Современные биомедицинские технологии визуализации и зондирования включают компьютерную томографию, магнитно-резонансную томографию, оптическую когерентную томографию, спектроскопию и ультразвук, и это лишь некоторые из них.Эти технологии находятся на пересечении физических наук, математики, информатики и инженерии.
Columbia Engineering является домом для многих лабораторий визуализации и зондирования, некоторые из которых сотрудничают с лабораториями Медицинского центра Колумбийского университета. Наши исследователи используют биомедицинскую визуализацию и зондирование для изучения всего, от разработки систем искусственного зрения до биомеханики костей.Иногда они работают в партнерстве с технологическими компаниями над разработкой новых методов визуализации и зондирования. В постоянной обратной связи преподаватели и исследователи стремятся к технологическому прогрессу, чтобы удовлетворить неудовлетворенные научные и клинические потребности; затем новые технологии открывают им глаза на дальнейшие вопросы для изучения.
Разработка оптических инструментов для хирургического руководстваВ начале своей исследовательской карьеры Кристин Хендон увлеклась биомедицинской оптикой; она была заинтригована этой медицинской технологией, которая не полагалась на радиацию. Сегодня ее главная цель — разработать оптические инструменты для хирургического руководства.«Мы хотим разработать оптические инструменты, которые дадут хирургу четкое представление о ткани», — говорит Хендон, доцент кафедры электротехники.
Ее методы в основном используют спектроскопию в ближнем инфракрасном диапазоне и оптическую когерентную томографию (ОКТ), получившую название «оптический ультразвук».Так называемая оптическая биопсия будет предлагать гораздо более высокое разрешение, чем существующие суррогаты биопсии, такие как МРТ, ПЭТ-томография и УЗИ. Потенциальное преимущество ОКТ заключается в том, что хирург сможет получить изображение широкой области ткани и, в отличие от инвазивной биопсии, удалить как можно меньше ткани.В настоящее время основное применение исследований Хендона сосредоточено на ОКТ при лечении сердечных аритмий или нерегулярных сердечных ритмов.
Обычным лечением является абляция, при которой хирург использует катетер для обнаружения аномальных электрических сигналов, а затем применяет радиочастотную энергию для удаления рубцовой ткани в области сбоя.Хендон также использует спектроскопию для предоставления информации в режиме реального времени во время операции.
Особенно важна глубина поражения — области удаленной или мертвой ткани. «Часто, — говорит Хендон, — пациенты, у которых выполняется абляция, возвращаются для второй процедуры. Мы надеемся, что использование спектроскопии сократит как время процедуры, так и количество повторных процедур».В конце июля Хендон провел первое испытание спектроскопического катетера in vivo на модели животных.Группа Хендона создает атлас ОКТ-изображений сердца.
На данный момент атлас включает 25 человеческих сердец, по 15 томов (600 изображений в каждом) для каждого сердца. Со временем атлас будет использоваться для обучения кардиологов.Предстоящий проект посвящен использованию оптических инструментов при раке груди.
Хендон работает с хирургом груди Шелдоном Фельдманом и патологом Ханиной Хибшош из Медицинского центра Колумбийского университета, чтобы определить опухоли, локализованные в протоке. В конце концов, они будут отображать поражения с течением времени, чтобы определить, какие из них могут прогрессировать до рака.Хендон также сотрудничает с коллегой, профессором инженерного факультета Колумбийского университета Кристин Майерс по использованию изображений для оценки механических свойств шейки матки в отношении преждевременных родов.Хендон стремится поощрять образование в области STEM среди молодежи.
В Колумбии она посещает кампус учащихся средних школ, которые уезжают с ОКТ-изображениями своих пальцев. «Дети средней школы великолепны», — сказала она. «Они не стесняются задавать вопросы».Анализ изображений как для диагностики, так и для дизайна леченияВ середине 1980-х Эндрю Лэйн был аспирантом Вашингтонского университета в Сент-Луисе и отличным хакером.
В то время три основных производителя медицинского оборудования для визуализации использовали разные зашифрованные (проприетарные) коды для сканирования с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ) груди. По совету своего советника Лайн взломал коды, чтобы данные с различных машин можно было интегрировать, а изображения сравнивать и изучать. «Позже, — говорит он, — федеральное правительство приказало производителям изображений принять общий стандарт, чтобы изображения могли быть переданы в больницы VA».
Результатом стало создание цифровых изображений и коммуникаций в медицине (DICOM).Международная политика сыграла роль в определении следующего шага Лайна. После распада Советского Союза у армии США был профицит оборонного бюджета, в том числе 20 миллионов долларов на медицинские исследования женских болезней. Лайне предложил метод улучшения маммографии, чтобы решить проблему видимых поражений, которые не учитываются при скрининге.
Его технология была признана самой многообещающей в программе, и он получил грант в размере 2 миллионов долларов на маммографические исследования.Лайне, заведующий кафедрой биомедицинской инженерии, с совместным назначением в радиологии в Медицинском центре Колумбийского университета (CUMC), был первым, кто применил методы многомасштабных «вейвлет-представлений» для улучшения тонких деталей на маммограммах, чтобы они не искажались. пропущенный. Это не только позволило получить более качественные изображения, но и снизило количество излучения, необходимого для экранирования.
Сегодня основной алгоритм, разработанный им в 1992 году, используется почти во всех коммерческих цифровых маммографических системах по всему миру.Используя ультразвуковой преобразователь с фазированной решеткой, Лайн также был первым, кто рассчитал сердечную деформацию, которая может быть предвестником сердечного приступа, в режиме реального времени с помощью ультразвукового исследования 4D (3D плюс время).
С помощью 4D-визуализации можно также обнаружить аномальное движение стенки мертвой ткани миокарда в результате сердечного приступа, который уже произошел.«Укрепление отношений между академическим сообществом и промышленностью, — говорит Лайн, — это самый быстрый способ привнести технические достижения в области визуализации в клиническую практику и улучшить уход за пациентами».
Лайн возглавил партнерство между Columbia и General Electric (GE) по развитию трансляционных исследований. Это позволяет биомедицинским инженерам, клиницистам и GE совместно решать неудовлетворенные клинические потребности, которые могут выиграть от достижений в технологии МРТ и других методов визуализации.Лайне также применяет вейвлет-метод, который он разработал для маммографии, при эмфиземе легких, форме хронической обструктивной болезни легких (ХОБЛ).
Обычные методы компьютерной томографии (КТ) подразделяют болезнь пациента на один из трех подтипов. В сотрудничестве с Грэмом Барром, доктором медицины (CUMC), лаборатория Лайна помогает выявить основные стадии заболевания ХОБЛ, увеличивая количество визуализирующих фенотипов, используемых в качестве биомаркеров.Используя трехмерную визуализацию данных КТ и десятки тысяч компьютерных томограмм легких, а также отслеживая тысячи пациентов в течение десятилетия, Лайне обнаружил более богатый набор из 60-80 подтипов эмфизематической ткани.
Лайне также работает с профессорами Джорджем Хрипчаком и Ларри Шварцем в CUMC. Их исследования позволят клиницистам изучать историю болезни пациента, используя как текст (электронная медицинская карта), так и аннотированные результаты, полученные из медицинских изображений.
Это сотрудничество добавляет новое измерение в визуализацию информатики, включая радиомику (извлечение и анализ количественных характеристик изображений), в точную медицину, расширяя нашу способность понимать процессы болезни, создавать новые методы лечения и лучше прогнозировать исход болезни.