Hoe hybride beeldvormingstechnologieën de geneeskunde transformeren: De rol van optoacoustic imaging

In de medische beeldvorming is er een toenemende trend naar het combineren van verschillende technologieën om de beperkingen van afzonderlijke modaliteiten te overwinnen en tegelijkertijd de diagnostische capaciteiten te verbeteren. Een van de meest veelbelovende benaderingen is het gebruik van hybride beeldvorming, waarbij optoacoustic imaging (OA) wordt gecombineerd met andere beeldvormingstechnieken zoals ultrasoon (US), magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), computertomografie (CT), en nucleaire geneeskunde zoals single-photon emission computed tomography (SPECT) en positron emission tomography (PET).

Optoacoustic imaging maakt gebruik van de absorptie van optische energie door biologische weefsels, die vervolgens resulteert in een akoestisch signaal dat kan worden gedetecteerd. Dit biedt unieke voordelen, zoals hoge ruimtelijke en temporele resolutie, waardoor het ideaal is voor het verkrijgen van gedetailleerde beelden van diepe weefsels. Ondanks de voordelen heeft OA enkele beperkingen, zoals beperkte dieptepenetratie en de noodzaak om aanvullende informatie uit andere beeldvormingstechnieken te halen.

Wanneer OA wordt gecombineerd met andere beeldvormingstechnieken, zoals CT of MRI, worden deze beperkingen aanzienlijk verminderd. Zo biedt CT bijvoorbeeld gedetailleerde anatomische beelden, maar met beperkte functionele informatie, terwijl OA functionele en moleculaire gegevens levert. Door deze technieken te combineren, kunnen artsen niet alleen de anatomie van een gebied visualiseren, maar ook de onderliggende biologische processen, zoals tumorgroei of de reactie op therapieën, in realtime volgen.

Een bijzonder interessante toepassing van hybride beeldvorming is de theranostische benadering, waarbij zowel diagnostische als therapeutische functies worden gecombineerd. Bijvoorbeeld, OA- en SPECT-hybride beeldvorming wordt gebruikt om tumoren te detecteren en tegelijkertijd fotothermische therapieën te begeleiden. In dergelijke gevallen kunnen nanodeeltjes die radioactieve stoffen bevatten, zoals 125I, 131I, of 99mTc, zowel voor beeldvorming als therapie worden ingezet, wat leidt tot een efficiëntere behandeling van kanker.

Bijvoorbeeld, onderzoekers hebben geavanceerde multi-modale OA-CT-SPECT-probes ontwikkeld die niet alleen de tumoren visualiseren, maar ook therapieën zoals chemotherapie of radiotherapie begeleiden. Deze benadering maakt het mogelijk om in real-time de effectiviteit van de behandeling te volgen en aan te passen. Een van de belangrijkste voordelen van deze technologie is de mogelijkheid om specifieke doelwitten in het lichaam te identificeren, zoals tumorcellen of zieke cellen, en daarop gerichte therapieën toe te passen, terwijl de behandelingsresultaten onmiddellijk kunnen worden gecontroleerd.

Hoewel OA beeldvorming veelbelovend is, zijn er technische uitdagingen die moeten worden overwonnen. Het gebrek aan kwantificatie door lichtabsorptie, het optreden van beeldartefacten als gevolg van akoestische heterogeniteiten, en de beperkte dieptepenetratie van optische signalen zijn enkele van de belangrijkste obstakels. Toch kunnen de voordelen van hybride beeldvorming in veel gevallen deze beperkingen compenseren door gebruik te maken van de complementaire eigenschappen van andere technieken zoals SPECT of PET.

De toepassing van hybride OA-beeldvormingstechnologieën heeft een enorm potentieel voor de klinische geneeskunde. Op dit moment wordt OA voornamelijk gebruikt in preklinisch onderzoek, maar de integratie van OA met meer gevestigde beeldvormingstechnieken zou kunnen leiden tot een aanzienlijke verbetering van diagnostische en therapeutische capaciteiten in de klinische praktijk. Het combineren van meerdere beeldvormingstechnieken biedt artsen een meer holistische benadering van patiëntenzorg, waarbij ze niet alleen de anatomie kunnen begrijpen, maar ook de moleculaire en functionele aspecten van ziekten.

