Výzkumníci z VUT pomohli vyvinout revoluční 3D skener pro lepší diagnostiku cévních onemocnění a artritidy

(TZ, Brno, 17. 12. 2024) 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.

„Technologie, na které jsme pracovali od roku 2014, konečně nachází reálné uplatnění v medicíně. Díky rychlosti a přesnosti záznamu jsme překonali limity, které dosud bránily použití této metody v klinické praxi,“ řekl docent Jiří Jaroš z FIT VUT.

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). „Naše spolupráce s UCL byla klíčová. Společně jsme optimalizovali nejen softwarové výpočty, ale i samotný hardware skeneru. Díky tomu se podařilo snížit časovou prodlevu zařízení na minimum,“ vysvětlil docent Jaroš.

Publikace v Nature Biomedical Engineering

Výsledky technologie byly publikovány v článku A fast all-optical 3D photoacoustic scanner for clinical vascular imaging. 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,“ dodal na závěr docent Jaroš.