Joshua Broder używał słuchawki Wii, aby uderzyć piłkę do ping-ponga tam iz powrotem, gdy pomysł się pojawił. Lekarz pogotowia w Duke University Medical Center, używa ultradźwięków, aby zrozumieć, co dzieje się w ciele pacjenta oraz leczyć rany i choroby. Ale obraz, który dostaje, choć wystarczająco szybki, aby działać w czasie rzeczywistym, jest dwuwymiarowy i trudny do przeanalizowania.
„Kontroler w mojej dłoni jest naprawdę tani” - pomyślał. „Dlaczego drogie urządzenia medyczne nie wykorzystują tego rodzaju tanich technologii?”
Dzięki pewnej pomocy inżynierów z Duke i Stanford, Broder 3D wydrukował ciało dla różdżki ultradźwiękowej, która ma pomieścić akcelerometry i żyroskopy podobne do tych znalezionych w telefonach lub Wiimotach. Te małe urządzenia, które stały się wszechobecne i tanie dzięki rewolucji smartfonów, współpracują ze sobą, aby określić kąt, pozycję i orientację telefonu, dzięki czemu możesz grać w gry, utrzymywać ekran w pozycji pionowej i wykonywać gesty. Te same czujniki przymocowane do różdżki ultradźwięku, która emituje i odbiera ultradźwięki jak radar, śledzą jego dokładne położenie. Następnie, podczas robienia zdjęć, oprogramowanie wykorzystuje te informacje, aby połączyć je wszystkie w trójwymiarowy plik. Dane wyjściowe, choć nie zbliżają się do jakości obrazu MRI lub CT, są znacznie łatwiejsze do zrozumienia niż obraz ultrasonograficzny 2D, który może wydawać się ziarnisty i mylący.
Maszyny ultrasonograficzne, na których buduje Broder, różnią się od tych, które lekarze używają do wyobrażania nienarodzonych płodów. Chociaż te maszyny wielkości wózków zapewniają obrazy 3D, kosztują setki tysięcy dolarów i nie są wyjątkowo przenośne. Broder opisuje małe, wydrukowane w 3D narzędzie do ultrasonografu 2D o wielkości 25 000 USD.
USG w miejscu opieki, w którym lekarze używają ultradźwięków podczas badania fizykalnego w celu uzyskania dalszych informacji, staje się coraz bardziej powszechne - rynek, na którym P&S Market Research spodziewa się wzrostu o 7 procent rocznie do 2025 r. - ale nadal pozostaje niewykorzystanym zasobem, mówi Chris Fox, dyrektor USG instruktażowego na University of California-Irvine. Uczy technik ultrasonograficznych lekarzy z różnych specjalizacji, od izby przyjęć po medycynę wewnętrzną, jak robić i czytać zdjęcia ultrasonograficzne. „Jakość opieki po prostu poprawia się, gdy można spojrzeć przez skórę pacjenta na organy, o które się martwisz, dokładnie tam, gdzie jest opieka, i nie trzeba czekać na kolejny test”, mówi Fox.
Widok ultradźwięków na brzuch może powiedzieć lekarzowi, czy pacjent ma na przykład niedrożność jelit, kamień żółciowy lub zablokowaną nerkę. Duszność można przypisać zapaleniu płuc, płynowi w klatce piersiowej lub płynowi wokół serca. W ten sposób lekarze mogą użyć ultradźwięków, aby ustalić, czy pacjent musi zostać wysłany do dalszego obrazowania, czy nie. Często używają ultradźwięków, aby pokierować umieszczeniem igły w chirurgii laparoskopowej i innych zabiegach wymagających precyzyjnego umieszczenia narzędzi, ponieważ może ona pokazywać w czasie rzeczywistym obraz igły wprowadzanej do tkanki.
Ale właśnie tam ultradźwięki 2D stają się trudne; nie widać dużo tkanki i trudno jest odróżnić układ naczyniowy, nerwy, mięśnie i kość. „Widzimy tylko wycinek i musimy teraz zdecydować, czy spojrzymy na to w płaszczyźnie wzdłużnej, czy w płaszczyźnie poprzecznej? To mylące, że trzeba zobowiązać się do jednego z tych dwóch samolotów ”- mówi Fox. Widok poprzeczny pokazuje igłę zbliżającą się do widza, a widok wzdłużny pokazuje igłę wchodzącą z boku, ale w tych dwuwymiarowych płaszczyznach bardzo trudno jest określić głębokość, a zatem czy igła jest prawidłowo ustawiona. „Trójwymiarowe ultradźwięki są o wiele łatwiejsze do interpretacji, że naprawdę usunęłyby tę warstwę niepewności, jak sądzę wielu lekarzy, jeśli chodzi o naukę ultradźwięków”.
