Joshua Broder brukte et Wii-håndsett for å slå en ping-pong-ball frem og tilbake da ideen slo til. En akuttlege ved Duke University Medical Center, han bruker ultralyd for å forstå hva som skjer inne i pasientens kropp, og behandle sår og sykdommer. Men bildet han får, selv om det er raskt nok til å operere i sanntid, er todimensjonalt og vanskelig å analysere.
"Kontrolleren i hånden min er virkelig en billig ting, " tenkte han. "Hvorfor er det slik at dyre medisinske apparater ikke bruker den slags lavkostteknologi?"
Med litt hjelp fra ingeniører på Duke og Stanford, trykte Broder 3D en kropp for en ultralydstav som er ment å huse akselerometre og gyroskop som ligner de som finnes i telefoner eller Wiimotes. Disse små enhetene, som har blitt allestedsnærværende og billige takket være smarttelefonrevolusjonen, jobber sammen for å bestemme vinkelen, plasseringen og retningen på telefonen, slik at du kan spille spill, holde skjermen stående og bruke bevegelser. Festet til ultralydsstaven, som avgir og mottar ultralydlignende radar, sporer de samme sensorene sin nøyaktige posisjon. Da bildene er tatt, bruker programvaren den informasjonen for å sy dem sammen til en tredimensjonal fil. Utgangen, selv om den ikke nærmer seg bildekvaliteten til en MR- eller CT-skanning, er mye lettere å forstå enn et 2D-ultralydbilde, som kan virke kornete og forvirrende.
Ultralydmaskinene Broder bygger på er forskjellige fra legene bruker for å avbilde ufødte fostre. Selv om maskinene i vognstørrelse gir 3D-bilder, koster de hundretusenvis av dollar, og er ikke ekstremt bærbare. Det Broder beskriver er et lite, 3D-trykt vedlegg for en 2D ultralydmaskin på 25 000 dollar.
Ultralyd ved hjelp av pleie, der leger bruker ultralyd under en fysisk undersøkelse for å informere videre omsorg, blir mer vanlig - et marked som P&S markedsundersøkelser forventer å vokse med 7 prosent per år frem til 2025 - men det er fortsatt en underutnyttet ressurs, sier Chris Fox, direktør for instruksjonsultralyd ved University of California-Irvine. Han underviser i ultralydteknikker til leger på tvers av en rekke spesialiteter, fra legevakten til indremedisin, hvordan fange og lese ultralydbilder. "Kvaliteten på omsorgen forbedres rett og slett når du kan se gjennom pasientens hud på organene du er opptatt av, akkurat der på pleiepunktet, og ikke trenger å vente til en annen test kommer tilbake, " sier Fox.
Et ultralydssnitt inn i magen kan fortelle en lege om pasienten opplever tarmhindring, en gallestein eller en sperret nyre, for eksempel. Pustebesvær kan tilskrives lungebetennelse, væske i brystet eller væske rundt hjertet. På disse måtene kan leger bruke ultralyd for å avgjøre om en pasient må sendes for videre avbildning eller ikke. Og de bruker ofte ultralyd for å veilede nåleplassering i laparoskopisk kirurgi og andre prosedyrer som krever nøyaktig plassering av redskaper, fordi det kan vise et sanntidsbilde av nålen som kommer inn i vevet.
Men det er der 2D-ultralyd blir vanskelig; du kan ikke se mye av vevet, og det er vanskelig å skille vaskulatur, nerver, muskler og bein. ”Alt vi ser er en skive, og vi må bestemme oss for nå, skal vi se på dette i et langsgående plan, eller et tverrgående plan? Det er forvirrende å måtte forplikte seg til et av de to flyene, sier Fox. Et tverrsnitt viser nålen som kommer mot betrakteren, og et lengdesnitt viser nålen som kommer inn fra siden, men i disse to dimensjonsplanene er det veldig vanskelig å bestemme dybde, og derfor om nålen er plassert riktig. "Tredimensjonal ultralyd er så mye lettere å tolke at det virkelig ville fjerne dette laget med utrygghet, tror jeg mange leger har, når det gjelder å prøve å lære ultralyd."
