Джошуа Бродер использовал трубку Wii, чтобы ударить по мячу для пинг-понга взад и вперед, когда возникла идея. Врач скорой помощи в медицинском центре Университета Дьюка, он использует ультразвук, чтобы понять, что происходит внутри тела пациента, и лечить раны и болезни. Но картина, которую он получает, хотя и достаточно быстрая, чтобы работать в режиме реального времени, является двухмерной и ее трудно анализировать.
«Контроллер в моей руке действительно недорогая вещь», - подумал он. «Почему дорогие медицинские устройства не используют такие недорогие технологии?»
С некоторой помощью инженеров из Duke и Stanford Broder 3D напечатал корпус для ультразвуковой палочки, предназначенной для размещения акселерометров и гироскопов, аналогичных тем, которые можно найти в телефонах или Wiimotes. Эти небольшие устройства, которые стали повсеместными и дешевыми благодаря революции смартфонов, совместно определяют угол, положение и ориентацию вашего телефона, поэтому вы можете играть в игры, держать экран в вертикальном положении и использовать жесты. Прикрепленные к палочке ультразвука, которая излучает и принимает ультразвук, как радар, те же датчики отслеживают его точное положение. Затем, когда изображения сняты, программное обеспечение использует эту информацию, чтобы сшить их все вместе в трехмерный файл. Вывод, хотя он и не приближается к качеству изображения МРТ или КТ, гораздо легче понять, чем двухмерное ультразвуковое изображение, которое может выглядеть зернистым и запутанным.
Ультразвуковые аппараты, на которых строится Бродер, отличаются от тех, которые врачи используют для изображения нерожденных плодов. В то время как эти машины размером с тележку предоставляют трехмерные изображения, они стоят сотни тысяч долларов и не очень портативны. То, что описывает Бродер, - это небольшая 3D-печатная насадка для двухмерного ультразвукового аппарата размером с ноутбук за 25 000 долларов.
Ультразвук в местах оказания медицинской помощи, при котором врачи используют ультразвук во время медицинского осмотра для информирования о дальнейшем уходе, становится все более распространенным явлением - рынок, на который P & S Market Research ожидает рост до 7 процентов в год до 2025 года, но по-прежнему остается недостаточно используемым ресурсом. говорит Крис Фокс, директор УЗИ в Калифорнийском университете в Ирвине. Он учит врачей ультразвуковым методикам по самым разным специальностям, от отделения неотложной помощи до медицины внутренних болезней, как захватывать и читать ультразвуковые изображения. «Качество медицинской помощи просто улучшается, когда вы можете посмотреть через кожу пациента на органы, которые вас беспокоят, прямо в момент оказания медицинской помощи, и вам не нужно ждать, пока не будет проведен еще один тест», - говорит Фокс.
Ультразвуковое исследование брюшной полости может сказать врачу, испытывает ли пациент, например, непроходимость кишечника, желчный камень или заблокированную почку. Одышка может быть отнесена к пневмонии, жидкости в груди или жидкости вокруг сердца. Таким образом, врачи могут использовать ультразвук, чтобы определить, нужно ли отправлять пациента для дальнейшей визуализации или нет. И они часто используют ультразвук, чтобы направлять размещение иглы в лапароскопической хирургии и других процедурах, которые требуют точного размещения инструментов, потому что он может показать в реальном времени изображение иглы, попадающей в ткань.
Но вот где 2D ультразвук становится сложнее; Вы не можете видеть большую часть ткани, и трудно различить сосудистую сеть, нервы, мышцы и кости. «Все, что мы видим, - это срез, и мы должны прямо сейчас решить, будем ли мы смотреть на это в продольной плоскости или в поперечной плоскости? Это сбивает с толку обязательство совершать полеты на одном из этих двух самолетов », - говорит Фокс. Поперечный вид показывает, как игла приближается к наблюдателю, а продольный вид показывает, как игла входит сбоку, но в этих двухмерных плоскостях очень трудно определить глубину и, следовательно, правильно ли расположена игла. «Трехмерный ультразвук гораздо проще интерпретировать, так что он действительно устранит этот уровень незащищенности, я думаю, что многие врачи испытывают это, когда речь идет о попытке изучить ультразвук».
