Αλγόριθμοι για την ανίχνευση σεισμών, ανιχνεύουν επίσης συμπτώματα από εγκεφαλικό επεισόδιο στον ανθρώπινο εγκέφαλο. Αλγόριθμοι (FWI) για πρόβλεψη σεισμών ανοίγουν το δρόμο για την ταχεία διάγνωση του εγκεφαλικού επεισοδίου με φορητές συσκευές

Μια τεχνική απεικόνισης που έχει ήδη φέρει την επανάσταση στο πεδίο της σεισμικής απεικόνισης, έχει τώρα τη δυνατότητα να φέρει επανάσταση, σε μια διαφορετική, υψηλής ανάλυσης απεικόνιση του εγκεφάλου.

Αλγόριθμοι για την ανίχνευση σεισμών, ανιχνεύουν επίσης  συμπτώματα από εγκεφαλικό επεισόδιο στον ανθρώπινο εγκέφαλο.
Μια υπολογιστική τεχνική που αναπτύχθηκε αρχικά στη γεωφυσική (to process seismic images of the Earth’s subsurface )  για να χαρτογραφήσει τη δομή της Γης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την 3D απεικόνιση με υψηλή ανάλυση, του ανθρώπινου εγκεφάλου.
Αυτό αναφέρεται σε μια νέα μελέτη που πραγματοποίησαν  ερευνητές του Imperial College London.
Οι επιστήμονες της Γης χρησιμοποιούν σεισμικά δεδομένα και μια υπολογιστική τεχνική που ονομάζεται πλήρης αναστροφή κυματομορφής [full waveform inversion (FWI)] για να χαρτογραφήσει το εσωτερικό της γης. Τα σεισμικά δεδομένα από ανιχνευτές σεισμών (σεισμοί) συνδέονται με αλγόριθμους FWI που εξάγουν 3D εικόνες του φλοιού της Γης που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη σεισμών και την αναζήτηση δεξαμενών πετρελαίου και φυσικού αερίου.
Τώρα, οι  ερευνητές έχουν προσαρμόσει αυτήν την προσέγγιση στην ιατρική απεικόνιση, αναπτύσσοντας μια μέθοδο που χρησιμοποιεί ηχητικά κύματα με απώτερο στόχο την παραγωγή εικόνων υψηλής ανάλυσης του εγκεφάλου.
Η νέα αυτή τεχνική απεικόνισης, σήμερα βρίσκεται στο στάδιο προσομοίωσης (presently in the simulated, proof-of-concept stage only).
Η τεχνική αυτή θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο προς μια φθηνότερη, φορητή (portable) και πιο καθολική μέθοδο για την ταχεία διάγνωση του εγκεφαλικού επεισοδίου,  του τραύματος της κεφαλής και τη συνεχή παρακολούθηση ευρέος φάσματος νευρολογικών καταστάσεων ( npj Digit.Med.10.1038 / s41746-020-0240-8 ).
Η νέα προσέγγιση έχει ιδιαίτερη αξία σε ασθενείς που ερευνήθηκαν για εγκεφαλικό επεισόδιο - η δεύτερη συχνότερη αιτία θανάτου και συνηθέστερη αιτία νευρολογικής αναπηρίας ενηλίκων - όπου η ταχεία, καθολικά εφαρμόσιμη, υψηλής πιστότητας απεικόνιση είναι απαραίτητη.
 Η νέα αυτή τεχνολογία για την απεικόνιση του εγκεφάλου θα ισχύει για φορητές συσκευές.
 Οι προγραμματιστές από το Imperial College του Λονδίνου και το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια είναι πεπεισμένοι ότι η ιδέα τους θα βοηθήσει να παράγονται γρήγορα και με ασφάλεια, υψηλής ποιότητας κλινικές εικόνες του ανθρώπινου εγκεφάλου, κάτι που είναι σημαντικό στην περίπτωση σοβαρών αγγειακών παθήσεων.
Αυτό γράφεται στην ιστοσελίδα του Imperial College.
Ο καθηγητής Bryan Williams , Διευθυντής του Κέντρου Βιοϊατρικών Ερευνών του  NIHR UCL Hospitals , ο οποίος εν μέρει χρηματοδότησε την έρευνα, δήλωσε: "Αυτή είναι μια εξαιρετική και καινοτόμος εξέλιξη στην απεικόνιση του εγκεφάλου που έχει τεράστιες δυνατότητες να παρέχει προσπελάσιμη εγκεφαλική απεικόνιση στην κλινική πρακτική ρουτίνας για την αξιολόγηση του εγκεφάλου στο τραύμα της κεφαλής, το εγκεφαλικό επεισόδιο και μια ποικιλία από εγκεφαλικές παθήσεις.

