Hoe LED-technologie de fotoakoestische beeldvorming transformeert

In de afgelopen jaren heeft de technologie voor LED-gebaseerde fotoakoestische beeldvorming (PAI) aanzienlijke vooruitgangen geboekt. Aanvankelijk werden LEDs voornamelijk gebruikt voor eenvoudige toepassingen, maar recente ontwikkelingen hebben hun rol in geavanceerde medische beeldvorming aanzienlijk versterkt. In 2011 bijvoorbeeld, voerden onderzoekers een experiment uit waarbij LEDs, gevoed door een stroom van 1 A DC, ongeveer 250 mW aan licht uitstraalden. Met behulp van een gemodificeerde versie van een MOSFET-circuit werd pulserende verlichting gegenereerd, wat leidde tot een energie-output van 400 nJ per puls met een pulsduur van 60 ns. Dit maakte het mogelijk om fotoakoestische signalen te verkrijgen die cruciaal zijn voor medische beeldvorming.

Hoewel dit vroege prototype al indrukwekkende resultaten toonde, waren er beperkingen. Het systeem had bijvoorbeeld een pulsherhalingsfrequentie (PRR) van 200 Hz, wat betekende dat er 250 seconden nodig waren om een enkel beeld te verkrijgen, en het systeem was dus niet geschikt voor real-time weefselbeeldvorming. Dit benadrukte de noodzaak voor snellere LEDs en verbeterde pulserende verlichting om de snelheid van de beeldvorming te verhogen. In de daaropvolgende jaren werden er aanzienlijke vooruitgangen geboekt op dit gebied.

In 2013 markeerde een belangrijke doorbraak toen Allen en collega’s de eerste stap zetten naar de integratie van high-power LEDs als verlichtingsbron voor fotoakoestische beeldvorming. Deze LEDs, zoals het CBT-120 model van Luminus, waren in staat om licht uit te zenden in het bereik van 400 nm tot 650 nm, en door de LEDs te overbelasten tot tien keer hun nominale stroom, werd de energie per puls verhoogd naar 22 μJ met een pulsduur van 500 ns. Dit leidde tot een drastische vermindering van de benodigde frame-averaging met een factor van 1000, wat het proces van het verkrijgen van beelden aanzienlijk versnelde. Hierdoor werd het mogelijk om de beeldvorming te verbeteren zonder concessies te doen aan de kwaliteit van het beeld.

De vooruitgangen in LED-technologie, met name in termen van verhoogde pulse-energy en hogere PRR, maakten het mogelijk om met LEDs de prestaties van traditionele lasers en laserdiodes te evenaren. In 2016 verbeterden Allen en collega’s hun systeem verder door LEDs zoals de SST-90 van Luminus te gebruiken, die een bredere golflengte van 400 nm tot 650 nm konden bestrijken. Het systeem dat ze ontwikkelden was in staat om pulsen van 9 μJ bij een pulsduur van 200 ns en een PRR van 500 Hz te genereren, waarbij het eveneens mogelijk werd om multispectrale fotoakoestische beelden snel vast te leggen. Dit resulteerde in een indrukwekkende diepte van beeldvorming van 15 mm in een medium met 1% intralipid.

Een van de belangrijkste toepassingen van LED-gebaseerde PAI is zuurstofverzadigingbeeldvorming, wat cruciaal is voor medische diagnoses, met name voor het beoordelen van de bloedtoevoer in weefsels. De ontwikkeling van LEDs met specifieke golflengtes, zoals 690 nm voor deoxyhemoglobine en 850 nm voor oxyhemoglobine, heeft het mogelijk gemaakt om gerichte beeldvorming te realiseren die eerder niet haalbaar was met lasers. De innovaties in LED-technologie, zoals die van Agano en collega’s in 2016, waarbij ze LEDs gebruikten die werkten op 850 nm en een energie-output van 200 μJ per puls haalden, waren een mijlpaal in de ontwikkeling van commercieel beschikbare LED-gebaseerde PAI-systemen, zoals AcousticX. Dit systeem was in staat om beelden te verkrijgen met een PRR van 4 kHz en werd geprezen om zijn nauwkeurigheid en snelheid in de zuurstofverzadigingbeeldvorming.

