Wetenschappers creëren gevoelige antenne om de bloedstroom in kleine haarvaten te monitoren

Antennes zijn niet alleen nodig om televisiebeelden door te geven, maar ook om de bloedstroom door bloedvaten te monitoren. Russische wetenschappers van het Nizjni Novgorod Instituut voor Toegepaste Fysica van de Russische Academie van Wetenschappen hebben een nieuwe bolvormige antenne ontwikkeld waarmee de bloedstroom in bloedvaten – van grote slagaders tot de kleinste haarvaten – met een hoge ruimtelijke en temporele resolutie kan worden geobserveerd.

Het bestuderen van de bloedstroom door vaten van verschillende grootten, vooral in de kleinste haarvaten, is erg belangrijk voor de vroege diagnose en behandeling van cardiovasculaire, oncologische en neurodegeneratieve ziekten.

Bestaande beeldvormende methoden, zoals echografie, CT en MRI, bieden echter niet de vereiste diagnostische kwaliteit. Sommige bieden bijvoorbeeld niet de vereiste ruimtelijke en temporele resolutie. Andere methoden vereisen volgens wetenschappers een invasieve ingreep, bijvoorbeeld angiografie - een röntgenonderzoek van bloedvaten waarbij een contrastmiddel in het vaatstelsel wordt geïnjecteerd om deze zichtbaar te maken.

Volgens wetenschappers hebben artsen te maken met bijzondere moeilijkheden wanneer het nodig is

gelijktijdige observatie van grote vaten en microcapillairen in realtime, zonder de weefselfysiologie te verstoren.

Het doel van natuurkundigen van het IAP RAS en hun collega's uit Zwitserland, China, Spanje en Duitsland was om een manier te vinden om het vaatstelsel te visualiseren zonder in te grijpen in het lichaam en met maximale details.

Het is bekend dat optoakoestische tomografie (OAT) een hoge resolutie biedt, vergelijkbaar met optische methoden, maar met een grotere penetratie in weefsels. Dit is een medische beeldvormingsmethode die optische en ultrageluidstechnologie combineert. De procedure omvat het bestralen van het weefsel met korte laserpulsen, die thermische uitzetting veroorzaken en ultrageluidsgolven creëren. Deze golven worden gedetecteerd door speciale antennes en op basis daarvan worden beelden gemaakt: echte "films" van de bloedstroom in het lichaam in realtime.

Door gebruik te maken van verschillende optische golflengten zou deze aanpak kunnen worden gebruikt om videobeelden van de bloedstroom in kleine bloedvaten te verkrijgen, evenals functionele informatie, zoals de zuurstofsaturatie van weefsel. Tot voor kort werd dit echter belemmerd door de beperkte gevoeligheid en het beperkte frequentiebereik van de ontvangstantennes.

Volgens MK, gerapporteerd door de Russische Wetenschapsstichting, zijn wetenschappers erin geslaagd deze barrière te overwinnen door 's werelds eerste multi-element, zeer gevoelige breedbandantenne te ontwikkelen op basis van een piëzo-elektrisch polymeer: polyvinylideenfluoride (PVDF). Vergeleken met traditionele piëzokeramische materialen is de gevoeligheid voor optoakoestische signalen meer dan vertienvoudigd.

De auteurs creëerden een bol van de dunste PVDF-film, waarop ze 512 piëzo-elektrische elementen (omzetters van elektrische energie in mechanische energie) vormden met een oppervlakte van minder dan 1 vierkante millimeter per stuk. Dit is nu een wereldrecord voor de pakkingsdichtheid van ultrasone antennes.

Experimenten met menselijk weefsel toonden aan dat de technologie ons voor het eerst in staat stelde om bloedvaten tegelijkertijd te zien, van grote bloedvaten tot wel 10 millimeter in diameter, tot de kleinste haarvaten, vergelijkbaar met de grootte van één rode bloedcel (ongeveer 10 micrometer)! Wetenschappers slaagden er ook in om 's werelds eerste transcraniële (door de schedel heen) visualisatie van de hersenen van muizen te laten zien met een hoge resolutie, zonder invasieve ingrepen.

Volgens Pavel Subochev, hoofd van het laboratorium voor echografie en optisch-akoestische diagnostiek van het IAP RAS, opent deze technologie nieuwe mogelijkheden, niet alleen voor de praktische geneeskunde, maar ook voor de fundamentele biologische wetenschap. "Nu kunnen we de zuurstofvoorziening en microcirculatie tot in het kleinste detail observeren en tot nu toe onbekende patronen ontdekken", aldus de wetenschapper. In de toekomst zijn de onderzoekers van plan de toepassingsmogelijkheden van deze OAT-technologie uit te breiden om de mechanismen van neurodegeneratieve processen in de hersenen te bestuderen.

Zoals onafhankelijke experts ons vertelden, is dit werk natuurlijk niet van het niveau van een "Nobelprijs", maar het wordt door professionals gezien als een baanbrekende ontwikkeling van zeer hoge kwaliteit. De auteurs hebben de methode van optoakoestische tomografie aanzienlijk verbeterd door een nieuw lensontwerp voor te stellen, waarbij de traditionele piëzo-elektrische lens wordt vervangen door een polymeer. "Er is een unieke methode geïmplementeerd om een film op een halve bol, een lens, te lijmen – dit is nog nooit eerder in de wereld gedaan", zeggen de professionals. "Een sterk resultaat." De nadelen van de technologie, zo merken ze op, zijn de complexiteit van de productie van 512-kanaals elektronica, wat de klinische implementatie kan compliceren, en het feit dat de films voor de antenne in het buitenland moeten worden gekocht; er zijn er nog geen in Rusland.