Når det gjelder å få en klar ide om hva som foregår i kroppens person, er få medisinske apparater like nyttige som en PET-skanner. PET står for Positron Emission Tomography, men ganske enkelt innebærer det å bruke radioaktive positroner, eller positivt ladede partikler, for å oppdage hvordan deler av kroppen fungerer. Et område med økt metabolsk eller kjemisk aktivitet - for eksempel deling av kreftceller - vil dukke opp på et farget bilde.
Oftest er PET-skanninger foreskrevet for å se om kreft har spredd seg eller om en svulst er redusert, men de brukes også til å diagnostisere hjerte- og nevrologiske sykdommer. Faktisk kan denne typen avbildning vanligvis oppdage forandringer i kroppen tidligere enn tester som CT-skanninger eller MR-er. Det er grunnen til at det antas at PET-skanninger kan være i stand til å oppdage hjernetilstander, for eksempel Alzheimers sykdom, på et tidlig tidspunkt.
Men her er komplikasjonen. Alle som har hatt en PET-skanning, vet at selv om det ikke er en invasiv prosedyre, er det heller ikke en spesielt hyggelig opplevelse. Når kroppen din er plassert i et stort hull i maskinen mens du skanner, må du ligge veldig stille, ofte så lenge som en halv time, noen ganger til og med en time, avhengig av hvilken del av kroppen din blir skannet.
Å bli tvunget til å forbli ubevegelig så lenge kan være spesielt vanskelig for eldre mennesker. Den måler også hjerneaktivitet i en kunstig situasjon, når en person ikke gjør noe, inkludert samhandling med andre mennesker.
Men hva om du kunne gjøre en PET-skanner bærbar? Hva om en person kunne ha på seg den?
Hjelp fra hjelm
Det lurte Stan Majewski på. På den tiden var han en fysiker som jobbet for Department of Energy (DOE) i Newport News, Virginia. Han har spesialisert seg på å utvikle bildebehandlings- og detektorsystemer, så han ble fascinert da han hørte om et apparat oppfunnet av noen kolleger på et DOE-kontor i Upton, New York. De kalte det RatCap, og det var en PET-skanner båret på en rottehode.
Majewski trodde at han kunne skape noe lignende for mennesker. Han kunne tro, kunne ha et stort potensiale i å fremme forskning på hjerneforstyrrelser, som Alzheimers og Parkinsons sykdom. Så han designet en hjelm omkranset av en ring av små, firkantede PET-detektorer, og søkte deretter patent. Han fikk en i 2011.
Han begynte å jobbe med en prototype, og prosjektet hans tok fart etter at han ble radiologiprofessor ved West Virginia University. En annen professor ved universitetet, Julie Brefczynski-Lewis, en nevrovitenskapsmann, var på besøk på Majewskis kontor da hun la merke til en tegning av en kvinne på en tredemølle som hadde en rart hjelm på.
“Hva er dette?” Spurte hun ham. Da Majewski forklarte hvordan det fungerte og hva det kunne gjøre, forpliktet hun seg til å hjelpe til med å få det til.
Med penger tildelt av universitetet, gikk de videre med prototypen. I 2013 fikk Majewski og Brefczynski-Lewis et stort løft fra BRAIN-initiativet som president Obama kunngjorde for å utvikle innovative teknologier som kan forklare hvordan hjernen fungerer. Sammen med samarbeidspartnere ved University of California, Davis og University of Washington, og et team hos General Electric, fikk de en bevilgning på 1, 5 millioner dollar for å bestemme hva som skal til for å gjøre Majewskis modell til et effektivt behandlingsverktøy.
PET skanner i bevegelse
Brefczynski-Lewis, som har studert effekten av medfølelse på den menneskelige hjernen, er spent på hva som kan læres gjennom hjerneskanninger av mennesker i bevegelse. Selv å la noen sitte oppe under prosedyren kan bidra til å utvide forskningsområdet.
