De fotoakoestische (PA) beeldvorming heeft zich bewezen als een waardevolle techniek voor het visualiseren van verschillende medische objecten, waaronder brachytherapie zaadjes. Dit onderzoek richt zich op het evalueren van de effectiviteit van PA-beeldvorming in vergelijking met echografie (US) bij het visualiseren van zaadjes, zoals die gebruikt worden in medische behandelingen zoals prostaatkanker.

De oriëntatie van de zaadjes heeft invloed op de visualisatiekwaliteit, zowel in PA- als US-beelden. Wanneer de zaadjes een kleine rotatie van 15° ondergaan, is een groot deel van het zaadje zichtbaar in de PA-beelden, terwijl bij US-beelden alleen de proximale punt zichtbaar is. Verder wordt het middelste gedeelte van het zaadje bij beide beeldvormingsmethoden onduidelijk. Dit komt voornamelijk door artefacten die ontstaan door de sterk reflecterende oppervlakken van de zaadjes, zoals de kometstaart of akoestische reverberatie-artefacten die zichtbaar zijn in de PA- en US-beelden. Dit wordt geïllustreerd in Figuur 21.4a van het onderzoek.

Wanneer de zaadjes zijn ingebed in bovine prostaatweefsels en ex vivo worden geïmageerd, biedt PA-beeldvorming een significant voordeel: zaadjes kunnen tot op een diepte van 13 mm worden gevisualiseerd, met een contrastverbetering van maar liefst 27,9 dB ten opzichte van US-beelden. Deze verbetering is cruciaal voor het uitvoeren van nauwkeurige medische behandelingen, zoals brachytherapie, waar de nauwkeurigheid van het visualiseren van implantaten essentieel is voor het succes van de behandeling.

De keuze van de golflengte speelt ook een belangrijke rol in de effectiviteit van PA-beelden. Onderzoek heeft aangetoond dat langere golflengten, zoals 1047 nm en 1064 nm, voordelen bieden voor de visualisatie van metalen zaadjes. Bij deze golflengten wordt er een balans bereikt tussen de lichtabsorptie door de metalen en de lichtverzwakking in het weefsel. Dit resulteert in een beter onderscheid tussen het zaadje en de omliggende weefsels. In de studie van Tyler et al. (2011) werd bijvoorbeeld aangetoond dat PA-beeldvorming bij 1064 nm de zaadjes nauwkeuriger identificeerde dan bij kortere golflengten of bij gebruik van US-beelden. Dit bevorderde de classificatieprestaties, zoals blijkt uit de AUC-waarde (0,80 voor PA versus 0,59 voor US).

Ook het gebruik van verschillende lichtbezorgingsmethoden heeft invloed op de PA-beeldvorming. In de context van brachytherapie werd onderzocht hoe licht via verschillende routes (transrectaal, transperineaal, en transurethraal) kan worden toegediend om de diepere lagen van het prostaatweefsel te bereiken. Dit is van belang voor het bereiken van een afbeeldingsdiepte van ongeveer 5 cm, wat typisch nodig is tijdens volledige zaadimplantaties. De studie toont aan dat transrectale en transurethrale lichtbezorging elk hun eigen voordelen en beperkingen hebben. Transrectale lichtbezorging heeft bijvoorbeeld beperkte lichtpenetratie door de optische verzwakking aan de rectale wand, terwijl transurethrale lichtbezorging flexibeler is, omdat het licht parallel aan de vezel-as kan worden gericht voor een breder bereik.

In de klinische praktijk wordt het gebruik van PA-beeldvorming steeds meer erkend voor het visualiseren van medische implantaten, zoals brachytherapiezaadjes. Bij de toepassing van PA in combinatie met echografie kan er een gedetailleerder beeld worden verkregen van zowel de zaadjes als het omliggende weefsel, wat van onschatbare waarde is bij het sturen van minimaal invasieve medische procedures. Dit wordt verder ondersteund door onderzoek van Bell et al. (2015), waarin de mogelijkheden van PA-beeldvorming werden getest in verschillende settings met zowel ex vivo als in vivo proeven.

