Teknik pemindaian anyar ngasilake gambar kanthi rinci sing bisa ngowahi revolusi sinau babagan anatomi manungsa.
Nalika Paul Taforo ndeleng gambar eksperimen pisanan saka korban cahya COVID-19, dheweke mikir yen gagal.Ahli paleontologi kanthi latihan, Taforo ngenteni pirang-pirang wulan kerja bareng tim ing saindenging Eropa kanggo ngowahi akselerator partikel ing Pegunungan Alpen Prancis dadi alat pemindai medis revolusioner.
Ing pungkasan Mei 2020, lan para ilmuwan kepengin ngerti carane COVID-19 ngrusak organ manungsa.Taforo ditugasake kanggo ngembangake metode sing bisa nggunakake sinar-X daya dhuwur sing diprodhuksi dening European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) ing Grenoble, Prancis.Minangka ilmuwan ESRF, dheweke wis nyurung wates sinar-x resolusi dhuwur saka fosil rock lan mumi garing.Saiki dheweke wedi banget karo handuk kertas sing lembut lan lengket.
Gambar kasebut nuduhake luwih rinci tinimbang pemindaian CT medis sing wis nate dideleng sadurunge, supaya bisa ngatasi kesenjangan sing bandel babagan cara para ilmuwan lan dokter nggambarake lan ngerti organ manungsa."Ing buku teks anatomi, yen sampeyan ndeleng, ukurane gedhe, ukurane cilik, lan gambar sing digambar tangan sing apik kanggo siji alesan: iki minangka interpretasi artistik amarga kita ora duwe gambar," University College London (UCL). ) ngandika..Peneliti Senior Claire Walsh ngandika."Kaping pisanan kita bisa nindakake perkara sing nyata."
Taforo lan Walsh minangka bagéan saka tim internasional luwih saka 30 peneliti sing wis nggawe teknik scanning sinar-X anyar sing disebut Hierarchical Phase Contrast Tomography (HiP-CT).Kanthi, pungkasane bisa pindhah saka organ manungsa sing lengkap menyang tampilan pembuluh getih sing paling cilik ing awak utawa malah sel individu.
Cara iki wis menehi wawasan anyar babagan carane COVID-19 ngrusak lan ngowahi pembuluh getih ing paru-paru.Sanajan prospek jangka panjang kasebut angel ditemtokake amarga ora ana sing kaya HiP-CT sadurunge, peneliti bungah amarga potensial kasebut kanthi antusias mikirake cara anyar kanggo mangerteni penyakit lan peta anatomi manungsa kanthi peta topografi sing luwih akurat.
Ahli jantung UCL Andrew Cooke ujar: "Akeh wong bisa uga kaget amarga kita wis sinau anatomi jantung nganti atusan taun, nanging ora ana konsensus babagan struktur normal jantung, utamane jantung ... Sel otot lan kepiye owah-owahan. nalika jantung deg-degan.”
"Aku wis ngenteni kabeh karirku," ujare.
Teknik HiP-CT diwiwiti nalika loro ahli patologi Jerman bersaing kanggo nglacak efek punitif virus SARS-CoV-2 ing awak manungsa.
Danny Jonigk, ahli patologi thoracic ing Sekolah Kedokteran Hannover, lan Maximilian Ackermann, ahli patologi ing Pusat Kedokteran Universitas Mainz, waspada amarga kabar babagan kasus radhang paru-paru sing ora biasa wiwit nyebar ing China.Loro-lorone duwe pengalaman ngobati penyakit paru-paru lan langsung ngerti manawa COVID-19 ora biasa.Pasangan kasebut prihatin banget babagan laporan "hipoksia bisu" sing nggawe pasien COVID-19 tetep siyaga nanging nyebabake tingkat oksigen getih mudhun.
Ackermann lan Jonig curiga manawa SARS-CoV-2 bisa nyerang pembuluh getih ing paru-paru.Nalika penyakit kasebut nyebar menyang Jerman ing Maret 2020, pasangan kasebut miwiti otopsi marang korban COVID-19.Dheweke langsung nguji hipotesis vaskular kanthi nyuntikake resin menyang conto jaringan lan banjur nglarutake jaringan ing asam, ninggalake model vaskular asli sing akurat.
Nggunakake teknik iki, Ackermann lan Jonigk mbandhingake jaringan saka wong sing ora mati saka COVID-19 karo wong sing tiwas.Dheweke langsung weruh yen ing korban COVID-19, pembuluh getih paling cilik ing paru-paru bengkong lan dibangun maneh.Asil landmark kasebut, sing diterbitake online ing Mei 2020, nuduhake manawa COVID-19 dudu penyakit pernapasan, nanging penyakit pembuluh darah sing bisa mengaruhi organ ing awak.