In de jaren daarna werden de prestaties van LEDs nog verder geoptimaliseerd, waarbij de PRR werd verhoogd tot 16 kHz, zoals getoond door Zhu en collega’s in 2018. Dit maakte het mogelijk om dynamische en gedetailleerde beelden van zowel de structurele als functionele kenmerken van weefsels te verkrijgen. De toepassing van LED-arrays bij specifieke golflengtes, zoals 850 nm, in combinatie met geavanceerde technologieën zoals hybride LED-elementen en geoptimaliseerde elektronische systemen, heeft de beeldkwaliteit en de efficiëntie van fotoakoestische beeldvorming enorm verbeterd. De AcousticX-systemen, bijvoorbeeld, toonden een indrukwekkende resolutie van 220 μm axiaal en 460 μm lateraal bij een diepte van 2,8 cm in ex vivo weefselmonsters, wat aantoonde dat deze technologie geschikt is voor diepere beeldvorming dan eerder mogelijk was.

Deze technologische vooruitgangen hebben niet alleen geleid tot een verbetering van de beeldkwaliteit, maar ook tot een versnelde vertaling van fotoakoestische beeldvorming naar klinische toepassingen. De volgende stap in de ontwikkeling van LED-gebaseerde PAI-systemen zal waarschijnlijk draaien om verdere optimalisatie van de pulsprestaties, zoals het verder verhogen van de energie-output en het verbeteren van de signaal-ruisverhouding. Dit zal het mogelijk maken om nog gedetailleerdere en snellere beelden te verkrijgen, wat van cruciaal belang is voor medische diagnostiek en interventies.

Wat is de toekomst van fotoakoestische beeldvorming in medische diagnostiek?

De vooruitgang in medische beeldvormingstechnologieën heeft geleid tot de ontwikkeling van fotoakoestische computertomografie (PACT), een techniek die gebruik maakt van zowel optische als akoestische signalen voor het verkrijgen van gedetailleerde beelden van weefsels. Deze technologie heeft zich bewezen in laboratorium- en pre-klinische studies, maar haar toepassing in klinische omgevingen bevindt zich nog in een ontwikkelingsfase. PACT biedt diverse voordelen in vergelijking met traditionele beeldvormingstechnieken zoals MRI en CT-scans, vooral op het gebied van het monitoren van tumoren en weefselanalyse.

Eén van de belangrijkste toepassingen van PACT is de detectie van borstkanker. In experimenten waarbij fotoakoestische beeldvorming werd toegepast op patiënten die neoadjuvante chemotherapie ondergingen, werd aangetoond dat PACT kan helpen bij het volgen van het effect van de behandeling. De techniek biedt een hogere ruimtelijke en temporele resolutie dan MRI, zelfs zonder het gebruik van contrastmiddelen. Dit maakt het mogelijk om de progressie van tumoren te monitoren en te evalueren hoe ze reageren op behandelingen, wat cruciaal is voor het bepalen van de beste therapieën.

PACT maakt gebruik van een gepulseerde laser die op het weefsel wordt gericht, waarbij de resulterende fotoakoestische signalen worden gedetecteerd door ultrasone transducers. Deze signalen worden vervolgens geanalyseerd en omgezet in beelden. Bij het gebruik van een 1064 nm Nd: YAG-laser, gecombineerd met een difuusser om de laserstraal over het borstweefsel te verspreiden, kunnen tumoren worden geïdentificeerd door veranderingen in de absorptie van licht. In sommige gevallen, echter, kan PACT tumoren niet altijd goed detecteren, wat te wijten kan zijn aan systeemfouten, radioloogfouten of onvoldoende contrast in de beelden. Dit benadrukt de noodzaak voor verdere verfijning van de technologie, vooral in klinische toepassingen waar snelheid en precisie cruciaal zijn.

Naast borstkanker wordt PACT ook onderzocht voor gebruik in hersenbeeldvorming, waarbij het potentieel heeft om vergelijkbare resultaten te bieden als conventionele functionele MRI (fMRI). Door te focussen op hemoglobine en zuurstofrijke hemoglobine (HbO2), biedt PACT een mogelijkheid voor functionele hersenbeeldvorming. In studies is gebleken dat het fotoakoestische systeem in staat is om de activiteit van de hersenen tijdens cognitieve taken te volgen, zoals vingerkloppen of verhaalgeneratie. De voordelen van PACT boven fMRI zijn onder andere de mogelijkheid om patiënten met metalen implantaten te scannen zonder ongemak, wat een aanzienlijk voordeel biedt ten opzichte van de beperkingen van traditionele fMRI-scanners.

