Görüntüleme ve algılama teknolojileri hem sofistike hem de erişilebilirlikte büyüdükçe, sadece veri toplayıp imge üretmekten daha fazlasını yapar: Bilim insanlarına hem temel biyolojik süreçler hakkındaki, hem de hastalığın nedenleri ve ilerleyişi hakkındaki bilgimizi derinleştirmek için araçlar sunacak, kendi başına bir araştırma araçlarıdır. Görüntüleri elde etmek sadece ilk adımdır. Önemli araştırma ve klinik ilerlemeler, verilerin analizinde yeni yollar gerektirir.
Şu anki biyomedikal görüntüleme ve algılama teknolojileri arasında sadece bilgisayarlı tomografi, manyetik rezonans görüntüleme, optik koherens tomografi, spektroskopi ve ultrason yer almaktadır.
Bu teknolojiler, fiziksel bilimler, matematik, bilgisayar bilimleri ve mühendislik alanlarının kesişme noktasındadır. Columbia Engineering, birçoğu Columbia Üniversitesi Tıp Merkezi’ndeki laboratuvarlarla işbirliği yapan bir çok görüntüleme ve algılama laboratuvarına ev sahipliği yapmaktadır. Araştırmacılar biyomedikal görüntüleme ve yapay görme sistemlerinin geliştirilmesinden, kemik biyomekaniklerine kadar her şeyi algılayarak, araştırmaktadırlar.
Bazen yeni görüntüleme ve algılama teknikleri geliştirmek için teknoloji şirketleri ile ortak çalışıyorlar. Sürekli geribildirim döngüsünde, öğretim üyeleri ve araştırmacılar karşılanmamış bilimsel ve klinik ihtiyaçları karşılamak için teknolojik ilerlemeler izlemektedir. Yeni teknolojiler daha sonra gözlemlemek için başka sorunlarla gözlerini açıyor.
Cerrahi Rehberlik için Optik Alet Geliştirme
Araştırma kariyerinin başlarında, Christine Hendon biyomedikal optik alanına girdi. Radyasyona dayanmayan bu tıbbi teknoloji dikkatini çekti. Bugün, genel amacı cerrahi rehberlik için optik aletler geliştirmektir.
Elektrik Mühendisliği Asistanı Hendon, “Doktorun dokuyu net bir şekilde anlayabilmesi için optik aletler geliştirmeyi istiyoruz” diyor. Teknikleri öncelikle “optik ultrason” olarak adlandırılan yakın kızıl ötesi spektroskopi ve optik koherens tomografi (OCT) kullanıyor.
Sözde optik biyopsi, MR, PET tomografi ve ultrason gibi mevcut biyopsi araçlarından çok daha yüksek çözünürlük sağlayacaktır. OCT’nin potansiyel bir avantajı, cerrahın geniş bir doku alanını imgeleyebilmesi ve invaziv biyopsilerden farklı olarak, mümkün olduğunca az doku çıkarmasıdır.
Halen, Hendon’un araştırmasının temel uygulaması OCT’yi kalp aritmilerinin tedavisinde veya düzensiz kalp ritimlerine odaklamaktır. Genel bir tedavi, cerrahın anormal elektrik sinyallerinin algılanması için bir kateter kullandığı ve daha sonra arızalı bölgedeki yara dokusunu gidermek için radyo frekansı enerjisini uyguladığı ablasyon yöntemidir.
Hendon ayrıca ameliyat sırasında gerçek zamanlı bilgi sağlamak için spektroskopi kullanıyor. Özellikle önemli olan, lezyonun derinliğidir – ablatif veya ölü, doku alanı. Hendon, “Ablasyona ikinci bir işlem için geri dönen hastalar sıklıkla” diyor, spektroskopi kullanımının hem işlem süresini hem de tekrarlama prosedürlerini azaltacağını umuyoruz. Temmuz ayının sonlarında Hendon, bir hayvan modelinde spektroskopi kateterinin in vivo ilk testini yaptı.
Hendon’un grubu OCT kalp görüntüleri atlası oluşturuyor. Şimdiye kadar, atlas, her kalp için 15 ciltlik (hacim başına 600 görüntü) 25 insan kalbi içermektedir. Sonunda, atlas, kardiyologları eğitmek için kullanılacaktır.
Yaklaşan bir proje, meme kanserinde optik araçların kullanımına odaklanmaktadır. Hendon kanalın lokalize tümörleri tanımlamak için Columbia Üniversitesi Tıp Merkezi’nde Meme Cerrahı Sheldon Feldman ve patoloji uzmanı Hanina Hibshoosh ile birlikte çalışıyor. Sonuç olarak, hangilerinin kansere ilerleyeceğini belirlemek için lezyonları zamanla görüntüleyeceklerdir.
Hendon ayrıca doğum öncesi ve doğumla ilişkili serviksin mekanik özelliklerini değerlendirmek için görüntülemeyi kullanma konusunda arkadaşı Columbia Mühendislik Profesörü Kristin Myers ile birlikte çalışıyor.
