07:00 
Когда кто-то попадает в отделение неотложной помощи с симптомами инсульта, важна каждая секунда. Но сегодня для диагностики типа инсульта, решающего вопроса жизни и смерти между тромбом и кровотечением, требуются большие стационарные машины, такие как компьютерные томографы, которые могут быть доступны не везде. В машинах скорой помощи, сельских клиниках и во многих больницах по всему миру врачи часто не имеют возможности сделать это вовремя.
В течение многих лет ученые представляли себе другой мир, в котором легкое устройство микроволновой визуализации размером не больше велосипедного шлема могло бы позволить врачам заглянуть внутрь головы без радиации, без экранированной комнаты и без ожидания. Эта идея не является надуманной. Технология микроволновой визуализации уже существует и может обнаруживать изменения в электрических свойствах тканей - изменения, которые происходят, когда инсульт, отек или опухоль нарушают нормальную структуру мозга.
Настоящим препятствием всегда была скорость.
Аппаратное обеспечение может быть портативным. Но вычисления, необходимые для преобразования необработанных микроволновых данных в реальное изображение, были слишком медленными. Вы не можете ждать до часа, чтобы узнать, случился ли у кого-то геморрагический инсульт».
Стивен Ким, профессор-исследователь кафедры биомедицинской инженерии Нью-Йоркского университета в Тандоне
Ким вместе со аспиранткой BME Ларой Пинар и заведующим кафедрой Андреасом Хильшером полагают, что этот барьер теперь может исчезнуть. В новом исследовании, опубликованном в IEEE Transactions on Computational Imaging, команда описывает инновационный алгоритм, который реконструирует микроволновые изображения в 10–30 раз быстрее, чем лучшие существующие методы, - скачок, который может превратить микроволновую визуализацию в реальном времени из теории в практику.
Это прорыв, который стал результатом не создания новых устройств или разработки более быстрого оборудования, а переосмысления математики, лежащей в основе самой визуализации. Ким вспоминает, как проводил долгие ночи в лаборатории, наблюдая, как микроволновые печи ползут по кадрам: «Вы почти могли слышать работу компьютера. стон, - сказал он. - Это было похоже на попытку толкнуть валун в гору. Мы знали, что должен быть лучший способ».
Суть проблемы заключается в том, как работают традиционные алгоритмы. Они неоднократно пытаются «угадать» электрические свойства ткани, проверить, объясняет ли это предположение измеренные микроволновые сигналы, и снова скорректировать предположение. Это утомительный процесс, который может потребовать решения больших электромагнитных уравнений сотни раз.
Новый метод команды идет по другому пути. Вместо того, чтобы требовать идеально точного промежуточного решения на каждой итерации, их алгоритм позволяет быстрые, несовершенные аппроксимации на ранних этапах и повышение точности только по мере необходимости. Этот переход, простой в концепции, но мощный на практике, значительно сокращает количество тяжелых вычислений.
Чтобы сделать процесс еще более эффективным, команда использовала несколько умных приемов: использование компактного математического представления для уменьшения размера проблемы, оптимизацию расчета обновлений и использование подхода к моделированию, который остается стабильным даже для сложных форм головы.
Результаты поразительны. Реконструкции, которые когда-то требовали почти одного часа. В тестах с реальными экспериментальными данными, в том числе с цилиндрическими мишенями, полученными с помощью микроволнового сканера из Университета Манитобы, этот метод неизменно давал высококачественные результаты за секунды, а не за минуты.
Для Кима и Хильшера, которые десятилетиями совместно работали над методами оптической и микроволновой визуализации, повышение скорости кажется долгожданным поворотным моментом: «Мы всегда знали, что микроволновая визуализация может быть портативной и доступной. Но без быстрой реконструкции технология не сможет внедриться в реальные клинические условия», — сказал Хильшер. «Теперь мы, наконец, закрываем этот пробел».
Это обещание выходит далеко за рамки обнаружения инсульта. Портативные микроволновые устройства однажды смогут стать доступной альтернативой маммографии в условиях ограниченных ресурсов, контролировать отек мозга в отделениях интенсивной терапии без повторных компьютерных томографий или отслеживать реакцию опухоли на терапию, наблюдая тонкие изменения в составе тканей.
Сейчас команда сосредоточена на расширении алгоритма для Полная трехмерная визуализация — шаг, который еще больше приблизит микроволновую томографию к практическому внедрению. Но импульс ощутим. «Мы берем технологию, которая годами застряла в лаборатории, и придаем ей необходимую скорость, чтобы иметь значение для клинической практики», — сказал Ким. «Это то, что нас волнует: представить, как много пациентов когда-нибудь смогут извлечь из этого пользу».