Er wordt verder onderzoek gedaan naar de optimale configuraties voor lichtlevering bij PA-beeldvorming van brachytherapiezaadjes, zoals de integratie van optische vezels met brachytherapie-naalden voor gerichte verlichting nabij de zaadjes. Deze technologie kan medische professionals helpen bij het nauwkeurig positioneren van zaadjes tijdens de behandeling en biedt een aanzienlijke verbetering ten opzichte van conventionele beeldvormingstechnieken zoals echografie.

Behalve de specifieke toepassingen voor zaadjes, is PA-beeldvorming ook relevant voor andere medische hulpmiddelen, zoals coronair stents. In tegenstelling tot de traditionele röntgenfluoroscopy, die röntgenstraling gebruikt en beperkte diepteperceptie heeft, biedt PA-beeldvorming gedetailleerde beelden van de stents, evenals de omliggende weefsels. Dit maakt PA-beeldvorming een waardevol hulpmiddel voor het nauwkeurig plaatsen van stents in de bloedvaten.

Het gebruik van PA-beeldvorming in combinatie met andere beeldvormingstechnieken zoals echografie kan uiteindelijk de klinische nauwkeurigheid en effectiviteit van minimaal invasieve behandelingen verbeteren. Dit maakt het een belangrijk hulpmiddel in de toekomst van medische beeldvorming, vooral in procedures die precisie en minimale invasiviteit vereisen.

Hoe Verbeterde Fotoakoestische Beeldvorming Interventionele Apparaten Kan Verbeteren

In de medische technologie worden stentprocedures steeds complexer, waarbij de precieze plaatsing van apparaten zoals stents van essentieel belang is. Een belangrijke uitdaging bij het verbeteren van de beeldvormingstechnieken is de optimalisatie van het contrast en de nauwkeurigheid van het visualiseren van interventionele apparaten in de complexe interne structuren van het lichaam. Een van de meest belovende benaderingen is het gebruik van fotoakoestische (PA) beeldvorming, die aanzienlijk kan bijdragen aan de visibiliteit van medische apparaten, zoals naalden en katheters, die tijdens procedures worden geïmplanteerd.

PA-beeldvorming maakt gebruik van lichtpulsen om thermische energie in weefsels op te wekken, wat vervolgens een akoestische golf genereert die door het apparaat wordt gedetecteerd. Dit proces verhoogt de beeldkwaliteit in vergelijking met traditionele echografie, vooral bij het visualiseren van metalen en andere interventionele apparaten. Echter, hoewel PA-beeldvorming aanzienlijke voordelen biedt ten opzichte van andere technieken, zoals echografie, zijn er nog steeds enkele beperkingen die de effectiviteit van de techniek kunnen beïnvloeden.

Een van de voornaamste obstakels is de beperkte diepte van lichtpenetratie. Bij het uitvoeren van PA-beeldvorming van interstitiële apparaten, zoals BT-zaden (brachytherapie), is de lichtdoorlaatbaarheid via de rectale wand bijvoorbeeld onvoldoende, wat leidt tot aanzienlijke afname van het lichtsignaal. Alternatieve benaderingen, zoals transperineale of transurethrale lichttoediening, zijn effectiever omdat het licht dichter bij de zaden kan worden afgegeven. Desondanks blijft de diepte van de weefselpenetratie een uitdaging: de typische maximale diepte van visibiliteit is slechts 1–2 cm, terwijl voor de meeste toepassingen een grotere diepte nodig is, bijvoorbeeld bij het implanteren van zaden tot een diepte van ongeveer 5 cm.

Om de zichtbaarheid van de apparaten te verbeteren, worden diverse modificaties van de medische apparaten zelf onderzocht. Zo werd in een studie door Pan et al. (2013) het gebruik van een zwart kleurstofcoating op de buitenkant van BT-zaden getest. Deze coating verhoogde de zichtbaarheid tot een diepte van 50 mm, wat een aanzienlijke verbetering was in vergelijking met onbehandelde zaden. Evenzo werd het gebruik van elastomeer nanocomposieten, zoals multi-walled carbon nanotubes en polydimethylsiloxane (MWCNT/PDMS), onderzocht voor metalen spinale naalden en epidurale katheters. De toepassing van dergelijke coatings resulteerde in verbeterde visibiliteit, waarbij de apparaten tot een diepte van 35 mm in weefsel zichtbaar waren, zelfs bij gebruik van een goedkope LED-gebaseerde PA-imaging techniek.

