Nyt kamera inspireret af sommerfugleøjne forbedrer billedstyret kræftkirurgi

Ved at efterligne en sommerfugls indviklede visuelle system, forskere har skabt et kamera, der giver kirurger både et traditionelt farvebillede såvel som et nær-infrarødt billede, der gør fluorescerende mærkede kræftceller synlige selv under skarp kirurgisk belysning. Det nye kamera er designet til at hjælpe kirurger med at fjerne alle kræftceller uden at beskadige sundt væv, hvilket gør det mindre sandsynligt, at kræften spreder sig og reducerer behovet for flere operationer.

"I stedet for at sammensætte kommercielt tilgængelige optik og sensorer for at bygge et kamera til billedstyret kirurgi, vi kiggede på naturens visuelle systemer for at få inspiration, " sagde leder af forskerholdet Viktor Gruev fra University of Illinois i Urbana-Champaign. "Den morfosommerfugl, hvis øjne indeholder nanostrukturer, der registrerer multispektral information, kan erhverve både nær-infrarød og farveinformation samtidigt."

I Optica , The Optical Society's journal for high impact research, forskerne viser, at deres bioinspirerede kamera kan detektere tumorer i dyr og er nyttigt til at vurdere stadiet af brystkræft hos mennesker. Det nye kamera tilbyder meget følsom fluorescensdetektion selv under standard operationsstuebelysning, vejer mindre end et AA-batteri, og kan fremstilles for omkring $20.

"Under operationen, det er bydende nødvendigt, at alt kræftvæv fjernes, og vi har skabt en billedbehandlingsplatform, der kan hjælpe kirurger med at gøre dette på ethvert hospital rundt om i verden, fordi det er lille, kompakt og billig, " sagde Gruev. "Selvom vi har adresseret instrumenteringssiden, fluorescerende markører målrettet mod kræft og godkendt til brug i mennesker er nødvendige for, at vores teknologi kan finde udbredt anvendelse. Flere af disse er i kliniske forsøg nu, så vi bør snart se fremskridt på dette område."

At lære af naturen

Det nye kamera forbedrer i høj grad nutidens kameraer, der er godkendt af U.S. Food and Drug Administration (FDA) til at se fluorescerende markører under operation. Mange eksisterende nær-infrarøde kameraer mangler følsomheden til at detektere fluorescensmarkører under kirurgiske omgivelser, så rummets lys skal dæmpes for at se fluorescensen.

Et andet problem med nutidens infrarøde billedapparater er, at fluorescensbilledet ikke altid er præcist justeret, eller samregistreret, med det væv, det stammer fra. Dette sker, fordi FDA-godkendte instrumenter bruger flere optiske elementer, såsom stråledelere og relælinser, at adskille de synlige og infrarøde bølgelængder, så hver enkelt kan sendes til separate detektorer. Små temperaturændringer i rummet kan påvirke optikken i disse instrumenter og forårsage billedforstyrrelser, der kan få en kirurg til at gå glip af kræftvæv, mens den unødvendigt fjerner sunde problemer.

"Vi indså, at problemerne med nutidens infrarøde billedapparater kunne afbødes ved at bruge nanostrukturer svarende til dem i morfosommerfuglen, " sagde Missael Garcia, en post-doc forsker ved University of Illinois i Urbana-Champaign og hovedforfatter af papiret. "Deres sammensatte øjne indeholder fotoreceptorer placeret ved siden af ​​hinanden, således at hver fotoreceptor fornemmer forskellige bølgelængder af lys på en måde, der er iboende samregistreret."

Det nye kamera bruger en opsætning, der ligner sommerfugleøjet ved at sammenflette forskellige nanoskalastrukturer med en række fotodetektorer, muliggør indsamling af farve- og nær-infrarød fluorescensinformation på én billeddannende enhed. Integrering af detektoren og billedoptikken i en enkelt monolitisk sensor holder enheden lille, billig og ufølsom over for temperaturændringer.

Designet løser entydigt følsomhedsproblemet ved at lade hver pixel tage det antal fotoner, der er nødvendige for at opbygge et billede. Det tager ikke lang tid at skabe det visuelle bølgelængdebillede for at se anatomien, da den synlige belysning i laboratoriet er høj. På den anden side, fordi fluorescens typisk er svag, det tager længere tid at indsamle et tilstrækkeligt antal fotoner til at opbygge et tilstrækkeligt lyst billede. Ved at ændre eksponeringstiden, så hver pixel kan registrere de fotoner, den har brug for, et lyst fluorescensbillede kan skabes uden at overeksponere vævets farvebillede.

Præklinisk og klinisk test

Forskerne testede deres nye instrument på en musemodel, der udvikler spontan brystkræft. Det betyder, at det nøjagtige sted, hvor kræften vil vokse, er ukendt, ligesom antallet af kræftceller. Brug af fluorescerende mærker, der binder til kræftceller, forskerne viste, at deres bioinspirerede billedkamera muliggjorde tumordetektion med en nøjagtighed og følsomhed, der oversteg de avancerede infrarøde kameraer, der er FDA-godkendt til billedstyret kirurgi.

Forskerne testede også deres infrarøde kameras evne til at identificere lymfeknuder hos 11 patienter med brystkræft på Washington University School of Medicine i St. Louis. Fordi lymfeknuderne er et af de primære steder, hvor brystkræft spredes, kirurger tjekker dem for at bestemme kræftstadiet. Patienterne blev injiceret med FDA-godkendt indocyaningrønt fluorescerende farvestof, der akkumuleres passivt i lymfeknuderne, og derefter blev fluorescensbilleder fra det bioinspirerede billedapparat vist enten på en skærm eller projiceret på beskyttelsesbriller båret af kirurgerne.

"Vi viste, at under skarpe kirurgiske lys, vores instrument var 1000 gange mere følsomt over for fluorescens end de billedapparater, der i øjeblikket er godkendt til infrarød billedstyret kirurgi, " sagde Gruev. "Fordi det bioinspirerede billedapparat kan afsløre fluorescens, der er dybt i vævet, det fremskyndede processen med lymfeknudeidentifikation og hjalp kirurger med at finde lymfeknuder, som ikke kunne ses af synet alene."

Ifølge forskerne, det bioinspirerede billedapparat ville være nyttigt til at fjerne forskellige typer kræft, herunder melanomer, prostatacancer og hoved- og halskræft. På grund af sin lille størrelse kunne det også integreres i et endoskop for at lede efter kræft under en koloskopi, for eksempel.

"En stor fordel ved vores instrument er dets kompakte størrelse, " sagde Garcia. "Vi testede vores instrument på et hospital, hvor pladsen var trang og så, at det ikke trængte ind på den kirurgiske arbejdsgang."

Forskerne danner nu en nystartet virksomhed for at kommercialisere deres bioinspirerede imager og arbejder også sammen med FDA om at designe et klinisk forsøg, hvor kirurgerne kan sammenligne kliniske beslutninger taget med det nye imager med dem, der ville blive truffet med FDA-godkendt billedapparater.