"Hvis en person sitter, kan du forestille deg at de tåler de veldig lange skannene som trengs for forskning på tilstander som Alzheimers eller andre nevrologiske lidelser, " sier hun. "Bare forrige uke jobbet vi med en kvinne i 80-årene, og det er ingen måte at hun kunne ha stått stille i 90 minutter, men hun klarte å sitte i en stol og bevege hodet og snakke med oss og være ganske komfortabel. ”
Denne evnen til å engasjere en pasient under en skanning kan utgjøre en stor forskjell i diagnostisering av hjernetilstander, ifølge Brefczynski-Lewis. "Noen ganger, tidlig i Alzheimers, ser du ingen forskjell, ser du ingen symptomer, " forklarer hun. "Men det er en fase der hvis du beskatter dem med store hukommelsesbelastninger, kan du se at systemet reagerer annerledes hos en Alzheimers-person sammenlignet med noen som ikke fortsetter å utvikle Alzheimers."
Majewski og Brefczynski-Lewis sier at en bærbar PET-skanner også kan gjøre det mulig for forskere å overvåke hjerneaktivitet mens en person ler, trener, opplever stress, eller til og med når pasienten er nedsenket i en virtuell virkelighetsmiljø. Dette kan for eksempel hjelpe dem å bedre forstå hva som skjer i hjernen til en autistisk person i en sosial setting eller en hjerneslagpasient som gjør rehabilitering.
Det kan også være en mulighet til å studere hvorfor noen mennesker har eksepsjonelle evner, enten det er en idrettsutøver i verdensklasse eller en musikalsk savant. Enheten, sier Brefczynski-Lewis, kan gi innsikt i hvilke deler av hjernen de får tilgang til mens de presterer.
En annen fordel med den bærbare hjelmen er at strålingseksponeringen er mye lavere, omtrent en tiendedel av nivået til en konvensjonell PET-skanner, fordi detektorene er så nær en persons hode. Det er grunnen til at Majewski og Brefczynski-Lewis har kalt enheten deres AM-PET - “A” er for ambulerende, “M” for mikordose.
På tide å foredle
Men det er fortsatt hindringer å fjerne. Hjelmen kan bli tung - under tidlig testing ble en strikkesnor fra taket festet til enheten for å lette vekten på pasienten som hadde den på seg. Utfordringen er å gjøre den lettere uten å redusere følsomheten til detektorene.
Forskerne ser også på måter å forhindre at hjelmbevegelsen påvirker oppløsningen på bildene den gir. Det inkluderer integrering av aspekter ved robotikk, for eksempel muligheten til å holde et kamera på en robot stabilisert uansett hvor mye det beveger seg.
"Ideen er å kunne bruke den i PET-hjelmen slik at den tar hensyn til bevegelsen av en persons kropp, " sier Brefczynski-Lewis. "Du vil kompensere for bevegelse slik at hjelmen beveger seg med hodet, men du reduserer motstanden og det reduserer vekten på personen."
Et annet fokus, konstaterer hun, er å fortsette å redusere strålingsnivået. Det vil gjøre det mulig å gjøre flere skanninger på en person, og kanskje gjøre det mulig for leger å bruke den på små barn med nevrologiske lidelser.
Tatt i betraktning all nødvendig finjustering og klinisk testing, anslår Brefczynski-Lewis at det kan gå ytterligere fire eller fem år før AM-PET kan brukes til å behandle pasienter. Foreløpig søker de om tilskudd som kan tillate dem å utvikle flere forskjellige versjoner av skanneren. En for å studere Alzheimers ville trolig være annerledes enn en som ble brukt til å analysere hjernen under mer kompleks oppførsel, sier hun.
Det har til og med vært diskutert en modell som kan bæres utenfor laboratoriet. "Vi tror faktisk at en versjon av hjelmen kan monteres på en ryggsekk, " sier Majewski. “Ryggsekken ville bære vekten.
"Vi kaller det" walk in the park "-versjonen."