In de zoektocht naar verbeterde beelden van interventionele apparaten wordt ook gebruik gemaakt van geavanceerde beeldverwerkingsmethoden. Een van de meest veelbelovende ontwikkelingen is het gebruik van diep leren (deep learning, DL) voor het verbeteren van de visibiliteit van naalden en andere medische hulpmiddelen. Shi et al. (2022) hebben een deep learning-gebaseerd systeem voorgesteld om de zichtbaarheid van naalden te verbeteren in beelden die zijn verkregen met PA en echografie. Dit systeem werd getraind op gesimuleerde naald- en bloedvatgegevens, en het bleek effectief de naalden te isoleren van de achtergrond, wat resulteerde in aanzienlijke verbeteringen in de signaal-ruisverhouding (SNR) en in de nauwkeurigheid van de reconstructie van de naalden.

Naast deze methoden wordt ook het probleem van ruis en artefacten in PA-beelden aangepakt. Artefacten kunnen ontstaan wanneer de signaalintensiteit van het apparaat vergelijkbaar is met die van de omliggende weefsels, wat het moeilijk maakt om de juiste informatie te extraheren. In een dergelijke situatie is het gebruik van technieken zoals beeldthresholding of geavanceerde beamformers die de ruimtelijke coherentie van de signalen analyseren, essentieel voor het verbeteren van de beeldkwaliteit. Het gebruik van beamformers op basis van ruimtelijke correlaties, zoals de short-lag spatial coherence (SLSC) beamformer, heeft aangetoond dat het de contrast-ratio van objecten zoals BT-zaden kan verbeteren door storende achtergrondruis te verminderen.

Ook bij toepassingen waar gebruik wordt gemaakt van goedkope lichtbronnen zoals LED’s en LD’s, kunnen signalen gemakkelijk worden verstoord door lage optische fluence, wat leidt tot een slechtere beeldkwaliteit. Verschillende technieken, zoals golfttransformatie en signaaldecompositie, zijn onderzocht om de beeldkwaliteit te verbeteren. De spatiotemporale signaalwaarde-decompositie, bijvoorbeeld, heeft aangetoond dat deze methode effectief is in het verbeteren van de beeldkwaliteit bij lage fluenceomstandigheden.

Wanneer het gaat om het visualiseren van diepe implantaten of het volgen van de plaatsing van medische apparaten, kan de combinatie van PA- en echografie-technieken, zoals het gebruik van LED- of LD-gebaseerde dual-modale systemen, als belangrijke aanvulling dienen. Het combineren van de hoge resolutie van PA met de gedetailleerde anatomische beelden van echografie kan de plaatsing van interventionele apparaten nauwkeuriger en betrouwbaarder maken.

Naast de technische verbeteringen is het essentieel dat klinische toepassingen van deze technologieën ook rekening houden met de veiligheid en haalbaarheid. De biologische veiligheid van de materialen die worden gebruikt voor de coatings van medische apparaten, evenals de effectiviteit van het gebruik van deep learning in klinische omgevingen, moeten grondig worden geëvalueerd. Dit omvat het testen van de biocompatibiliteit van de gebruikte materialen, evenals het zorgen voor de stabiliteit van de coating tijdens herhaalde behandelingssessies.

In de toekomst zal de integratie van deze geavanceerde beeldvormingstechnieken met robotica en gestuurde navigatiesystemen de precisie van interventionele procedures verder kunnen verbeteren. Er is echter nog steeds veel onderzoek nodig om de technologieën verder te verfijnen en hun toepassingen in de klinische praktijk te optimaliseren.

Hoe werkt medische echografie en welke beperkingen kent het?