Hendon gençler arasında STEM eğitimini teşvik etmeyi taahhüt eder. Columbia’da, OCT görüntüleri ile ayrılan ortaokul öğrencileri tarafından kampüs ziyaretlerine ev sahipliği yapıyor. “Ortaokul çocukları harika” diyor. “Sorular sormaktan çekinmiyorlar.”
Tanı Ve Tedavi Tasarımında Görüntü Analizi
1980’lerin ortalarında, Andrew Laine, Washington Üniversitesi’nde, St. Louis’de yüksek lisans öğrencisi bir hacker’dır. O tarihlerde, üç büyük tıbbi görüntüleme cihazı imalatçısı meme manyetik rezonans görüntüleme (MRI) taramaları için farklı şifreli (patentli) kodlar kullandı. Danışmanının talebi üzerine, Laine kodları kırdı, bu nedenle çeşitli makinelerden gelen veriler birleştirilebilir ve görüntüler karşılaştırılır ve incelenir. “Federal hükümet görüntüleme üreticilerine ortak bir standart benimsemelerini emretti, bu nedenle görüntüler VA hastaneleri arasında paylaşılabilir “dedi. Sonuç, Tıp’da Dijital Görüntüleme ve İletişim (DICOM) idi.
Uluslararası siyaset, Laine’in bir sonraki adımının belirlenmesinde rol oynadı. Sovyetler Birliği’nin çöküşüyle ABD ordusu savunma bütçesinde fazladan bir miktara sahipti ve kadın hastalıkları üzerine yapılan tıbbi araştırmalar için 20 milyon dolar da vardı. Laine, taramada göz ardı edilen görünür lezyon sorununa değinmek için mamografi geliştirmeye yönelik bir yöntem önerdi. Teknolojisi, programda en umut vericiler arasında yer aldı ve mamografi araştırması için 2 milyon dolarlık bir bağış aldı.
Columbia Üniversitesi Tıp Merkezi (CUMC) Radyolojisinde ortak bir atama ile Biyomedikal Mühendisliği Bölümü Başkanlığı’nı yürüten Laine, multimedya “dalgacık” ifadelerinin yöntemlerini, mamografide ince ayrıntıları zenginleştirmek için ilk uygulayan kişi oldu. Yalnızca daha iyi görüntüler üretmekle kalmadı, aynı zamanda tarama için gerekli radyasyon miktarını azalttı. Günümüzde 1992 yılında geliştirdiği temel algoritma, dünya genelindeki hemen hemen tüm ticari dijital mamografi sistemlerinde kullanılmaktadır.
Fazla, dizi ultrason transdüseri kullanarak Laine, 4D (3B artı zaman) ultrasonla gerçek zamanlı olarak kalp krizinin öncüsü olabilen kardiyak gerginliği hesaplayan ilk kişi oldu. 4D görüntüleme, daha önce meydana gelen bir kalp krizinden ölü miyokard dokusunun anormal duvar hareketini de tespit edebilir.
Laine, “Görüntüleme alanında teknik ilerlemeleri klinik uygulamaya getirmenin ve hasta bakımını iyileştirmenin en hızlı yoludur …. Akademi ile endüstri arasındaki ilişkiyi güçlendirecektir” diyor. Laine, translasyonel araştırmayı teşvik etmek için Columbia ve General Electric (GE) arasında bir ortaklığa öncülük etti. Biyomedikal mühendisleri, klinisyenleri ve GE, MR teknolojisi ve diğer görüntüleme yöntemlerindeki ilerlemelerden fayda sağlayabilecek olan karşılanmamış klinik ihtiyaçların ortaklaşa ele alınmasını sağlar.
Laine ayrıca mamografi için planladığı dalgacık tekniğini kronik obstrüktif akciğer hastalığı (KOAH) şeklinde pulmoner amfizem üzerine de uyguluyor. Konvansiyonel bilgisayarlı tomografi (BT) yöntemleri, bir hastanın hastalığını üç alt tipten birisi olarak kategorize eder. Laine’nin laboratuarı, Graham Barr, MD (CUMC) ile birlikte, biyolojik belirteç olarak kullanılan görüntüleme fenotiplerinin sayısını genişleterek, KOAH’ın altında yatan hastalık evrelerini ortaya çıkarmaya yardımcı oluyor.
CT verilerinin ve on binlerce CT akciğer taramasının 3D görüntüsünü kullanarak ve on yılda binlerce hastayı takip ederek Laine, amfizematöz dokunun 60-80 alt tipinde daha zengin bir set keşfetti.
Laine ayrıca CUMC’de Profesör George Hripcsak ve Larry Schwartz ile birlikte çalışıyor. Araştırmaları klinisyenlerin hem metin (elektronik sağlık kaydı) hem de tıp görüntülerinden türetilen bulguları kullanarak bir hastanın geçmişini incelemelerine olanak tanıyacak. Bu işbirliği görüntüleme bilişiminin yeni boyutunu – radyomikler (görüntülerin nicel özelliklerinin çıkarılması ve analizi) hassas tıpta, hastalık süreçlerini anlama, yeni terapiler oluşturma ve hasta sonuçlarını daha iyi tahmin etme kabiliyetimizi artırma gibi etkenleri ekliyor.