Και οι δύο κορυφαίες συμβατικές τεχνικές για την εκτέλεση απεικονίσεων στον εγκέφαλο πραγματοποιούνται με εγγενείς περιορισμούς.
Η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRI) είναι γενικά η καλύτερη μέθοδος για λήψη εικόνων υψηλής ανάλυσης του εγκεφάλου και η χρήση της είναι επί του παρόντος απαραίτητη για τη διερεύνηση πολλών νευρολογικών διαταραχών συμπεριλαμβανομένου του εγκεφαλικού επεισοδίου, του καρκίνου του εγκεφάλου και της εγκεφαλικής βλάβης.
Παρόλα αυτά, η μαγνητική τομογραφία απαιτεί μεγάλα, πολύπλοκα, ακριβά μη φορητά μηχανήματα που ψύχονται σε τρεις βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ασθενείς για τους οποίους η παρουσία μεταλλικών εμφυτευμάτων ή ξένων σωμάτων δεν μπορεί να αποκλειστεί σχολαστικά. Αυτό καθιστά δύσκολη ή αδύνατη την επείγουσα χρήση σε ασθενείς με δυνητικά αλλοιωμένη συνείδηση, όπως και σε εκείνους που είναι ύποπτοι για εγκεφαλικό επεισόδιο.
Η απεικόνιση MR είναι συνεπώς ακατάλληλη για χρήση σε ασθενείς που έχουν - ή υπάρχει υποψία ότι έχουν - μεταλλικά εμφυτεύματα ή φιλοξενούν ξένα σώματα (π.χ. γυαλιά, θραύσματα χειροβομβίδων, σφαίρες κλπ)
Επίσης δεν είναι  πρακτική για χρήση σε σοβαρά παχύσαρκους, κλειστοφοβικούς ή μη συνεργάσιμους ασθενείς.
Η τεχνική απεικόνισης X-ray CT, εν τω μεταξύ, συνεπάγεται έκθεση σε επιβλαβή ιοντίζουσα ακτινοβολία
και η χρήση της αποκλείεται για τους νεαρούς ασθενείς ή εκείνους που βρίσκονται σε συνεχή ιατρική παρακολούθηση.
Και οι δύο αυτές τεχνικές απεικόνισης, απαιτούν επίσης μεγάλα, δαπανηρά και υψηλής ισχύος μηχανήματα, που δεν μπορούν πρακτικά να εγκατασταθούν εκτός νοσοκομειακών ή εργαστηριακών εγκαταστάσεων.
Αντίθετα, η απεικόνιση με υπερήχους είναι παγκοσμίως ασφαλής για χρήση και μπορεί να γίνει με φορητή (portable) συσκευή.
Οι παραδοσιακές εφαρμογές δεν ήταν σε θέση να ανιχνεύσουν μέσα στο ανθρώπινο κρανίο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το οστό εξασθενεί, διασκορπίζει και αντανακλά τα κύματα με σύνθετους τρόπους που δεν μπορούν να ανατραπούν με απλούς αλγόριθμους.
Στη νέα αυτή μελέτη, ο φυσικός  Lluiís Guasch (επικεφαλής συγγραφέας από το τμήμα Imperial’s Department of Earth Science and Engineering) και οι συνεργάτες του ερευνητές του Imperial College London,   έχουν στραφεί σε μια  υπολογιστική τεχνική γνωστή ως full-waveform inversion (FWI), η οποία χρησιμοποιείται από τους γεωφυσικούς για την εξαγωγή τρισδιάστατων εικόνων της υποεπιφάνειας της Γης,  από δεδομένα που συλλέγονται από σεισμόμετρα κατά τη διέλευση υπόγειων κυμάτων.
η τεχνική (FWI) λειτουργεί με μια  μη γραμμική διαδικασία προσαρμογής δεδομένων  (nonlinear data-fitting procedure), που με τη χρήση "real-world" σεισμικών δεδομένων  δημιουργείται ένα κατά προσέγγιση μοντέλο, συνθηκών υπόγειας επιφάνειας, από το οποίο μπορούν να λυθούν οι εξισώσεις κύματος και να παραχθούν  δεδομένα προσομοίωσης.
Στη συνέχεια, το μοντέλο βελτιώνεται διαδοχικά μέχρις ότου το output να δώσει αυτό που ταιριάζει καλύτερα, στα δεδομένα του πραγματικού κόσμου.
Αντί να χρησιμοποιούν σεισμόμετρα (όργανα που γράφουν με σημαντική ακρίβεια τις σεισμικές κινήσεις) στην επιφάνεια της Γης, οι ερευνητές σκοπεύουν να χρησιμοποιήσουν έναν τύπο  κράνους "helmet-like mesh of 1024 ultrasound transceivers" με πλέγμα 1024 πομποδεκτών υπερήχων.
Κατασκεύασαν ένα κράνος επενδεδυμένο με μια σειρά ακουστικών μορφοτροπέων (acoustic transducers) που στέλνουν ηχητικά κύματα μέσα από το κρανίο. Η ενέργεια υπερήχων που διαδίδεται μέσω του κεφαλιού καταγράφεται και τροφοδοτείται μέσω του κράνους σε έναν υπολογιστή. Το FWI χρησιμοποιείται στη συνέχεια για να αναλύσει τις ηχητικές (ακουστικές) αντηχές  σε όλο το κρανίο, δημιουργώντας μια τρισδιάστατη εικόνα του εσωτερικού.
Οι ερευνητές εξέτασαν το κράνος τους σε έναν υγιή εθελοντή και διαπίστωσαν ότι η ποιότητα των ηχογραφημένων σημάτων ήταν επαρκής για να δημιουργηθεί μια λεπτομερής εικόνα για τον αλγόριθμο και είναι σίγουροι ότι η διάσπαρτη ενέργεια από τον εγκέφαλο θα ερμηνευτεί.
Χρησιμοποιώντας μοντέλα υπολογιστών, βρήκαν επίσης ότι θα μπορούσαν να αποκτήσουν εικόνες υψηλής ανάλυσης με συχνότητες ήχου αρκετά χαμηλές ώστε να διεισδύσουν στο κρανίο σε ασφαλείς εντάσεις.