Mówiąc prościej, ultradźwięki 2D są trudne w użyciu. „Ludziom, którzy nigdy wcześniej nie wykonywali USG, trudno jest nauczyć się robić zdjęcia i interpretować je” - mówi Broder. „Chcemy, aby była to tak intuicyjna technologia, aby wielu różnych pracowników medycznych mogło z niej korzystać natychmiast, prawie bez przeszkolenia”.
Prezentując na forum badawczym American College of Emergency Physicians, Broder opisał to, co uważa za podstawową funkcję tej technologii: obrazowanie mózgu u małych dzieci. Dzieci poniżej dwóch lat mają miękkie czaszki, a ultradźwięki widzą od razu i pomagają zdiagnozować wodogłowie, w którym płyn mózgowo-rdzeniowy powoduje ciśnienie w mózgu. Użył go do zarejestrowania obrazu mózgu 7-miesięcznego dziecka, podczas gdy dziecko siedziało spokojnie na kolanach matki. Nie wymagało promieniowania, jak badanie CT, a dziecko nie musiało być nieruchome ani uspokojone, jak MRI. Po prostu narysowali różdżkę na głowie chłopca, malując ruchem. Po dziesięciu sekundach zostało to zrobione.
Oprogramowanie typu open source o nazwie 3D Slicer wyświetla wynik na ekranie za pomocą trzech osi i suwaka, który pozwala lekarzom otworzyć obraz i wyświetlić przekrój. Technicznie jest to stos obrazów 2D - do 1000 z nich - ułożonych obok siebie, ale oprogramowanie może również oszacować objętość zawartych w nich funkcji, co jest szczególnie przydatne w diagnozowaniu nowotworów.
„Jest to po prostu dużo bardziej dynamiczny zestaw danych niż podczas robienia zdjęcia” - mówi Broder. „Pomyśl o analogii zdjęcia w twoim aparacie. Po zrobieniu zdjęcia możesz się nim pobawić, ale jeśli nie podobał Ci się kąt, z którego zrobiłeś zdjęcie, nie możesz go naprawić… kiedy masz trójwymiarowy zestaw danych, naprawdę mają dużą kontrolę nad tym, jakie pytania chcesz zadać i jak na nie odpowiadać. ”
Nawet droższe aparaty ultrasonograficzne nie oferują dokładności obrazowania CT lub MRI, ani nie mogą obrazować całego ciała, ale nie o to chodzi, mówi Broder. „Chcemy zrównoważyć koszty” - mówi. „Cierpimy w zachodniej medycynie, ponieważ robimy wiele rzeczy, być może z większą dokładnością lub precyzją niż potrzebujemy, a to podnosi koszty. Chcemy więc dokładnie tego, czego potrzebuje pacjent - zapewnić poziom szczegółowości wymagany do najlepszej opieki ”.
W związku z gwałtownym wzrostem zużycia ultradźwięków zespół Brodera nie jest jedynym, który próbuje ulepszyć maszyny. Clear Guide ONE, zbudowany przez lekarzy z Johns Hopkins, również używa nasadki różdżki, ale wykorzystuje system wizualny do śledzenia wprowadzania igły, chociaż jest ograniczony do tej aplikacji. I choć oferuje tylko dwuwymiarowe ultradźwięki, urządzenie o nazwie Clarius łączy się bezprzewodowo ze smartfonem, aby całkowicie ominąć komputer i obniżyć cenę poniżej 10 000 USD.
Niewielki rozmiar i niski koszt urządzenia Brodera sprawiają, że jest on użyteczny w obszarach na całym świecie, gdzie niemożliwe jest lub nie jest opłacalne korzystanie z większych maszyn. GE zgodziło się, przyznając Broderowi 200 000 USD w inauguracyjnym konkursie badania ultrasonograficznego Point of Care. W tej chwili urządzenie przechodzi obecnie badania kliniczne, a Broder i jego współpracownicy posiadają na niego międzynarodowy patent. W przyszłości Broder wyobraża sobie sparowanie urządzenia z EKG, aby uzyskać obraz bicia serca w czasie rzeczywistym. Jeśli dane z EKG są dopasowane do pojedynczych zdjęć wykonanych przez ultradźwięki, możesz sortować zdjęcia na podstawie tego, kiedy wystąpiły one w cyklu serca. Obrazowanie „4D” może dać lepsze zdjęcia serca, ponieważ kompensuje ruch samego serca, a także oddychanie.
„Możemy zrobić wiele takich samych rzeczy, jak drogie maszyny 3D, ale przy znacznie niższych kosztach”, mówi Broder. „Jesteśmy właśnie w tym niesamowitym momencie, w którym technologie komputerowe naprawdę ułatwiły to, co zrobiliśmy.”
