Visualisierung in der Medizin

Die Entdeckung der Röntgenstrahlen im Jahr 1895 und das erste Röntgenbild von Frau Röntgens Hand eröffneten eine neue Ära der Radiologie und der Forschung der medizinischen Bildgebung. Die Entwicklung der traditionellen medizinischen Bildgebung dauert seit über 100 Jahren an und dient der Erkennung, Diagnose und Behandlung von menschlichen Krankheiten mit einem klaren Blick auf die anatomischen Informationen. In den späten 1990er-Jahren wurde das Konzept der molekularen Bildgebung vorgeschlagen, als sich die Wissenschaft und Technologie der Molekularbiologie und Bioingenieurwesen rasch entwickelten, und es führte direkt zur Entstehung der Präzisionsmedizin für klinische, auf Läsionen zielgerichtete Behandlungen gegen verschiedene Krebserkrankungen und kardiovaskuläre Erkrankungen. Physiologische und pathologische Veränderungen in lebenden Körpern, von Zebrafischen bis hin zu Menschen, können abgebildet werden, um eine effiziente bildgeführte Therapie zu gewährleisten. Heutzutage ist die Philosophie der medizinischen und molekularen Bildgebung ein mächtiges Werkzeug und eine unverzichtbare Modalität für Ärzte, um ihre Entscheidungen zu treffen und den Patienten zuverlässige Ratschläge zu geben. Mit den immer wieder auftauchenden Entwicklungen fortschrittlicher intelligenter Technologien wie flexiblen Sensoren, medizinischer Meta-Daten-Analyse, Gehirnwissenschaften, chirurgischen Robotern, VR/AR usw. entwickelt sich die moderne Medizin von der traditionellen medizinischen und molekularen Bildgebung zur visualisierten Medizin, die neuartige zugängliche Ansätze zusammen mit hochmodernen Techniken für revolutionäre diagnostische und therapeutische Paradigmen geschaffen hat. In diesem Zusammenhang werden die Geschichte und Meilensteine von der medizinischen Bildgebung zur visualisierten Medizin erläutert. Insbesondere werden repräsentative Fortschritte der visualisierten Medizin, einschließlich ihrer Anwendung auf die COVID-19-Epidemie, diskutiert, um ihre wichtigen Beiträge und eine zukünftige Perspektive für die moderne Medizin zu betrachten.

Medizinische Bildgebung ist eine Technologie, die die Wechselwirkung zwischen dem menschlichen Körper und Bestrahlungen von Röntgenstrahlen, Ultraschall, Magnetfeldern usw. untersucht und anatomische Strukturen menschlicher Organe/Gewebe mit der Implikation der Bestrahlungsabschwächung in Form von Graustufen darstellt. Mit diesen medizinischen Bildern können klinische Ärzte detaillierte Informationen über den Gesundheitszustand und die Krankheitsdiagnose beurteilen, um einen geeigneten Therapieansatz zu bestimmen. Dieses Kapitel wird eine systematische Einführung in die Modalitäten, Klassifikationen, Grundprinzipien und biomedizinischen Anwendungen der traditionellen medizinischen Bildgebung sowie in die Typen, Konstruktion und Hauptmerkmale der entsprechenden Kontrastmittel oder Bildgebungssonden geben.