Een belangrijk punt voor de lezer om te begrijpen, is dat hybride beeldvorming, ondanks zijn enorme potentieel, nog steeds in de onderzoeksfase verkeert en in de meeste gevallen niet routinematig wordt gebruikt in klinische settings. De vertaling van deze technologie naar klinische toepassingen vereist verdere ontwikkeling en validering, evenals de integratie van geavanceerde beeldverwerkingsalgoritmes en de verfijning van contrastmiddelen die specifiek gericht zijn op ziekteprocessen.

De toekomst van hybride beeldvorming ziet er veelbelovend uit, vooral met de voortdurende vooruitgangen in nanotechnologie en de ontwikkeling van nieuwe multimodale systemen. Deze technologieën zullen naar verwachting niet alleen de diagnose van complexe ziekten verbeteren, maar ook de behandelingsstrategieën transformeren, door artsen in staat te stellen om met grotere precisie en effectiviteit in te grijpen.

Hoe UV-Photoakoestische Microscopie Histopathologie kan Revolutioneren

In dit verband is de ontwikkeling van een snel en nauwkeurig hulpmiddel voor weefselevatie dat kan helpen bij beeldgestuurde chirurgie een belangrijke medische doelstelling. Er zijn veel inspanningen geleverd om de routinematige pathologische praktijken te verbeteren. Optische beeldvormingstechnieken hebben hierin aanzienlijke successen geboekt vanwege hun snelle en niet-invasieve aard. Geavanceerde microscopietechnieken met optische doorsnijdingscapaciteit kunnen een dunne laag vers excisieweefsel in beeld brengen zonder dat er fysiek gesneden hoeft te worden, wat de procedures die verband houden met de voorbereiding van de conventionele FFPE-histologie aanzienlijk vereenvoudigt. Deze technieken maken een gedetailleerde visualisatie van anatomische kenmerken mogelijk, die vergelijkbaar zijn met de klinische standaard. De gegenereerde digitale beelden kunnen lokaal worden opgeslagen en door pathologen worden beoordeeld om de chirurg intraoperatief te ondersteunen.

In vergelijking hiermee zijn beeldvormingsmodaliteiten die gebruik maken van intrinsieke contrastmechanismen die voortkomen uit reflectie, absorptie, intrinsieke fluorescentie of moleculaire vibratie sterk gewenst in moderne klinische settings. Optische coherentie tomografie (OCT), reflecterende confocale microscopie (RCM), photoakoestische microscopie (PAM) en niet-lineaire microscopie (NLM), waaronder gestimuleerde Ramanverstrooiing en multiphotonmicroscopie, vallen in deze categorie. Deze labelvrije beeldvormingstechnieken vertonen een uitstekende compatibiliteit met de huidige klinische praktijken in operatiekamers. Sommige van deze methoden zijn al jarenlang succesvol vertaald en toegepast in de klinische praktijk. Bijvoorbeeld, full-field OCT heeft brede toepassingen in de oogheelkunde vanwege de hoge gevoeligheid, diepe penetratie en niet-invasiviteit. RCM heeft superioriteit aangetoond in de dermatologie, wat in vivo visualisatie van menselijke huidlagen van de opperhuid tot de papillaire dermis in real-time mogelijk maakt.

PAM is een geavanceerde beeldvormingstechniek die de voordelen van zowel optische als akoestische beeldvorming combineert. Het biedt unieke voordelen op het gebied van labelvrije, hoge-resolutie beeldvorming met diepe weefselpenetratie en functionele inzichten. In dit hoofdstuk richten we ons op de toepassing van ultraviolet PAM (UV-PAM) in intraoperatieve weefselbeoordeling, met als doel het identificeren van resterende tumoren bij de resectiemarges en het bieden van ter plaatse feedback aan chirurgen en pathologen.

