Ny medicinsk billedbehandlingstilgang åbner mulighed for forbedrede diagnoser og interventioner

Forskere fra Helmholtz Zentrum München og University of California, Los Angeles (UCLA), i fællesskab udviklet nye billeddannelsesværktøjer for at muliggøre ikke-invasiv billeddannelse af forskellige strukturer, som blodkar, i flerfarvet og i realtid. Det nye billeddannelsessystem er baseret på en tilgang, der er meget udbredt i andre industrier og tillader overvågning af flere parametre (multipleksing) - en teknisk udfordring, som kan forstyrre fremtidige kliniske billedbehandlingsapplikationer.

Medicinsk billeddannelse er et nøgleværktøj til diagnosticering og billedstyret kirurgi. Billeddannelse hos pattedyr, imidlertid, bliver udfordrende, når motivet er i bevægelse eller vågent - en vigtig forudsætning for nøjagtig overvågning. Nuværende tilgange har endnu ikke opnået en kombination af billeddannelse i realtid, multipleksing, høj grad af vævsgennemtrængning, og et passende opløsningsniveau, som tillader skelnen mellem forskellige typer strukturer, f.eks. nerver og blodkar.

Leder efter en bedre løsning

Forskergruppen ledet af biokemikeren Oliver Bruns i München og kemikeren Ellen Sletten i Los Angeles udforskede potentialet ved kortbølge infrarød billeddannelse, eller SWIR-billeddannelse. Denne eksisterende billeddannelsesmetode er almindeligt anvendt i forsvarsrelaterede applikationer og astronomi, men var indtil videre blevet underudforsket til kliniske applikationer.

"Vi ønskede at udnytte det faktum, at SWIR-regionen giver overlegen opløsning og større vævsgennemtrængning end den nære infrarøde region. Den tilbyder også et udvidet bølgelængdeområde, der tillader flere kanaler adskilt nok til at blive detekteret side om side, siger Ellen Sletten, der er professor i Institut for Kemi og Biokemi ved UCLA og delt tilsvarende forfatter. "At udforske denne egenskab kan vise sig at være afgørende for overvågning af flere parametre samtidigt."

Udforskning af potentialet i et nyt system

Holdet designede og syntetiserede nye farvestoffer og karakteriserede deres fotofysiske egenskaber, hvilket indikerede deres evne til multiplekseret excitation i realtid i de nær-infrarøde og SWIR-regioner. Det udviklede derefter en ny SWIR-billeddannelseskonfiguration med tre lasere og et passende kamera og demonstrerede, in vivo, at de kunne optage flerfarvede film i realtid. Oven i købet, de fangede billeder, der tydeligt adskiller lymfekar fra vener og arterier og overvåger deres funktion. Teknologien er også hurtig nok til at afbilde i vågne og bevægelige mus.

Desuden, realtidsfeedbacken muliggjorde billedstyret kirurgi i mus.

"Evnen til at differentiere flere tæt placerede væv, såsom lymfe- og kredsløbsstrukturer og samtidig overvåge deres funktion har implikationer i ikke-invasiv diagnostik såvel som i udvidelse af teknologier til fluorescens-guidet kirurgi, " tilføjer Emily Cosco, som udførte denne undersøgelse både ved Helmholtz Zentrum München og ved UCLA.

I øjeblikket, gruppen på Helmholtz Pioneer Campus samarbejder med kirurger og læger på Stanford samt i München og Köln for at omsætte den nye teknologi til klinisk praksis i den nærmeste fremtid. Vægten i disse kliniske samarbejder er på behandling af kræft og inflammation.

Oliver Bruns, den anden tilsvarende forfatter, der er hovedforsker på Helmholtz Pioneer Campus i Helmholtz Zentrum München, siger, "Vores system har potentialet til at forstyrre medicinske applikationer. Det næste skridt er at fastslå, hvordan denne teknologi kan oversættes fra bænken til sengekanten. En klar potentiel anvendelse er intraoperativ billeddannelse. Selvfølgelig, Der kræves en masse arbejde for at se, hvad den faktiske operation er, der vil drage fordel af SWIR, men evnen til at skelne strukturer i flere farver gør nu dette værktøj til en potentiel kandidat til tumorresektion."