Mit der Entwicklung der Zellbiologie, Molekularbiologie und anderer Fächer wurde die gezielte molekulare Sonde mit medizinischen Bildgebungstechnologien kombiniert, um eine neue wissenschaftliche Disziplin der molekularen Bildgebung zu starten, die eine Forschungsdisziplin ist, um biologische Prozesse auf zellulärer und molekularer Ebene zu visualisieren, zu charakterisieren und zu analysieren, für die Echtzeitverfolgung und Präzisionstherapie, auch als die medizinische Bildgebung des 21. Jahrhunderts bezeichnet. Eine Reihe von Bildgebungstechniken wurden entwickelt, um spezifische Ziele lebender Zellen oder Gewebe durch molekulare Sonden zu visualisieren, einschließlich optischer molekularer Bildgebung (OI), magnetischer Resonanzmolekularbildgebung, Ultraschall (US) molekularer Bildgebung, nuklearmedizinischer molekularer Bildgebung, Röntgenmolekularbildgebung und multimodaler molekularer Bildgebung. Diese Bildgebungstechniken ermöglichen die Früherkennung verschiedener Krankheiten durch die Visualisierung der Genexpression, der Interaktionen zwischen Proteinen, der Signaltransduktion, des Zellstoffwechsels, der Zellspuren und anderer physiologischer oder pathologischer Prozesse im lebenden System, die die Lücke zwischen Molekularbiologie und klinischer Medizin überbrücken. Dieses Kapitel wird den Schwerpunkt auf die Frühdiagnose tödlicher Krankheiten legen, wie bösartige Tumore, kardiovaskuläre oder zerebrovaskuläre Erkrankungen, Erkrankungen des Verdauungssystems, Erkrankungen des zentralen Nervensystems und andere Krankheiten. Dabei wird die molekulare Bildgebung in einer Echtzeit-visualisierten Weise verwendet.

Chemotherapie, Strahlentherapie und Chirurgie sind traditionelle Krebsbehandlungen, die normalerweise unvorhersehbare Nebenwirkungen und potenzielle Risiken für normale gesunde Organe/Gewebe verursachen. Daher sind sichere und zuverlässige Behandlungsstrategien dringend erforderlich, um die therapeutische Effizienz an den Läsionen zu maximieren und die Risiken für gesunde Bereiche zu minimieren. Zu diesem Zweck ist es mit der molekularen Bildgebung möglich, eine spezifische, zielgerichtete Therapie durchzuführen. Darüber hinaus hat die Bildführung als präziser visualisierter Ansatz für Echtzeit-In-situ-Bewertungen sowie als intraoperative Navigationsmethode in den letzten zehn Jahren große Aufmerksamkeit erlangt. Zusammen mit der rasanten Entwicklung multifunktionaler Mikro-/Nanobiomaterialien wurden vielseitige, hochmoderne und fortschrittliche Therapiestrategien (z. B. Wärmetherapie, dynamische Therapie, Gastherapie usw.) erreicht, sie haben in jeder Hinsicht erheblich zu den bildgeführten Präzisionsbehandlungen beigetragen. Daher zielt dieses Kapitel darauf ab, sowohl traditionelle als auch fortschrittliche Krebsbehandlungen zu diskutieren und insbesondere die wichtigen Rollen zu erläutern, die die visualisierte Medizin bei den bildgeführten Präzisionsbehandlungen spielt.

Es ist von entscheidender Bedeutung, therapeutische Verfahren mit einem direkten und visuellen Ansatz zu leiten oder zu navigieren, um präzise medizinische Manipulationen sorgfältig durchzuführen und die Behandlungen effizient zu bewerten. Bildgesteuerte Chirurgie ist eine der gängigen und vorherrschenden Technologien, um dieses Ziel zu erreichen, und wichtiger noch: Sie integriert die visualisierte Medizin in die theranostischen Paradigmen der nächsten Generation in der modernen Medizin. Endoskope, chirurgische Roboter und Nanoroboter sind drei Hauptbereiche im Hinblick auf die bildgesteuerte Chirurgie. Die Geschichte der Endoskopie hat seit den frühen 1800er-Jahren fortschrittliche Entwicklungen erlebt. Im Gegensatz dazu wurden chirurgische Roboter in den letzten Jahren weit verbreitet eingesetzt und untersucht, und sie kamen erst in den letzten Jahrzehnten in die klinische Anwendung. Nanoroboter, die stark von innovativen und multifunktionalen Biomaterialien abhängen, befinden sich noch in den Kinderschuhen. All diese bildgesteuerten Technologien zeigen ähnliche und offensichtliche Vorteile wie minimale Invasivität, minimierte Schmerzen, positive Prognose und relativ erwartete Genesung, die die Effizienz der Chirurgie und die Lebensqualität der Patienten erheblich verbessert haben. Daher wird die bildgesteuerte Chirurgie in diesem Kapitel diskutiert, und es zeigt auch fortschrittliche klinische und präklinische medizinische Anwendungen für ein vielfältiges Publikum und ein umfassendes Verständnis auf.

