イメージングを使用して、赤血球内に存在する酸素運搬分子であるヘモグロビンからの信号を捕捉し、血流をリアルタイムで視覚化することを可能にした。

光音響技術では、高速で移動する音波を捉えるために、複数の高価な超音波センサーが必要になる場合があります。 再発前 チームのシステムは、たった 1 つのセンサーしか使用していないにもかかわらず、有望なパフォーマンスを示しました。ただし、2D 画像を作成するのに十分な情報しか取得できませんでした。

小型でコスト効率の高い単一センサー設計を維持しながら 3D 画像を生成するために、研究者は、画像化の前に大変な作業を行う戦略を考案しました。

新しい研究では、著者らは PACTER というデスクトップ システムを開発し、牛の血液サンプルの 6,400 箇所に細いレーザー ビームを照射して調整しました。この調整手順は手間がかかりますが、このシステムにより、その後の画像化実験で 1 本の広いレーザー ビームから最大 6,400 の信号を識別できるようになりました。このアプローチにより、研究者は大量のデータを取得しながら、迅速に画像化を実行できるようになりました。

「生の信号全体を個々の信号に分解することができます。実際、その単一の検出器を何千もの仮想検出器として使用することができます」と、カリフォルニア工科大学の医学・電気工学教授で主任著者の Lihong Wang 博士は述べています。

著者らはマウスにレーザー光線を照射して PACTER をテストした。システムは反射波を感知し、動物の腹部の血管を 3D でマッピングすることに成功した。また、血管の形状の周期的な変化も検出し、研究者らが動物の呼吸速度を特定するのに役立った。

次に研究者らは、末梢血管疾患や糖尿病の患者で一般的に評価される部位である人間の手と足の血管を視覚化した。

研究チームは測定結果から血流速度を計算することができました。血圧計のカフを使用して、研究者は被験者の手足の血行動態を変化させることができました。著者らは、血流速度と血管サイズの予想通りの変化を観察することができました。

「コスト効率の良いシステムにこれほどの容量を詰め込むことができたのは、私たちにとって大きな飛躍です。しかし、やるべきことはまだたくさんあります。これは技術の最終バージョンではありません」とワン氏は語った。

研究者たちは、PACTER の体内信号に対する感度を高め、より持ち運びやすいサイズにしたいと考えている。応用面では、首の動脈と静脈の血液酸素化を測定し、それを使って脳の代謝を追跡することに焦点を当てている。しかし、これは将来的に考えられる多くの道筋の 1 つにすぎない。

研究チームがグループとして知ることができることは限られているとワン氏は言う。彼は、この研究が、すでに考えている多くの臨床上の課題に取り組むきっかけとなり、新たな用途の可能性を発見してくれることを期待している。

この研究は、NIBIB (R01EB028277 および U01EB029823) および国立がん研究所 (R35CA220436) からの助成金によって資金提供されました。

この科学概要では、基礎研究の成果について説明します。基礎研究は、人間の行動と生物学に関する理解を深め、病気の予防、診断、治療のための新しい、より優れた方法を開発するための基礎となります。科学は予測不可能で漸進的なプロセスです。各研究の進歩は、過去の発見に基づいており、予期せぬ形で行われることがよくあります。臨床の進歩のほとんどは、基礎研究の知識なしには不可能です。

研究参考文献: Yide Zhang 他「単一要素検出器を備えた使い捨て容積光音響トモグラフィーによる超高速縦方向血行動態イメージング」Nature Biomedical Engineering (2023)。doi:10.1038/s41551-023-01149-4。