A medida que las tecnologías de imágenes y detección crecen tanto en sofisticación como en accesibilidad, hacen más que solo recopilar datos y producir imágenes: son herramientas de investigación por derecho propio, que brindan a los científicos los medios para profundizar nuestro conocimiento sobre los procesos biológicos fundamentales y sobrecausas y progresión de la enfermedad. Obtener las imágenes es solo el primer paso. La investigación y los avances clínicos importantes requieren nuevas formas de analizar los datos.
Las tecnologías biomédicas y de detección actuales incluyen tomografía computarizada, resonancia magnética, tomografía de coherencia óptica, espectroscopía y ultrasonido, por nombrar solo algunas.
Estas tecnologías están en la intersección de las ciencias físicas, matemáticas, ciencias de la computación e ingeniería. Columbia Engineering es el hogar de muchos laboratorios de imágenes y sensores, algunos de los cuales colaboran con los laboratorios del Centro Médico de la Universidad de Columbia. Nuestros investigadores están utilizando imágenes biomédicasy la sensación de estudiar todo, desde el desarrollo de sistemas de visión artificial hasta la biomecánica ósea.
A veces trabajan en colaboración con empresas tecnológicas para desarrollar nuevas técnicas de imagen y detección. En un ciclo de retroalimentación constante, el profesorado y los investigadores persiguen avances tecnológicos para satisfacer necesidades científicas y clínicas no satisfechas; las nuevas tecnologías luego abren sus ojos a nuevas preguntas para explorar.
Desarrollo de herramientas ópticas para orientación quirúrgica
Al principio de su carrera investigadora, Christine Hendon se sintió atraída por la óptica biomédica; estaba intrigada por esta tecnología médica que no dependía de la radiación. Hoy, su objetivo general es desarrollar herramientas ópticas para orientación quirúrgica.
"Queremos desarrollar herramientas ópticas que proporcionen al cirujano una comprensión clara del tejido", dice Hendon, profesora asistente de ingeniería eléctrica. Sus técnicas utilizan principalmente la espectroscopía de infrarrojo cercano y la tomografía de coherencia óptica OCT, que ha sidoapodado "ultrasonido óptico"
Las llamadas biopsias ópticas ofrecerían una resolución mucho más alta que los sustitutos actuales de la biopsia, como resonancias magnéticas, tomografía PET y ultrasonido. Una ventaja potencial de la OCT es que el cirujano podría obtener imágenes de un área amplia de tejido y, a diferencia de lo que ocurre con las invasivasbiopsias, retire la menor cantidad de tejido posible.
Actualmente, la aplicación principal de la investigación de Hendon se centra en la OCT en el tratamiento de arritmias cardíacas o ritmos cardíacos irregulares. Un tratamiento común es la ablación, en la cual el cirujano usa un catéter para detectar señales eléctricas anormales y luego aplica energía de radiofrecuencia paraeliminar el tejido cicatricial en el área que funciona mal.
Hendon también está utilizando la espectroscopía para proporcionar información en tiempo real durante la cirugía. Especialmente importante es la profundidad de una lesión: el área de tejido ablacionado o muerto. "Con frecuencia", dice Hendon, "los pacientes que tienen ablación regresan por unsegundo procedimiento. Esperamos que el uso de la espectroscopía reduzca tanto el tiempo del procedimiento como el número de procedimientos repetidos ".
A fines de julio, Hendon realizó la primera prueba in vivo del catéter de espectroscopia en un modelo animal.
El grupo de Hendon está construyendo un atlas de imágenes de corazón OCT. Hasta ahora, el atlas incluye 25 corazones humanos, con 15 volúmenes 600 imágenes por volumen para cada corazón. Eventualmente, el atlas se usará para entrenar cardiólogos.
Un próximo proyecto se enfoca en el uso de herramientas ópticas en el cáncer de seno. Hendon está trabajando con el cirujano de seno Sheldon Feldman y la patóloga Hanina Hibshoosh en el Centro Médico de la Universidad de Columbia para identificar tumores localizados en el conducto. Eventualmente, tomarán imágenes de las lesiones con el tiempo paradeterminar cuáles son propensos a progresar a cáncer.
Hendon también está colaborando con Kristin Myers, profesora de Ingeniería de Columbia, en el uso de imágenes para evaluar las propiedades mecánicas del cuello uterino en relación con el parto prematuro.
