Forskere fremmer bedre billeddannelsesværktøj til at studere sygdom

USC-forskere har udviklet et nyt værktøj til at kigge dybere og tydeligere ind i levende ting, en visuel fordel, der sparer tid og hjælper med at fremme medicinske kure.

Det er den slags grundlæggende videnskab, der kan bruges til at udvikle bedre diagnostik og behandlinger, herunder påvisning af lungekræft eller skade fra forurenende stoffer. Teknologien er alsidig nok til at kunne blive en smartphone-app til brug i fjernmedicin, opdagelse af fødevaresikkerhed eller falsk valuta, sagde Francesco Cutrale, hovedforfatter af undersøgelsen og forskningsassistent i biomedicinsk ingeniørvidenskab ved USC Viterbi School of Engineering.

Forskere tilknyttet USC Michelson Center for Convergent Bioscience har arbejdet på teknologien i de sidste par år. Deres resultater er offentliggjort i dag i Naturkommunikation .

Teknikken fokuserer, bogstaveligt talt, om biologiens byggesten. Når biologer ser dybt ind i en levende ting - en celle, en fisk, en person – det er ikke altid klart, hvad der foregår. Celler og proteiner er dybt sammenflettet på tværs af væv, efterlader en masse spørgsmål om samspillet mellem komponenter. Det første skridt til at helbrede sygdom er at se problemet klart, og det har ikke altid været nemt.

Hvordan denne nye billedbehandlingsteknik virker

For at løse problemet, forskere har været afhængige af en teknik kaldet fluorescens hyperspektral billeddannelse (fHSI). Det er en metode, der kan differentiere farver på tværs af et spektrum, tag molekyler, så de kan følges, og producere levende farvede billeder af en organismes indre.

Men de fordele, som fHSI tilbyder, kommer med begrænsninger. Det afslører ikke nødvendigvis fuldfarvespektret. Det kræver en masse data, på grund af kompleksiteten af ​​biologiske systemer, så det tager lang tid at samle og behandle billederne. Mange tidskrævende beregninger er også involveret, hvilket er en stor ulempe, fordi eksperimenter fungerer bedre, når de kan udføres i realtid.

For at løse disse problemer, USC-forskerne udviklede en ny metode kaldet spektralt kodede forstærkede repræsentationer (SEER). Det giver større klarhed og virker op til 67 gange hurtigere og med 2,7 gange større definition end nuværende teknikker.

Den er afhængig af matematiske beregninger for at analysere data hurtigere. Det kan behandle levende fluorescerende tags på tværs af hele spektret af farver for flere detaljer. Og det bruger meget mindre computerhukommelse, endnu vigtigere med eksplosionen af ​​big data-forskning bag moderne konvergent biovidenskabsforskning. Ifølge undersøgelsen SEER er en "hurtig, intuitiv og matematisk måde at fortolke billeder på, efterhånden som de indsamles og behandles.

"Der er en række scenarier, hvor denne efterfølgende analyse, mens magtfulde, ville være for sent i eksperimentel eller medicinsk beslutningstagning, " sagde Cutrale. "Der er en kløft mellem erhvervelse og analyse af de hyperspektrale data, hvor videnskabsmænd og læger er uvidende om oplysningerne i forsøget. SEER er designet til at udfylde dette hul."

Fra opdagelse af lungekræft til potentiel mobilapp

SEERs første ansøgning vil være inden for det medicinske og forskningsmæssige område. Den alsidige algoritme, først forfattet af Wen Shi og Daniel Koo ved Translational Imaging Center i USC, vil blive brugt til at opdage tidlige stadier af lungesygdomme og potentielle skader fra forurenende stoffer hos patienter i et samarbejde med læger på Children's Hospital Los Angeles. Også, forskere inden for biovidenskab er begyndt at anvende SEER i deres eksperimentelle pipelines i et forsøg på at forbedre effektiviteten yderligere.

Forbedringer i billedteknologier kan også nå forbrugerniveau, så det er sandsynligt, at teknologier som fHSI og SEER kunne installeres på mobiltelefoner for at levere kraftfulde visualiseringsværktøjer.

Michelson Center samler et mangfoldigt netværk af førende videnskabsmænd og ingeniører fra USC Dornsife College of Letters, Kunst og Videnskab, USC Viterbi School of Engineering og Keck School of Medicine i USC under ét tag, takket være en generøs gave på 50 millioner dollars fra ortopædisk rygkirurg, opfinderen og filantropen Gary K. Michelson og hans kone, Alya Michelson.