Hoewel de technologische vooruitgang veelbelovend is, zijn er nog steeds uitdagingen, zoals de dieptebeperkingen van de signalen. De meeste fotoakoestische systemen kunnen effectief beelden maken van oppervlakkige weefsels, maar het verkrijgen van beelden van diepere structuren, zoals de gehele hersenschors, is momenteel beperkt. Er wordt echter gewerkt aan de ontwikkeling van transcraniële PACT-systemen, die dieper kunnen doordringen in het brein en betere beelden kunnen leveren.

Een ander aandachtspunt is de veiligheid van de gebruikte lasers. Traditionele lasers die in fotoakoestische systemen worden gebruikt, kunnen klasse IV zijn, wat betekent dat ze een potentieel risico voor de patiënt kunnen vormen. Dit probleem kan echter worden opgelost door het gebruik van LED-gebaseerde verlichting, die veiliger is en gemakkelijker te integreren in kleinere, draagbare apparaten. De technologie is echter nog niet zo krachtig als traditionele lasers, maar er wordt verwacht dat met de voortgang in onderzoek LED’s in de toekomst de standaard zullen worden.

De recente goedkeuring door de FDA van het Imagio Breast Imaging System van Seno Medical, dat gebruik maakt van fotoakoestische beeldvorming, markeert een belangrijke stap voorwaarts in de acceptatie van fotoakoestische technologie in de klinische praktijk. Deze goedkeuring kan andere bedrijven aanmoedigen om vergelijkbare systemen te ontwikkelen en te testen, wat kan leiden tot een bredere toepassing van deze techniek in de medische wereld.

Het blijft duidelijk dat de ontwikkeling van fotoakoestische beeldvormingstechnologieën voor klinisch gebruik nog in een relatief vroege fase verkeert. De toepassing in kleine dierenmodellen heeft al veelbelovende resultaten opgeleverd, en met de voortschrijdende technologische verbeteringen kan fotoakoestische beeldvorming een belangrijk hulpmiddel worden in de toekomst van de medische diagnostiek. De voortdurende verbetering van beeldkwaliteit, de integratie van LED’s en de opkomst van geavanceerdere algoritmen voor machine learning zullen helpen om de prestaties van deze technologie te verbeteren, waardoor PACT mogelijk steeds vaker een rol zal spelen in de klinische praktijk.

Wat maakt een PAI Phantom ideaal voor de beeldvorming?

Phantoms spelen een cruciale rol in de ontwikkeling en evaluatie van beeldvormingstechnologieën. Ze vervullen verschillende taken binnen de volledige vertaalde pijplijn van een beeldvormingsmethode. Deze taken omvatten het kwantificeren en objectief beoordelen van de prestaties van technologieën tijdens de verschillende ontwikkelingsstadia. Phantoms worden gebruikt voor het monitoren van het verval in nauwkeurigheid en precisie van beeldvormingsapparatuur door de tijd heen, wat essentieel is voor de dagelijkse kwaliteitscontrole van apparaten. Daarnaast helpen ze bij het optimaliseren van systeemontwerpen, het kwantificeren van de impact van systeemupgrades en het vergelijken van verschillende apparaten en diagnostische modaliteiten. Phantoms worden eveneens gebruikt voor gestandaardiseerde biomarker-bepalingen, gebruikstraining, technische demonstraties en ter ondersteuning van regulatoire evaluaties.

De ontwerpkeuzes van phantoms zijn direct gekoppeld aan de specifieke taken die ze moeten vervullen. Dit bepaalt de uiteindelijke vorm en de intrinsieke eigenschappen van de phantom. Voor een phantom die bedoeld is om de signaalherhaalbaarheid in de tijd te testen, zoals precisie phantoms, zijn bijvoorbeeld hoge temporele stabiliteit van optische, akoestische en mechanische eigenschappen vereist, evenals reproduceerbare fabricage. Aan de andere kant, phantoms die worden gebruikt voor trainings-, test- of verificatiedoeleinden, zoals nauwkeurigheidsphantoms, moeten de weefselkenmerken en doelgeometrieën van biologische weefsels nauwkeurig nabootsen.

De ideale eigenschappen van een phantom worden bepaald door de beoogde toepassing. De optische en akoestische eigenschappen moeten relevant zijn voor de specifieke technologie die getest wordt. Voor fotoakoestische beeldvorming (PAI) is het bijvoorbeeld essentieel dat de achtergrondmaterialen van de phantom lage extinctiewaarden vertonen, zodat ze kunnen worden aangepast aan verschillende weefseltypes. Bij specifieke toepassingen moeten deze waarden worden verhoogd om overeen te komen met de gemiddelde optische eigenschappen van het biologische weefsel of de aandoening die wordt bestudeerd.