"Yen sampeyan ngliwati awak lan nyelarasake kabeh pembuluh getih, sampeyan entuk 60.000 nganti 70.000 mil, sing kaping pindho jarak ngubengi khatulistiwa," ujare Ackermann, ahli patologi saka Wuppertal, Jerman..Dheweke nambahake yen mung 1 persen saka pembuluh getih kasebut diserang virus, aliran getih lan kemampuan nyerep oksigen bakal dikompromi, sing bisa nyebabake akibat sing ngrusak kabeh organ.
Sawise Jonigk lan Ackermann ngerti pengaruh COVID-19 ing pembuluh getih, dheweke ngerti yen kudu luwih ngerti babagan karusakan kasebut.
X-ray medis, kayata CT scan, bisa nyedhiyakake tampilan kabeh organ, nanging ora resolusi sing cukup dhuwur.Biopsi ngidini para ilmuwan mriksa conto jaringan ing mikroskop, nanging gambar sing diasilake mung nuduhake bagean cilik saka kabeh organ lan ora bisa nuduhake kepiye COVID-19 berkembang ing paru-paru.Lan teknik resin sing dikembangake tim mbutuhake mbubarake jaringan, sing ngrusak sampel lan mbatesi riset luwih lanjut.
"Ing pungkasan dina, [paru-paru] njaluk oksigen lan karbon dioksida metu, nanging kanggo iku, ana ewonan mil saka pembuluh getih lan kapiler, banget tipis spasi ... iku meh mujijat," Jonigk, pangadeg, ngandika. peneliti utama ing Pusat Riset Paru-paru Jerman."Dadi kepiye carane bisa ngevaluasi barang sing rumit kaya COVID-19 tanpa ngrusak organ?"
Jonigk lan Ackermann mbutuhake sing durung ana sadurunge: seri sinar-x saka organ sing padha sing ngidini para peneliti nggedhekake bagean organ kasebut menyang skala seluler.Ing Maret 2020, duo Jerman ngubungi kolaborator sing wis suwe Peter Lee, ilmuwan bahan lan ketua teknologi sing berkembang ing UCL.Keahlian Lee yaiku nyinaoni bahan biologis nggunakake sinar-X sing kuat, mula pikirane langsung menyang Pegunungan Alpen Prancis.
Pusat Radiasi Synchrotron Eropa dumunung ing tlatah segi telu ing sisih lor-kulon Grenoble, ing ngendi rong kali ketemu.Obyek kasebut minangka akselerator partikel sing ngirim elektron ing orbit bunder setengah mil dawane kanthi meh kacepetan cahya.Nalika elektron iki muter ing bunderan, wesi sembrani kuat ing orbit warp aliran partikel, njalari elektron mancaraken sawetara sinar X paling padhang ing donya.
Radiasi kuat iki ngidini ESRF Spy obyek ing micrometer utawa malah nanometer skala.Asring digunakake kanggo nyinaoni bahan kayata paduan lan komposit, kanggo nyinaoni struktur molekul protein, lan malah kanggo mbangun fosil kuno tanpa misahake watu saka balung.Ackermann, Jonigk lan Lee pengin nggunakake instrumen raksasa kanggo njupuk sinar-x organ manungsa sing paling rinci ing donya.
Ketik Taforo, sing kerjane ing ESRF wis nyurung wates sing bisa dideleng dening pemindaian synchrotron.Trik sing nggumunake sadurunge ngidini para ilmuwan bisa ndeleng ing jero endhog dinosaurus lan meh ngethok mumia sing mbukak, lan meh langsung Taforo ngonfirmasi manawa sinkrotron bisa kanthi teori bisa mindai kabeh lobus paru-paru kanthi apik.Nanging nyatane, mindhai kabeh organ manungsa minangka tantangan gedhe.
Ing tangan siji, ana masalah perbandingan.Sinar-x standar nggawe gambar adhedhasar jumlah radiasi sing beda-beda diserap, kanthi unsur sing luwih abot nyerep luwih akeh tinimbang sing luwih entheng.Jaringan alus biasane digawe saka unsur cahya-karbon, hidrogen, oksigen, lsp.-supaya ora katon kanthi jelas ing x-ray medis klasik.