Δημιούργησαν λεπτομερείς υπολογιστικές προσομοιώσεις με βάση τις ιδιότητες διαφόρων τύπων ανθρώπινου εγκεφαλικού ιστού για να αποδείξουν ότι τα ηχητικά κύματα θα ήταν αποτελεσματικά για τη σύνθεση εικόνων υψηλής ανάλυσης του εγκεφάλου.
Μέσω προσομοίωσης, οι ερευνητές  δείχνουν ότι σε ένα τέτοιο set-up, η τεχνική FWI είναι πράγματι σε θέση να αναδημιουργήσει εικόνες υψηλής ανάλυσης του εγκεφάλου σαν μια σάρωση μαγνητικής τομογραφίας - στην οποία μπορεί να φανεί καθαρά η γκρίζα και η λευκή ύλη,  οι κοιλίες και η δομή του εγκεφάλου.
Αποδεικνύουν επίσης στο εργαστήριο ότι οι πομποδέκτες υπερήχων είναι σε θέση να καταγράφουν τα σήματα μέσα σε ένα ανθρώπινο κρανίο με την απαιτούμενη αναλογία "required signal-to-noise ratio" για επεξεργασία με τον αλγόριθμο FWI algorithm.

"Αυτή είναι η πρώτη φορά που η τεχνική  FWI έχει εφαρμοστεί για τη διαδικασία απεικόνισης μέσα σε ανθρώπινο κρανίο", λέει ο Guasch.
Το FWI χρησιμοποιείται συνήθως στη γεωφυσική για να χαρτογραφήσει τη δομή της Γης, αλλά η συνεργατική μας, πολυεπιστημονική ομάδα επιστημόνων της Γης, bioengineers και νευρολόγοι την χρησιμοποιούν για να δημιουργήσει μια ασφαλή, φτηνή και φορητή μέθοδο παραγωγής 3D εικόνων υπερήχων του ανθρώπινου εγκεφάλου.
"Από πολλές απόψεις, είναι ευκολότερο να εφαρμοστεί η FWI στην ιατρική απεικόνιση παρά στη γεωφυσική."
Αυτό, όπως εξηγεί ο Guasch, συμβαίνει επειδή - αντίθετα με την αντιμετώπιση της μοναδικής φύσης των διαφορετικών υπόγειων εικόνων - τα κρανία των ανθρώπων έχουν κοινά στοιχεία που μπορούν να βοηθήσουν στην καθοδήγηση της διαδικασίας ανακατασκευής της εικόνας.
Η νευρολογία περιμένει για μια νέα, καθολικά εφαρμόσιμη μορφή απεικόνισης εδώ και δεκαετίες. Το FWI θα μπορούσε να είναι η απάντηση ", προσθέτει ο συνάδελφος συγγραφέας Parashkev Nachev .
Επιπλέον, οι ερευνητές λένε ότι θα πρέπει να είναι δυνατή
τελικά, μια "clinical version" του scanner, που θα είναι φορητή, τέτοια ώστε να προσαρμόζεται σε μια μοτοσικλέτα ή σε ένα ασθενοφόρο,  κάτι που θα μπορούσε να επιτρέψει τη διεξαγωγή σάρωσης εγκεφάλου, στους ασθενείς πριν φτάσουν στο νοσοκομείο.
Ομοίως, η συσκευή θα μπορούσε να τοποθετηθεί σε ένα πλαίσιο για να εκτελέσει bedside απεικόνιση.