Hendon se compromete a fomentar la educación STEM entre los jóvenes. En Columbia, ella recibe visitas al campus de estudiantes de secundaria, quienes se van con imágenes de OCT de su dedo. "Los niños de secundaria son geniales", dijo. "Ellos no 'no dude en hacer preguntas "
Análisis de imagen para el diagnóstico y el diseño del tratamiento
A mediados de la década de 1980, Andrew Laine era un estudiante graduado en la Universidad de Washington, en St. Louis, y un pirata informático. En ese momento, los tres principales fabricantes de equipos de imágenes médicas usaban diferentes códigos encriptados patentados para el senoEscaneos de resonancia magnética MRI. A instancias de su asesor, Laine descifró los códigos, para que los datos de las diversas máquinas se pudieran integrar y comparar y estudiar las imágenes. "Más tarde", dice, "el gobierno federal ordenó a los fabricantes de imágenes queadoptar un estándar común, para que las imágenes puedan compartirse entre los hospitales de VA ". El resultado fue Digital Imaging and Communications in Medicine DICOM".
La política internacional jugó un papel en la determinación del siguiente paso de Laine. Con el colapso de la Unión Soviética, el ejército de EE. UU. Tuvo un superávit en el presupuesto de defensa, incluyendo $ 20 millones para investigación médica sobre enfermedades de las mujeres. Laine propuso un método para mejorar las mamografías,para abordar el problema de las lesiones visibles que se pasan por alto en el cribado. Su tecnología se clasificó como la más prometedora del programa y recibió una subvención de $ 2 millones para la investigación de mamografía.
Laine, quien es presidenta del Departamento de Ingeniería Biomédica, con una cita conjunta en Radiología en el Centro Médico de la Universidad de Columbia CUMC, fue la primera en aplicar métodos de representaciones "wavelet" multiescala para mejorar detalles sutiles en mamografías para que lo hicieranno se puede perder. Esto no solo produjo mejores imágenes, sino que también redujo la cantidad de radiación necesaria para la detección. Hoy, el algoritmo central que desarrolló en 1992 se utiliza en casi todos los sistemas comerciales de mamografía digital en todo el mundo.
Utilizando un transductor de ultrasonido de matriz en fase, Laine también fue la primera en calcular la tensión cardíaca, que puede ser un precursor de un ataque cardíaco, en tiempo real, de un ultrasonido 4D 3D más tiempo. La imagen 4D también puede detectar paredes anormalesmovimiento del tejido miocárdico muerto como resultado de un ataque cardíaco que ya ha ocurrido.
"Fomentar la relación entre la academia y la industria", dice Laine, "es la forma más rápida de llevar los avances técnicos en imágenes a la práctica clínica y mejorar la atención al paciente". Laine encabezó una asociación entre Columbia y General Electric GE para fomentar la traduccióninvestigación. Permite a los ingenieros biomédicos, médicos y GE abordar conjuntamente las necesidades clínicas no satisfechas que podrían beneficiarse de los avances en la tecnología de resonancia magnética y otros métodos de imagen.
Laine también está aplicando la técnica wavelet que ideó para la mamografía al enfisema pulmonar, una forma de enfermedad pulmonar obstructiva crónica EPOC. Los métodos convencionales de tomografía computarizada TC clasifican la enfermedad de un paciente como uno de los tres subtipos. En colaboración con Graham Barr, MD CUMC, el laboratorio de Laine está ayudando a revelar las etapas subyacentes de la enfermedad de la EPOC al expandir el número de fenotipos de imágenes utilizados como biomarcadores.
Mediante el uso de imágenes en 3D de datos de TC y decenas de miles de tomografías computarizadas de pulmón y rastreando a miles de pacientes durante una década, Laine ha descubierto un conjunto más rico de 60-80 subtipos de tejido enfisemático.
Laine también está trabajando con los profesores George Hripcsak y Larry Schwartz en CUMC. Su investigación permitirá a los médicos estudiar el historial de un paciente utilizando texto registro de salud electrónico y hallazgos anotados derivados de imágenes médicas. Esta colaboración agrega la nueva dimensión de imágenesinformática, incluida la radiómica la extracción y el análisis de las características cuantitativas de las imágenes, a la medicina de precisión, lo que aumenta nuestra capacidad de comprender los procesos de la enfermedad, crear nuevas terapias y predecir mejor el resultado del paciente.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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