Salah sawijining perkara sing paling apik babagan ESRF yaiku sinar X-ray banget koheren: cahya lumaku ing gelombang, lan ing kasus ESRF, kabeh sinar X diwiwiti kanthi frekuensi lan keselarasan sing padha, terus-terusan oscillating, kaya jejak kaki sing ditinggalake. dening Reik liwat taman zen.Nanging minangka sinar-X iki liwat obyek, beda subtle ing Kapadhetan bisa nimbulaké saben X-ray nyimpang rada saka dalan, lan prabédan dadi luwih gampang kanggo ndeteksi minangka X-ray pindhah luwih adoh saka obyek.Penyimpangan kasebut bisa mbukak beda-beda kepadatan subtle ing obyek, sanajan ana unsur cahya.
Nanging stabilitas masalah liyane.Kanggo njupuk seri sinar-x sing digedhekake, organ kasebut kudu didandani kanthi bentuk alami supaya ora mlengkung utawa mindhah luwih saka sepersewu milimeter.Kajaba iku, sinar-x saka organ sing padha ora cocog.Nanging, ora perlu dingerteni, awak bisa dadi fleksibel banget.
Lee lan tim ing UCL ngarahake kanggo ngrancang wadhah sing bisa tahan sinar-X synchrotron nalika isih ngidini ombak akeh.Lee uga nangani organisasi sakabèhé proyek-contone, rincian transportasi organ manungsa antarane Jerman lan Prancis-lan nyewo Walsh, sing spesialisasine ing data amba biomedis, kanggo bantuan tokoh metu carane nganalisa scan.Mbalik ing Prancis, karya Taforo kalebu ningkatake prosedur pemindaian lan nemtokake cara nyimpen organ ing wadhah sing dibangun dening tim Lee.
Tafforo ngerti manawa organ kasebut ora bisa rusak, lan gambar dadi cetha, kudu diproses kanthi sawetara bagian saka etanol banyu.Dheweke uga ngerti yen dheweke kudu nyetabilake organ kasebut ing babagan sing cocog karo kapadhetan organ kasebut.Rencanane yaiku kanggo nyelehake organ kasebut ing agar-agar sing sugih etanol, zat kaya jeli sing diekstrak saka rumput laut.
Nanging, setan ana ing rincian - kaya ing umume Eropa, Taforo macet ing omah lan dikunci.Dadi Taforo mindhah riset menyang laboratorium ngarep: Dheweke ngentekake pirang-pirang taun dekorasi pawon ukuran tengah karo printer 3D, peralatan kimia dhasar lan alat sing digunakake kanggo nyiapake balung kewan kanggo riset anatomi.
Taforo nggunakake produk saka toko kelontong lokal kanggo mangerteni carane nggawe agar.Dheweke malah nglumpukake banyu badai saka gendheng sing bubar diresiki kanggo nggawe banyu demineralisasi, bahan standar ing formula agar kelas laboratorium.Kanggo latihan ngemas organ ing agar, dheweke njupuk usus babi saka rumah jagal lokal.
Taforo dibuwang bali menyang ESRF ing pertengahan Mei kanggo tes paru-paru pertama babi.Wiwit Mei nganti Juni, dheweke nyiapake lan mindhai lobus paru-paru kiwa wong lanang umur 54 taun sing tiwas amarga COVID-19, sing dijupuk Ackermann lan Jonig saka Jerman menyang Grenoble.
"Nalika aku ndeleng gambar pisanan, ana surat njaluk ngapura ing email kanggo kabeh sing melu proyek: kita gagal lan aku ora bisa njaluk scan kualitas dhuwur," ngandika."Aku mung ngirim wong loro gambar sing elek kanggo kula nanging apik kanggo wong-wong mau."
Kanggo Lee saka Universitas California, Los Angeles, gambar kasebut nggumunake: gambar kabeh organ padha karo scan CT medis standar, nanging "sejuta kaping luwih informatif."Kaya-kaya penjelajah wis nyinaoni alas ing salawas-lawase, bisa mabur liwat alas nganggo pesawat jet raksasa, utawa lelungan ing dalan.Saiki padha mabur ing ndhuwur kanopi kaya manuk ing swiwine.
Tim kasebut nerbitake katrangan lengkap pertama babagan pendekatan HiP-CT ing Nopember 2021, lan peneliti uga nerbitake rincian babagan kepiye COVID-19 mengaruhi jinis sirkulasi tartamtu ing paru-paru.
Pemindaian kasebut uga entuk manfaat sing ora dikarepake: mbantu para peneliti ngyakinake kanca lan kulawarga supaya divaksinasi.Ing kasus COVID-19 sing abot, akeh pembuluh getih ing paru-paru katon digedhekake lan abuh, lan ing tingkat sing luwih cilik, bundelan pembuluh getih cilik sing ora normal bisa dibentuk.
