Lys og lyd måler temperaturen på dybe væv

Det er normalt ret enkelt at måle feber:Placer et termometer under patientens tunge og få en nøjagtig temperaturaflæsning inden for 30 sekunder. Men denne enkelhed oversætter ikke, når det kommer til måling af temperaturerne i bestemte væv dybt inde i kroppen.

Biomedicinske ingeniører ved Duke University har demonstreret, hvordan fotoakustisk billeddannelse kan tage temperaturen på dybt væv hurtigere og mere præcist end nuværende teknikker. Denne opdagelse forventes at spille en vigtig rolle i udviklingen af ​​termisk baserede terapier til behandling af kræft. Forskningen vises 12. februar i tidsskriftet Optica .

Sporing af temperaturen i indre væv er afgørende for mange biomedicinske undersøgelser og termiske behandlinger af kræft, ofte påvirker behandlingens effektivitet eller bivirkninger.

"Hvis vi bruger MR eller ultralyd, vi ser på relativ temperatur og opererer under den antagelse, at patienten har en baseline temperatur på 98 grader Fahrenheit, hvilket ikke altid er tilfældet, "sagde Junjie Yao, adjunkt i biomedicinsk teknik ved Duke. "Vi fandt en måde at måle absolut temperatur ved at bruge fotoakustisk billeddannelse til at undersøge vævets termiske hukommelse."

Som navnet antyder, fotoakustisk billeddannelse giver forskere mulighed for at kombinere lysets og lydens egenskaber. Denne teknik gør det muligt for forskere at konvertere lys, der stråles gennem væv, til ultralydsbølger, der derefter kan analyseres for at skabe billeder i høj opløsning.

"Det komprimerer dybest set et sekund af sommer-middag sollys over et negleområde på et enkelt nanosekund, "sagde Yao, der har arbejdet med teknologien i næsten et årti. "Når laseren rammer en celle, energien får den til at varme en lille smule op og ekspandere øjeblikkeligt, skaber en ultralydsbølge. Det er analogt med at slå en klokke for at få den til at ringe. "

Ifølge Yao, forskere har ønsket at bruge fotoakustisk billeddannelse til at måle temperatur i lang tid, men de har konsekvent oplevet tekniske vejspærringer.

"Konverteringseffektiviteten mellem lys og lyd er temperaturafhængig, så vi ved, at det er muligt at måle temperaturen ved at lytte til lydbølger genereret af lys, "Sagde Yao." Dog, vi har ikke tidligere været i stand til at måle absolut temperatur, fordi selve processen har brug for at vide, hvor mange fotoner der når vævet, hvilket er teknisk udfordrende. "

For at komme uden om disse manglende oplysninger, Yao arbejder med Pei Zhong, en professor i afdelingen for maskinteknik og materialevidenskab, der har genereret dybvævsopvarmning ved hjælp af højintensivt fokuseret ultralyd (HIFU). Deres team udtænkte en ny tilgang ved navn termisk-energi-hukommelsesbaseret fotoakustisk termometri, eller TEMPT, som bruger fotoakustisk billeddannelse til at måle vævets "termiske hukommelse".

Med TEMPT, forskere tager en baseline temperaturaflæsning, inden de bombarderer vævet med et udbrud af nanosekundlange laserpulser. Pulserne øger vævets temperatur midlertidigt, som derefter måles ved hjælp af en anden fotoakustisk puls.

Forskergruppen var i stand til at bruge disse målinger og en matematisk model til at estimere den absolutte temperatur uden at vide, hvor mange fotoner der blev leveret.

Evnen til mere præcist at måle temperaturen af ​​væv dybt i kroppen har vigtige konsekvenser for behandling af kræft med termisk ablation, hvilket indebærer opvarmning af tumorceller ved hjælp af HIFU eller radiobølger, indtil de dør. Selvom termoterapi er en nykommer i kampen mod kræft, forskere er meget begejstrede for denne behandling, fordi den ikke forårsager de alvorlige bivirkninger forbundet med strålebehandling og kemoterapi.

"En af udfordringerne med termoterapi er, at vi skal holde temperaturen i det mest effektive område, "Sagde Yao." Hvis temperaturen er for høj, vi kan beskadige det omgivende væv, og hvis det er for lavt, vi forårsager ikke nok skade på tumoren. TEMPT -teknologien kan integreres i behandlingerne for at finpudse den perfekte temperatur. "

Yao sagde, at forskere er ivrige efter at undersøge det mest præcise temperaturinterval for effektivt at dræbe tumorceller. Ud over det terapeutiske potentiale, Yao og hans samarbejdspartnere undersøger også, hvordan deres arbejde kan anvendes på andre fundamentale forskningsspørgsmål.

"Vi danner allerede nye samarbejder, både med læger og ingeniører, at fortsætte med at fremme denne nye teknologi i laboratoriet og videre, "Yao sagde." Dette er meget spændende, fordi det potentielt kan oversættes til kliniske konsekvenser og gavne kræftpatienter. "