اولین ترنسدیوسر شفاف و حساس برای آندوسکوپی در خوک‌ها

توسعه اولین اندوسکوپی فوتوآکوستیک با عملکرد بالا

اخیراً، یک تیم تحقیقاتی متشکل از پروفسور چولهونگ کیم از دانشکده مهندسی برق، دانشکده مهندسی فناوری اطلاعات همگرا، دانشکده مهندسی مکانیک و مدرسه علوم و فناوری همگرا، پروفسور هیونگ هام کیم از دانشکده مهندسی برق، دانشکده مهندسی فناوری اطلاعات همگرا و مدرسه علوم و فناوری همگرا، دکتر جایوو کیم از دانشکده مهندسی فناوری اطلاعات همگرا و داسوم هئو، دانشجوی دکترا از دانشکده مهندسی مکانیک در POSTECH، با پروفسور هی مان کیم از بیمارستان سرطان سوانح یونسای همکاری کردند تا اولین اندوسکوپی فوتوآکوستیک با عملکرد بالا در جهان را بر اساس یک مبدل اولتراسونیک شفاف توسعه دهند. یافته‌های این تحقیق به تازگی در مجله Science Advances منتشر شده است.

چالش‌های اندوسکوپی اولتراسونیک در تشخیص سرطان

اندوسکوپی اولتراسونیک به طور گسترده‌ای در گاستروانتروئولوژی برای تشخیص سرطان استفاده می‌شود، اما این روش در بافت‌های نرم کنتراست محدودی ارائه می‌دهد و تنها اطلاعات ساختاری را فراهم می‌کند که در نهایت حساسیت تشخیصی را کاهش می‌دهد. برای حل این مشکل، مطالعات متعددی تلاش کرده‌اند تا فناوری فوتوآکوستیک را با اندوسکوپی اولتراسونیک ترکیب کنند تا اطلاعات دقیق‌تری درباره عروق بافتی ارائه دهند و به این ترتیب، تشخیص زودهنگام سرطان را بهبود بخشند.

چالش‌های هم‌راستایی در تصویربرداری

با این حال، دستیابی به تصویربرداری با کیفیت بالا از فوتوآکوستیک و اولتراسونیک به طور همزمان در یک پروب فوق‌فشرده، چالش‌برانگیز بوده است. برای به دست آوردن تصاویر با وضوح بالا، نور و اولتراسونیک باید در یک جهت هم‌راستا شوند. با این حال، تلاش‌های گذشته در دستیابی به این هم‌راستایی با محدودیت‌هایی مواجه شده‌اند. در نهایت، هم‌راستایی می‌تواند با حفر یک سوراخ در مبدل اولتراسونیک برای تأمین مسیر نور یا با کج کردن سیستم نوری برای هم‌راستا کردن دو مسیر به دست آید. با این حال، هر دو روش با معایبی همراه هستند که معمولاً کیفیت یکی از تصاویر، چه تصویربرداری اولتراسونیک و چه فوتوآکوستیک، را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

دستاوردهای جدید در تصویربرداری

در این مطالعه، تیم تحقیقاتی یک مبدل اولتراسونیک شفاف فوق‌فشرده (۱ میلی‌متر مربع) توسعه داد که قادر به ارائه تصویربرداری اولتراسونیک و فوتوآکوستیک با وضوح بالا به طور همزمان است.

تحقق پیشرفت‌های جدید در تصویربرداری پزشکی با استفاده از مواد پیزوالکتریک

برای دستیابی به این هدف، محققان از مواد پیزوالکتریک (PMN-PT) استفاده کردند که به خاطر پرمیتیو بالا و مناسب بودن برای مینیاتوریزه کردن شناخته شده است. ترانسدیوسر با استفاده از مواد شفاف ساخته شده است، از جمله الکترودهای اکسید قلع ایندیم و لایه‌های جاذب صدا از یورتان، که ساختار ترانسدیوسر را حفظ کرده و در عین حال اجازه می‌دهد مسیر نور از آن عبور کند. این طراحی امکان تصویربرداری اولتراسونیک و فوتوآکوستیک با وضوح بالا را فراهم می‌کند.

محققان موفق شدند سیستم‌های نوری و آکوستیکی را در این پروب فوق‌فشرده ادغام کرده و دو مسیر تصویربرداری را هم‌راستا کنند. برای ارزیابی این فناوری، تیم دستگاه را به کانال یک اندوسکوپ تجاری وارد کرد و تصاویری از مری خوک ثبت کرد. به این ترتیب، آن‌ها توانستند تمام لایه‌ها از مخاط مری تا لایه عضلانی را به وضوح مشاهده کنند، با عملکرد اولتراسونیک که قابل مقایسه با اندوسکوپ‌های تجاری بود. علاوه بر این، آن‌ها تصاویری فوتوآکوستیک با وضوح بالا حتی در فواصل طولانی به دست آوردند که پتانسیل بالای بالینی اندوسکوپی فوتوآکوستیک-اولتراسونیک را نشان می‌دهد.

پروفسور چولهونگ کیم از دانشگاه POSTECH اظهار داشت: «این پیشرفت انتظار می‌رود محدودیت‌های سیستم‌های موجود فوتوآکوستیک-اولتراسونیک را برطرف کرده و دقت تشخیصی را به طرز چشمگیری بهبود بخشد.» پروفسور هی مان کیم از بیمارستان سرطان یونسای افزود: «این نتایج تجربی موفق با سیستم اندوسکوپی فوتوآکوستیک-اولتراسونیک مبتنی بر ترانسدیوسر شفاف، گام اول مهمی در توسعه و محلی‌سازی دستگاه‌های تشخیصی پزشکی نوآورانه است.»

این تحقیق با حمایت برنامه تحقیقات بنیادی بنیاد ملی تحقیقات کره، که توسط وزارت آموزش تأمین مالی شده، پروژه BRIDGE بنیاد ملی تحقیقات کره که توسط وزارت علوم و ICT تأمین مالی شده، برنامه تحقیق و توسعه دستگاه‌های پزشکی دولتی و BK21 FOUR که توسط وزارت علوم و ICT، وزارت تجارت، صنعت و انرژی، وزارت بهداشت و رفاه و وزارت ایمنی غذا و دارو تأمین مالی شده، و همچنین برنامه حمایت از کارآفرینی علم عمیق که توسط وزارت علوم و ICT ارائه شده، انجام شده است.