Een belangrijk aspect van de fabricage van PAI phantoms is de stabiliteit van de eigenschappen in verschillende omgevingsomstandigheden. Het materiaal moet gedurende lange tijd (>6 maanden) stabiele optische, akoestische en mechanische eigenschappen behouden, zelfs onder variërende omgevingsomstandigheden zoals temperatuur (18-25 °C) en luchtvochtigheid (30-80%). Dit is belangrijk om de praktische bruikbaarheid van de phantom in verschillende geografische regio's en laboratoriumomstandigheden te waarborgen. Bovendien moet het materiaal geschikt zijn voor transport en hantering in temperaturen tussen 4° en 40°C, wat mogelijk is met de juiste transportprocedures.

Specifieke vereisten voor fotoakoestische beeldvorming zijn dat het materiaal bestand is tegen contact met waterige media, aangezien deze vaak als akoestische koppeling worden gebruikt tijdens signaalverwerving. Het materiaal moet daarnaast fotostabiel zijn in het zichtbare en nabij-infrarode golflengtebereik (532–1064 nm), omdat dit het meest gangbare spectrum is voor fotoakoestische beeldvorming. Bovendien moet de phantom in staat zijn om inclusies van verschillende materialen in te sluiten zonder afbreuk te doen aan de kwantitatieve beeldkwaliteitsbeoordeling, wat cruciaal is voor de evaluatie van de prestaties van het systeem.

Naast deze technische eigenschappen moet het materiaal voor een PAI phantom ook toegankelijk zijn voor de bredere wetenschappelijke gemeenschap. Dit houdt in dat het materiaal of de samenstelling gemakkelijk verkrijgbaar moet zijn bij commerciële leveranciers van wetenschappelijke materialen, met bekende variatie tussen verschillende batches. Indien het materiaal moeilijk verkrijgbaar is, moeten gedetailleerde informatie over de ingrediënten en het fabricageproces openbaar beschikbaar worden gesteld, samen met bewijs voor reproduceerbare fabricage via multicenterstudies. Dit zorgt ervoor dat de phantom wereldwijd bruikbaar is en dat de eigenschappen binnen acceptabele onzekerheidslimieten kunnen worden behaald.

In termen van akoestische eigenschappen moeten de PAI phantoms de eigenschappen van biologisch weefsel nabootsen. Dit betekent dat de snelheid van het geluid, de mate van akoestische demping en de terugscattering van het materiaal in lijn moeten zijn met de eigenschappen van de weefsels die worden bestudeerd. Het materiaal moet zowel voorwaartse verstrooiing vertonen die overeenkomt met het weefsel van interesse als een refractieve index die vergelijkbaar is met die van zacht weefsel. Het is essentieel dat de phantom een beperkte mate van akoestische demping vertoont, vergelijkbaar met de natuurlijke waarden van biologisch weefsel bij de relevante frequenties van beeldvormingstechnologieën.

Het is van belang dat gebruikers van PAI phantoms niet alleen de fysische en optische eigenschappen van het materiaal begrijpen, maar ook hoe deze eigenschappen in de praktijk bijdragen aan de prestaties van het beeldvormingssysteem. Fouten in het ontwerp of de fabricage van phantoms kunnen leiden tot onnauwkeurige testresultaten en dus tot misinterpretaties van de beeldvormingstechnologie. Dit benadrukt het belang van gedetailleerde specificaties en de noodzaak van zorgvuldige evaluatie van de phantom-eigenschappen voor elke specifieke toepassing.

Hoe beïnvloeden moderne beeldvormingstechnieken de minimaal invasieve chirurgie en wat moet men hierover weten?

Minimaal invasieve chirurgie (MIS) heeft een revolutie teweeggebracht in de medische wereld door de patiënt te ontzien met kleinere incisies, minder pijn en snellere herstelperiodes. De toepassing van geavanceerde beeldvormingstechnologieën speelt hierbij een essentiële rol en vormt de ruggengraat van deze chirurgische innovaties. Het is niet langer voldoende om enkel op visuele waarneming te vertrouwen; multimodale benaderingen integreren diverse beeldvormingsmethoden om chirurgische precisie te maximaliseren.