Mer enkelt sagt, 2D-ultralyd er vanskelig å bruke. "Det er vanskelig for folk som aldri har gjort ultralyd før å lære å ta bilder og tolke dem, " sier Broder. "Vi ønsker at dette skal være en så intuitiv teknologi at mange forskjellige medisinske personell kan bruke den umiddelbart uten nesten opplæring."
Broder presenterte ved American College of Emergency Physicians forskningsforum og beskrev det han ser som en primær funksjon av teknologien: hjernebilding hos små barn. Barn under to år har myke hodeskaller, og ultralyd kan se rett i, og bidra til å diagnostisere hydrocephalus, der cerebrospinalvæske forårsaker trykk i hjernen. Han brukte den til å registrere et bilde av hjernen til et 7 måneder gammelt barn, mens babyen satt fredelig i fanget til moren. Det krevde ingen stråling, som en CT-skanning, og barnet trengte ikke å være bevegelsesløst eller beroliget, som en MR-undersøkelse. De trakk bare tryllestaven over hodet til gutten, i en malerisk bevegelse. På ti sekunder var det gjort.
Open source-programvare kalt 3D Slicer gjengir resultatet på skjermen med tre akser og en glidebryter som lar leger åpne bildet og se et tverrsnitt. Teknisk sett er det en bunke med 2D-bilder - opptil 1 000 av dem - lagt ved siden av hverandre, men programvaren kan også estimere volumet av funksjoner i dem, noe som er spesielt nyttig i diagnostisering av svulster.
"Det er bare et mye mer dynamisk datasett enn når du tar et stillbilde, " sier Broder. "Tenk på analogien til et fotografi på kameraet. Når du har tatt bildet, kan du leke med det, men hvis du ikke likte vinkelen du tok bildet fra, kan du ikke fikse det ... når du har et tredimensjonalt datasett, har virkelig mye kontroll over hvilke spørsmål du vil stille og hvordan du svarer på dem. ”
Selv de dyrere ultralydmaskinene tilbyr ikke nøyaktigheten av CT- eller MR-avbildning, og kan heller ikke avbilde en hel kropp, men det er ikke poenget, sier Broder. "Vi vil bringe kostnadene på linje, " sier han. ”Vi lider i vestlig medisin ved å gjøre mange ting til en større grad av nøyaktighet eller presisjon enn vi trenger, og det gir kostnadene høye. Så det vi ønsker å gjøre er nøyaktig hva pasienten trenger - gi det detaljnivået som kreves for at de skal være best mulig ivaretatt. ”
Som bølgebehandling av ultralydbruk er ikke Broders team det eneste som prøver å forbedre maskinene. Clear Guide ONE, bygget av leger fra Johns Hopkins, bruker også et stavfeste, men bruker et visuelt system for å spore nålinnføring, selv om det er begrenset til den applikasjonen. Og selv om den bare tilbyr todimensjonal ultralyd, kobler en enhet som heter Clarius trådløst til en smarttelefon for å sidestykke datamaskinen og føre prisen ned under 10.000 dollar.
Den lille størrelsen og den lave prisen på Broders enhet gjør det nyttig i områder rundt om i verden der det er umulig eller ikke kostnadseffektivt å bruke de større maskinene. GE sa ja til å tildele Broder $ 200 000 i sin første innvending Point of Care Ultrasound Research Challenge. Som det er, gjennomgår enheten for øyeblikket kliniske studier, og Broder og hans samarbeidspartnere holder en internasjonal patent på det. I fremtiden forestiller Broder seg å koble enheten med en EKG for å få sanntidsavbildning av hjerteslag. Hvis dataene fra EKG samsvarer med de enkelte bildene som er tatt av ultralyden, kan du sortere bildene basert på når de skjedde i hjertesyklusen. Denne “4D” -bildet kan gi bedre bilder av hjertet, da det kompenserer for hjertets bevegelse, så vel som å puste.
"Vi kan gjøre mye av de samme tingene som de dyre 3D-maskinene kan gjøre, men til en mye lavere pris, " sier Broder. "Vi er akkurat på dette utrolige tidspunktet der datateknologier virkelig har gjort det vi har gjort."