Künstliche Intelligenz (KI) spielt eine äußerst wichtige Rolle bei der Förderung der Revolution zukünftiger Technologien. Das Gesundheitswesen ist eine der vielversprechenden Anwendungen der KI, die medizinische Bildgebung, Diagnose, Robotik, Krankheitsvorhersage, Pharmazie, Gesundheitsmanagement und Krankenhausmanagement umfasst. Zahlreiche Errungenschaften in diesen Bereichen revolutionieren jeden Aspekt des traditionellen Gesundheitssystems. Daher werden in diesem Kapitel die Anwendungen der KI in der Krankheitsdetektion und -prognose sowie die zukünftigen Trends der KI-unterstützten Krankheitsvorhersage diskutiert, um den aktuellen Stand der KI im Gesundheitswesen sowie die Chancen und Hindernisse in ihrer Entwicklung zu verstehen.

Die Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI), auch bekannt als Gehirn-Maschine-Schnittstelle (BMI), hat in biomedizinischen Anwendungen große Aufmerksamkeit erregt. Wichtiger noch: BCI-Technologien haben aufgrund der Innovationen und klinischen Übersetzungen von BCI die frühen Vorhersagen, Diagnosetechniken und Rehabilitationsstrategien bei akuten Krankheiten erheblich revolutioniert. Daher wird in diesem Kapitel eine umfassende Beschreibung der grundlegenden Konzepte von BCI dargestellt und verschiedene Visualisierungstechniken, die in den medizinischen Anwendungen von BCI eingesetzt werden, diskutiert.

Organ-on-a-chip (OOC) ist eine aufstrebende interdisziplinäre Wissenschaft und Technologie, die in den letzten 10 Jahren entwickelt wurde. Es wurde erstmals vom Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering der Harvard Medical School vorgeschlagen. Es besteht aus einem transparenten, flexiblen Polymer in der Größe eines Computer-Speichersticks mit hohlen mikrofluidischen Kanälen, die mit lebenden menschlichen Zellen ausgekleidet sind. Forscher verwendeten bionische Methoden, um die Mikroumgebung menschlicher Zellen auf mikrofluidischen Chips zu simulieren, um so die grundlegenden physiologischen Funktionen der entsprechenden Gewebe und Organe in vitro zu realisieren. Transparente Chipmaterialien können eine Echtzeit-Visualisierung und hochauflösende Analyse verschiedener menschlicher Lebensprozesse auf eine Weise durchführen, die in Tiermodellen unmöglich ist, um so die Mikroumgebung menschlichen Gewebes besser zu reproduzieren und biologische Systeme in vitro zu simulieren und den Arzneimittelstoffwechsel und andere Lebensprozesse zu beobachten. Es bietet innovative Forschungssysteme und Systemlösungen für die In-vitro-Bionik biologischer Systeme. Es ist auch allmählich zu einem neuen Werkzeug für die Erforschung von Krankheitsmechanismen und die Entwicklung neuer Medikamente geworden. In diesem Kapitel werden wir die derzeitige Forschungsreife Einzelorgan-on-a-Chip und Multi-Organ-Human-on-a-Chip als Beispiele nehmen; einen Überblick über den Forschungsstand und die zugrundeliegenden Technologien in diesem Bereich geben, insbesondere die Anwendung von in vitro bionischen Modellen in der visualisierten Medizin, und die absehbaren zukünftigen Entwicklungsperspektiven nach der Integration von Organ-on-Chip- und Organoid-Technologie betrachten.