Проще говоря, 2D ультразвук трудно использовать. «Людям, которые никогда раньше не делали УЗИ, трудно научиться фотографировать и интерпретировать их», - говорит Бродер. «Мы хотим, чтобы это была такая интуитивно понятная технология, чтобы многие разные медицинские работники могли использовать ее немедленно, практически без обучения».
Выступая на исследовательском форуме Американской коллегии врачей-экстренцев, Бродер описал то, что он видит в качестве основной функции технологии: визуализация мозга у маленьких детей. У детей в возрасте до двух лет мягкие черепа, и УЗИ может видеть прямо и помогает диагностировать гидроцефалию, где спинномозговая жидкость вызывает давление в мозге. Он использовал это, чтобы сделать запись мозга 7-месячного ребенка, в то время как ребенок мирно сидел на коленях своей матери. Это не требовало облучения, как компьютерная томография, и ребенок не должен был быть неподвижным или успокоенным, как МРТ. Они просто потянули палочку по голове мальчика, рисуя движения. Через десять секунд это было сделано.
Программное обеспечение с открытым исходным кодом под названием 3D Slicer отображает результат на экране с тремя осями и ползунком, который позволяет врачам открывать изображение и просматривать поперечное сечение. Технически это набор 2D-изображений (до 1000 из них), расположенных рядом друг с другом, но программное обеспечение также может оценить объем функций в них, что особенно полезно при диагностике опухолей.
«Это просто гораздо более динамичный набор данных, чем при съемке неподвижных изображений», - говорит Бродер. «Подумайте об аналогии фотографии на вашей камере. После того, как вы сделали снимок, вы можете поиграть с ним, но если вам не понравился угол, с которого вы сделали снимок, вы не сможете это исправить… когда у вас есть трехмерный набор данных, вы у меня есть большой контроль над тем, какие вопросы вы хотите задать и как вы на них отвечаете ».
Даже более дорогие ультразвуковые аппараты не обеспечивают точности компьютерной томографии или МРТ, и при этом они не могут получить изображение всего тела, но это не главное, говорит Бродер. «Мы хотим привести стоимость в соответствие», - говорит он. «Мы страдаем в западной медицине, делая много вещей, возможно, с большей степенью точности или точности, чем нам нужно, и это приводит к высокой стоимости. Поэтому мы хотим именно то, что нужно пациенту - обеспечить уровень детализации, необходимый для наилучшего ухода ».
По мере роста использования ультразвука в медицинских учреждениях команда Бродера не единственная, кто пытается улучшить машины. Clear Guide ONE, созданная врачами из Johns Hopkins, также использует насадку для палочек, но использует визуальную систему для отслеживания введения иглы, хотя она ограничена этим применением. И, хотя он предлагает только двухмерный ультразвук, устройство под названием Clarius подключается к смартфону по беспроводной связи, чтобы обойти компьютер в целом и снизить цену ниже 10 000 долларов.
Небольшой размер и низкая стоимость устройства Бродера делают его полезным в районах по всему земному шару, где невозможно или экономически эффективно использовать большие машины. GE согласилась, наградив Бродера в размере 200 000 долларов США в рамках первого конкурса ультразвуковых исследований Point of Care. В настоящее время устройство проходит клинические испытания, и Бродер и его сотрудники имеют международный патент на него. В будущем Бродер представляет себе сопряжение устройства с ЭКГ, чтобы получать изображения сердцебиения в реальном времени. Если данные из ЭКГ сопоставляются с отдельными изображениями, полученными с помощью ультразвука, вы можете отсортировать изображения по времени их появления в сердечном цикле. Это «четырехмерное» изображение может дать более качественные изображения сердца, поскольку оно компенсирует движение самого сердца, а также дыхание.
«Мы можем сделать то же самое, что и дорогие 3D-машины, но с гораздо меньшими затратами», - говорит Бродер. «Мы как раз в это невероятное время, когда компьютерные технологии действительно облегчили то, что мы сделали».
