Revoluční metoda: Váš chytrý telefon by mohl brzy odhalit nemoci pouhým pohledem na kůži

Vědci z Kalifornského technologického institutu (Caltech) vyvinuli novou metodu, která detekuje drobné, nepostřehnutelné pohyby na povrchu objektů, aby odhalila detaily o tom, co se skrývá pod nimi. Analýzou fyziky vln šířících se po povrchu objektu – ať už jde o vyrobený produkt nebo lidské tělo – může tato nová technika určit jak tuhost, tak tloušťku podkladového materiálu nebo tkáně. To pokládá základy pro konečný cíl projektu: umožnit levné domácí monitorování zdraví s využitím jen o málo víc než kamery chytrého telefonu.

„Všude kolem nás jsou na očích informace, které jsme se jen nenaučili využívat. Naše práce se snaží tyto informace využít k získání materiálových vlastností z nitra objektů studiem drobných pohybů na povrchu,“ říká Katie L. Bouman, profesorka výpočetních a matematických věd, elektrotechniky a astronomie na Caltechu a zároveň Rosenberg Scholar a výzkumnice Heritage Medical Research Institute (HMRI).

Bouman a její kolegové z Caltechu představili tuto techniku, nazvanou vizuální elastografie povrchových vln, a její lékařské aplikace v práci prezentované na Mezinárodní konferenci o počítačovém vidění v Honolulu loni na podzim. Hlavními autory jsou Alexander C. Ogren, Ph.D., a Berthy T. Feng, Ph.D., kteří práci dokončili během svého působení na Caltechu.

Skupina již dříve prokázala, že vibrace zachycené kamerou lze použít k odvození různých materiálových vlastností uvnitř 3D objektu se známou geometrií. Motivací pro tuto práci bylo ukázat, že proces by mohl být užitečný pro nedestruktivní testování, například pro detekci vnitřních trhlin nebo ověření strukturální integrity vyrobených komponent.

Odhalení skrytých detailů pod kůží Tým se od té doby obrátil k biomedicínským aplikacím, kde podobné povrchové vlny mohou poskytnout vhled do podpovrchové struktury, aniž by se spoléhaly na předem existující model geometrie objektu.

„Zeptali jsme se: ‚Můžete odvodit vlastnosti lidské tkáně podle toho, jak se děje pohyb na kůži?‘ A odpověď je ano,“ říká Feng, který je nyní postdoktorandem na MIT. Vizuální elastografie povrchových vln umožňuje vědcům měřit tuhost podkladové tkáně i její tloušťku – jak daleko se měkká tkáň rozprostírá, než dosáhne kosti. Změna tuhosti tkáně by mohla být biomarkerem pro onemocnění, jako je růst nádoru nebo onemocnění jater. Mezitím by měření tloušťky mohla být cenná pro monitorování svalové degenerace u nemocí, které způsobují například atrofii.

„Protože všichni máme kamery v kapsách, můžeme provádět častá, levná měření vlastností našich tkání, abychom proaktivně sledovali naše zdraví v průběhu času,“ říká Ogren. „Mohli bychom upozornit na znepokojivé změny a nabádat vás, abyste si je nechali zkontrolovat. Například systém by mohl říci: ‚Tato oblast tkáně se za poslední měsíc znatelně ztuhla. Možná byste měli navštívit lékaře pro řádné vyhodnocení.‘“

Jak technologie funguje Nová technika využívá algoritmus nazvaný fázové zpracování pohybu k detekci minutových změn polohy ve videozáznamu, které se vyskytují na kůži díky vlnám s malou amplitudou, produkovaným vnějšími silami, jako je rychlý tlak z masážní pistole nebo dokonce zvukové vibrace z blízkého reproduktoru. Vlny by mohly být také vyvolány vibracemi z nositelného zařízení, jako jsou hodinky. Důležité je, že technika také kvantifikuje zaznamenané pohyby, které jsou lidským okem nezjistitelné.

„V podstatě metoda analyzuje lokální oblasti každého snímku a aplikuje standardní techniky zpracování signálu k odhadu subpixelového pohybu, rozlišující posuny tak malé jako jedna pětistina pixelu,“ vysvětluje Bouman.

Vědci poté používají spektrální analýzu k matematickému zachycení šíření těchto povrchových vln. Vlny jsou rozloženy na módy, které se periodicky opakují v čase a prostoru. Frekvence popisuje, jak rychle se mód opakuje v čase. Vlnové číslo popisuje rozestup mezi vrcholy a údolími vln. Kombinací všech těchto módů mohou vědci vytvořit matematickou reprezentaci nazvanou disperzní relace, která vlny reprezentuje.

Důležité je, že vlny viditelné na úrovni kůže souvisejí s tím, co se děje s vrstvami tuku, svalů a kostí pod povrchem, a jsou jimi ovlivněny. Vědci nabízejí metaforu oceánských vln přicházejících k pobřeží. Ačkoli můžeme vidět pouze vývoj vln a způsob, jakým se lámou, jsou ovlivněny například vzestupy a poklesy mořského dna. Podobně materiálové vlastnosti a tloušťka podkladové měkké tkáně určují, které párování vlnového čísla a frekvence se projeví jako vlny na kůži.

První úspěšné testy Dále se výzkumníci obracejí k fyzikální simulaci biologické tkáně, která modeluje měkkou vrstvu na mnohem tužší kostní vrstvě. Tento fyzikální model jim umožňuje identifikovat kombinaci tloušťky a tuhosti v tkáni, která vede k disperzní relaci, jež se nejvíce shoduje s tou odvozenou z videa.

V práci tým ověřuje svou metodu daty z anatomicky přesné simulované lidské nohy, stejně jako skutečnými měřeními z želatinového modelu. V případě želatinových experimentů nová technika přinesla výsledky srovnatelné s výsledky vysoce přesného přístroje nazývaného reometr. A ve studiích simulované nohy nová metoda poskytla vynikající odhady tloušťky a tuhosti ve třech různých bodech nohy, přestože noha měla různou neideální geometrii, stejně jako skutečná lidská těla.

„Je vzrušující vidět, jak silné může být počítačové vidění při odhalování skrytých vlastností pod povrchem,“ říká Chiara Daraio, profesorka mechanického inženýrství a aplikované fyziky na Caltechu a výzkumnice HMRI. „Tato práce ukazuje, že i v systému tak složitém, jako je lidská končetina, může dynamická analýza viditelných povrchových vln odhalit podpovrchové charakteristiky, které jsou obvykle nemožné detekovat bez kontaktu.“

Publikováno v: Alexander C. Ogren a kol., Visual Surface Wave Elastography: Revealing Subsurface Physical Properties via Visible Surface Waves, Proceedings of the IEEE/CVF International Conference on Computer Vision (2025). Původní zdroj: Medical Xpress.