Medische echografie berust op het principe van het uitzenden en ontvangen van ultrasone geluidsgolven, die frequenties hebben boven 20 kHz. Wanneer deze golven door weefsels gaan, ondergaan ze reflectie op grensvlakken waar de akoestische impedantie verschilt — dat wil zeggen, de weerstand die geluidsgolven ondervinden bij het passeren van verschillende materialen. Hoe groter het verschil in impedantie tussen twee weefsels, des te meer geluidsgolven worden teruggekaatst. Deze teruggekaatste signalen worden door een ultrasoonsensor geregistreerd en met behulp van de tijd die de golven nodig hebben om terug te keren en de amplitude ervan, kan een beeld worden geconstrueerd dat de interne structuur van het lichaam weergeeft.

Ultrasound is een krachtige diagnostische techniek, vooral vanwege de hoge resolutie waarmee zachte weefsels zoals spieren en vet kunnen worden afgebeeld, die rijk zijn aan water en dus geschikt zijn voor reflectie van geluidsgolven. Bovendien is echografie veilig en niet-invasief, omdat het werkt met niet-ioniserende straling die geen weefselschade veroorzaakt. Dit maakt het bij uitstek geschikt voor gebruik in de prenatale zorg, oncologie en begeleiding van biopsieën.

De resolutie van een echografiebeeld is echter afhankelijk van verschillende factoren. De axiale resolutie — de mogelijkheid om twee objecten langs de lengteas van de ultrasone golf van elkaar te onderscheiden — hangt vooral af van de frequentie van de geluidsgolven. Hogere frequenties leveren scherpere beelden, maar kunnen het weefsel minder diep doordringen vanwege toenemende demping van het geluid. De laterale resolutie — het vermogen om objecten naast elkaar te onderscheiden — wordt beïnvloed door de afmetingen van de ultrasone probe en de nauwkeurigheid waarmee deze wordt bewogen tijdens het scannen. Een smallere probe en minder bewegingsfouten resulteren in betere laterale resolutie.

Ultrasone transducers maken gebruik van piëzo-elektrische kristallen, die vervormen onder invloed van een elektrische spanning. Deze vervorming produceert ultrasone golven; omgekeerd genereren teruggekaatste golven een elektrische spanning in het kristal, waardoor het fungeert als zowel zender als ontvanger. Meerdere van deze kristallen worden vaak in een array geplaatst om een breder en gedetailleerder beeld te creëren, waarbij het aantal kristallen de laterale resolutie en de kracht van de ultrasone drukgolven verhoogt.

Miniaturisering van deze transducerarrays tot submillimeterformaat is noodzakelijk voor minimaal invasieve chirurgie, maar brengt technische uitdagingen met zich mee. De grootte van elk element bepaalt immers de maximale frequentie van de geproduceerde ultrasone golven, en het vervaardigen van zulke kleine, nauwkeurig gescheiden kristallen met bijbehorende elektrische verbindingen is uiterst complex. Ook kunnen externe magnetische velden interferentie veroorzaken tussen elementen, wat leidt tot signaalruis en verminderde beeldkwaliteit.

Het is daarnaast van belang te beseffen dat echografie, ondanks haar voordelen in real-time beeldvorming en veiligheid, ook beperkingen kent vergeleken met bijvoorbeeld MRI. MRI biedt vaak een betere differentiatie van zachte weefsels dankzij de chemische eigenschappen van waterstofprotonen in het lichaam, maar is duurder, minder draagbaar en minder geschikt voor patiënten met bepaalde implantaten. Echografie compenseert deze beperkingen met betaalbaarheid, veiligheid en mobiliteit, wat het tot een onmisbaar diagnostisch instrument maakt in de moderne geneeskunde.

Endtext

Hoe Chunking en Tekstextractie de Efficiëntie van LLMBA’s Verbeteren
Wat was de rol van witte studenten in de Amerikaanse burgerrechtenbeweging tijdens Freedom Summer?
Hoe moleculaire adsorptie de excitonische eigenschappen van CNT's beïnvloedt
Hoe Populisme en Simplistische Verhalen de Politiek Vormgeven