Όμως ένα  μειονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι ότι, αυτή τη στιγμή χρειάζεται αρκετό χρόνο  (καθώς το κράνος παράγει 1024 × 1024 επιμέρους υπερηχητικά σήματα, τα οποία χρειάζονται περίπου 32 ώρες για επεξεργασία σε συμβατικό διακομιστή "conventional server")
 "Αυτό είναι ένα σημαντικό κομμάτι της εργασίας, καθώς οι περισσότεροι φυσικοί απεικόνισης υποθέτουν ότι, πέραν της μεγάλης εξασθένησης του σήματος που παράγει το κρανίο, οι πολλαπλές εσωτερικές ανακλάσεις και η διασπορά των σημάτων μαλακών ιστών καθώς θα πέφτουν στην διεπιφάνεια των οστών θα καθιστούσαν την αναπαράσταση αδύνατη"  λέει ο Stephen Williams, ένας επιστήμονας απεικόνισης (imaging scientist) από το Πανεπιστήμιο του Manchesterπου δεν συμμετείχε στην παρούσα μελέτη.
  "Το έγγραφο παρέχει αναμφισβήτητα στοιχεία ότι μια φυσική πραγματοποίηση του concept θα πρέπει να είναι δυνατή, υπό τον όρο ότι ο χρόνος επεξεργασίας του υπολογιστή μπορεί να μειωθεί κατά περίπου 200 φορές σε σύγκριση με τις προσομοιώσεις που αναφέρονται στο άρθρο".
Οι ερευνητές σημειώνουν ότι η τρισδιάστατη τομογραφία υπερήχων " ultrasound tomography"  χρησιμοποιώντας FWI θα μπορούσε να βρει ιδιαίτερη σημασία για την ταχεία διάγνωση και θεραπεία του εγκεφαλικού επεισοδίου. Με την ολοκλήρωση της αρχικής τους μελέτης, κινούνται προς περαιτέρω ανάπτυξη του πρωτότυπου συστήματος τους, με στόχο την παραγωγή της πρώτης εικόνας του εγκεφάλου ενός ζωντανού ανθρώπινου υποκειμένου - παράλληλα με τη βελτίωση της ευρωστίας του αλγορίθμου παραγωγής τους και τη μείωση του κόστους υπολογισμού.
Οι ερευνητές λένε ότι εάν αποδειχθεί επιτυχής σε ανθρώπινες δοκιμές, η συσκευή τους θα ξεπεράσει τα εμπόδια.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές θα κατασκευάσουν ένα νέο πρωτότυπο για ζωντανή απεικόνιση φυσιολογικών ανθρώπινων εγκεφάλων ως το πρώτο βήμα σε μια συσκευή που θα μπορούσε να αξιολογηθεί σε κλινικά πλαίσια.

Η μελέτη χρηματοδοτήθηκε από το " Imperial’s Excellence Fund for Frontier Research" , το Wellcome Trust και το Κέντρο Βιοϊατρικών Ερευνών (Biomedical Research Centre) του UCLH NIHR.

Δημοσιεύθηκε στο Digital Medicine στις 6-3-20
Full-waveform inversion imaging of the human brain
https://www.nature.com/articles/s41746-020-0240-8

πηγή 17-3-20
https://physicsworld.com/a/seismic-imaging-technology-sees-deep-inside-the-brain/
https://www.imperial.ac.uk/news/195954/seismic-imaging-technology-could-deliver-detailed/

φωτο: Computer simulated images of FWI detecting a brain haemorrhage