De introductie van intraoperatieve röntgenbeelden met ultra-lage dosis, zoals beschreven door Park et al., biedt een nieuwe dimensie aan real-time beeldvorming tijdens MIS, waarbij de blootstelling aan schadelijke straling drastisch wordt verminderd zonder concessies te doen aan de beeldkwaliteit. Dit is vooral cruciaal, aangezien continue blootstelling aan röntgenstraling bekende risico’s met zich meebrengt, waaronder DNA-schade die versterkt kan worden door het gebruik van contrastmiddelen zoals jodium, wat blijkt uit onderzoek van Pathe en collega’s.

De combinatie van verschillende beeldvormingsmodaliteiten, waaronder computertomografie (CT), magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) en echografie, zorgt voor een uitgebreide en gedetailleerde visualisatie van de anatomie en pathologie. CT blijft een onmisbare techniek vanwege de hoge resolutie en snelle acquisitie, maar de toenemende stralingsbelasting vraagt om voortdurende technologische verbeteringen en alternatieven, zoals het gebruik van nieuwe contrastmiddelen op nanoniveau, bijvoorbeeld op basis van tantalumoxide, die minder nefrotoxisch zijn dan conventionele middelen, zoals Koshevaya et al. aangeven.

Magnetische resonantiebeeldvorming onderscheidt zich door zijn vermogen tot het bieden van uitstekende weefselcontrast zonder ioniserende straling, en recente ontwikkelingen in permanente magneetdesigns en real-time MRI toepassingen, zoals beschreven door Vogel en Nayak, verhogen de toepasbaarheid van MRI zelfs in de operatieve setting. Deze technologieën openen deuren naar preciezere interventies en minimaliseren invasieve handelingen.

Ultrasound imaging behoudt zijn plaats als een veilige, relatief goedkope en dynamische techniek die steeds vaker in tandheelkunde en andere chirurgische disciplines wordt ingezet. De voortdurende verbeteringen in beeldreconstructie en snelheid van geluidssimulaties, zoals in het werk van Bernhardt et al. onderzocht, versterken de diagnostische en therapeutische waarde van echografie binnen MIS.

De implementatie van deze beeldvormingstechnieken vereist echter niet alleen technologische expertise maar ook een diepgaande kennis van stralingsveiligheid en de biologische effecten van contrastmiddelen. Het is van belang dat artsen zich bewust zijn van de neveneffecten van contrastmiddelen en de potentiële nefrotoxiciteit, zoals beschreven door Briguori et al., en van de cumulatieve stralingsbelasting bij herhaalde beeldvorming. Daarnaast moeten chirurgen en radiologen samenwerken aan de optimalisatie van beeldkwaliteit versus risico, met aandacht voor gepersonaliseerde benaderingen afhankelijk van de klinische situatie.

Bovendien is het cruciaal te begrijpen dat beeldvorming niet slechts een ondersteunend instrument is, maar een integraal onderdeel van de chirurgische besluitvorming en planning. De precisie van beelden bepaalt direct de uitkomst van de operatie en de patiëntveiligheid. Innovaties zoals 3D-modellering via rapid prototyping (Bibb & Winder) en multimodale trainingsprogramma’s voor chirurgen (Vajsbaher et al.) bevorderen de vaardigheden en zorgen voor een nauwere integratie tussen diagnostiek en therapeutiek.

Daarbij komt dat de keuze van beeldvormingstechniek altijd een afweging is tussen resolutie, beschikbaarheid, tijdsduur, kosten en risico’s. MRI biedt uitstekende zachte weefselvisualisatie, maar is duurder en minder toegankelijk dan CT of echografie. CT is snel maar brengt stralingsrisico’s met zich mee. Echografie is veilig en realtime, maar heeft beperkingen in penetratie en beeldscherpte. Deze nuance is essentieel om een weloverwogen keuze te maken in de context van minimale invasiviteit.

Ten slotte verdient de ontwikkeling van contrastmiddelen en nanotechnologie bijzondere aandacht, aangezien deze de volgende stap vormen in het verbeteren van beeldkwaliteit met minder bijwerkingen. Het onderzoek naar surfactantvrije tantalumoxide nanodeeltjes illustreert hoe chemische innovatie direct kan bijdragen aan veiliger en effectiever gebruik van beeldvorming.

Het is van wezenlijk belang dat de lezer begrijpt dat de vooruitgang in minimaal invasieve chirurgie onlosmakelijk verbonden is met technologische innovaties in beeldvorming. Het integreren van verschillende modaliteiten, het beheersen van de risico’s van straling en contrastmiddelen, en het trainen van medisch personeel in het gebruik van deze complexe technologieën zijn pijlers waarop de toekomst van chirurgische zorg rust.