"Yen sampeyan ndeleng struktur paru-paru saka wong sing tiwas saka COVID, ora katon kaya paru-paru - dadi kekacoan," ujare Tafolo.
Dheweke nambahake, sanajan ing organ sing sehat, pemindaian kasebut nuduhake fitur anatomi subtle sing ora nate direkam amarga ora ana organ manungsa sing wis diteliti kanthi rinci.Kanthi pendanaan luwih saka $1 yuta saka Chan Zuckerberg Initiative (organisasi nirlaba sing diadegake dening CEO Facebook Mark Zuckerberg lan garwane Zuckerberg, dokter Priscilla Chan), tim HiP-CT saiki nggawe apa sing diarani atlas organ manungsa.
Nganti saiki, tim kasebut wis nerbitake scan limang organ - jantung, otak, ginjel, paru-paru, lan limpa - adhedhasar organ sing disumbang dening Ackermann lan Jonigk sajrone otopsi COVID-19 ing Jerman lan organ "kontrol" LADAF.Laboratorium Anatomi Grenoble.Tim kasebut ngasilake data, uga film penerbangan, adhedhasar data sing kasedhiya ing Internet.Atlas Organ Manungsa berkembang kanthi cepet: 30 organ liyane wis dipindai, lan 80 liyane ana ing macem-macem tahap persiapan.Saklawasé 40 klompok riset sing beda ngubungi tim kasebut kanggo sinau luwih lengkap babagan pendekatan kasebut, ujare Li.
Ahli jantung UCL Cook ndeleng potensial gedhe kanggo nggunakake HiP-CT kanggo mangerteni anatomi dhasar.Ahli radiologi UCL Joe Jacob, sing duwe spesialisasi ing penyakit paru-paru, ujar manawa HiP-CT bakal "ora penting kanggo ngerteni penyakit," utamane ing struktur telung dimensi kayata pembuluh getih.
Malah artis-artis uga melu keributan.Barney Steele saka kolektif seni eksperiensial ing London Marshmallow Laser Feast ujar manawa dheweke aktif nyelidiki kepiye data HiP-CT bisa ditliti ing kasunyatan virtual sing immersive."Intine, kita nggawe lelungan liwat awak manungsa," ujare.
Nanging senadyan kabeh janji HiP-CT, ana masalah serius.Pisanan, ujare Walsh, pemindaian HiP-CT ngasilake "jumlah data sing nggumunake," kanthi gampang terabyte saben organ.Kanggo ngidini dokter nggunakake pindai kasebut ing jagad nyata, para peneliti ngarep-arep ngembangake antarmuka berbasis awan kanggo navigasi, kayata Google Maps kanggo awak manungsa.
Dheweke uga kudu nggampangake ngowahi scan dadi model 3D sing bisa digunakake.Kaya kabeh cara CT scan, HiP-CT dianggo kanthi njupuk akeh irisan 2D saka obyek tartamtu lan numpuk bebarengan.Malah saiki, akeh proses iki ditindakake kanthi manual, utamane nalika mindhai jaringan sing ora normal utawa lara.Lee lan Walsh ujar manawa prioritas tim HiP-CT yaiku ngembangake metode pembelajaran mesin sing bisa nggawe tugas iki luwih gampang.
Tantangan kasebut bakal berkembang amarga atlas organ manungsa berkembang lan peneliti dadi luwih ambisius.Tim HiP-CT nggunakake piranti sinar ESRF paling anyar, jenenge BM18, kanggo nerusake mindhai organ proyek kasebut.BM18 ngasilake sinar X sing luwih gedhe, tegese mindhai mbutuhake wektu sing luwih sithik, lan detektor sinar X BM18 bisa diselehake nganti 125 kaki (38 meter) adoh saka obyek sing dipindai, dadi luwih cetha.Asil BM18 wis apik banget, ujare Taforo, sing wis mriksa maneh sawetara conto Atlas Organ Manungsa asli ing sistem anyar.
BM18 uga bisa mindhai obyek sing gedhe banget.Kanthi fasilitas anyar kasebut, tim kasebut ngrancang kanggo mindai kabeh awak manungsa kanthi cepet ing pungkasan taun 2023.
Njelajah potensial gedhe saka teknologi, Taforo ngandika, "Kita pancene mung ing wiwitan."
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Kabeh hak dilindhungi undhang-undhang.