Bij de toepassing van UV-PAM worden tissue-specific markers, zoals hemoglobine en melanine, gedetecteerd op basis van hun unieke optische absorptiekenmerken. Deze techniek heeft veelbelovende resultaten opgeleverd in preklinisch onderzoek, zoals tumormonitoring en cardiovasculaire studies. De multimodale en multispectrale aard van UV-PAM maakt het mogelijk om een breed scala aan metabole processen in weefsels in beeld te brengen, terwijl de niet-destructieve aard van de techniek het mogelijk maakt om ongestoorde gegevens te verkrijgen. Dit heeft brede toepassingen in weefselengineering en oncologisch onderzoek, zoals tumorinfiltratie en groei.

UV-PAM heeft, samen met andere optische technieken, het potentieel om een revolutie teweeg te brengen in de manier waarop weefsel wordt onderzocht, zowel in de klinische als in de onderzoeksomgeving. Het vermogen om dieper in het weefsel te kijken zonder het gebruik van schadelijke stoffen, maakt het een veelbelovende techniek voor intraoperatief gebruik en biedt artsen waardevolle inzichten bij het nemen van beslissingen tijdens chirurgie.

Hoe draagt photo-acoustische beeldvorming bij aan de diagnose en behandeling van borstkanker?

Photo-acoustische beeldvorming (PAI) is de afgelopen jaren uitgegroeid tot een veelbelovende techniek voor de diagnose en monitoring van borstkanker. Deze methode maakt gebruik van de unieke optische absorptie-eigenschappen van hemoglobine, waardoor zowel functionele als anatomische informatie kan worden verkregen. Door het combineren van licht- en geluidsgolven ontstaat een niet-invasieve, hoogresolutie beeldvormingstechniek die tumorweefsel nauwkeurig in kaart kan brengen. Dit is van cruciaal belang omdat vroege detectie van borstkanker de overlevingskansen aanzienlijk verhoogt.

Borstkanker is wereldwijd de meest voorkomende vorm van kanker bij vrouwen. Eén op de acht vrouwen krijgt in haar leven te maken met invasieve borstkanker. Traditionele beeldvormingstechnieken zoals röntgenmammografie, echografie en MRI hebben elk hun eigen beperkingen. Mammografie is bijvoorbeeld minder gevoelig bij vrouwen met dicht borstweefsel, waar de sensitiviteit kan dalen tot 24-47% in tegenstelling tot 71-78% bij vrouwen met vetter borstweefsel. Daarnaast gaat mammografie gepaard met ongemakkelijke compressie en blootstelling aan ioniserende straling.

In dat licht biedt PAI een alternatief of aanvullende diagnostische methode. Door de optische absorptie van zuurstofrijk en zuurstofarm hemoglobine te meten, kan PAI inzicht geven in de vasculaire kenmerken en de zuurstofverzadiging van het weefsel, wat belangrijke fysiologische markers zijn voor tumoractiviteit. Het vermogen om deze functionele parameters te combineren met gedetailleerde anatomische beelden maakt PAI bijzonder waardevol voor het vroegtijdig opsporen van tumoren en het evalueren van de effectiviteit van behandelingen.

Een belangrijke vooruitgang is de integratie van PAI met echografie. Deze multimodale aanpak levert een completer beeld van de tumor, waarbij morfologie, vasculaire structuur en functionele informatie worden samengebracht. Deze combinatie verhoogt de diagnostische nauwkeurigheid en helpt artsen om beter geïnformeerde behandelbeslissingen te nemen. Bovendien is PAI geschikt voor real-time toepassingen, wat tijdens operaties kan bijdragen aan het verbeteren van tumorresecties en het minimaliseren van schade aan gezond weefsel.

Recent onderzoek richt zich ook op het gebruik van kunstmatige intelligentie, zoals deep learning, om de beeldkwaliteit te verbeteren en de interpretatie van PAI-beelden te vergemakkelijken. Deze technieken helpen onder andere bij het verminderen van ruis en het virtueel kleuren van beelden, waardoor pathologen sneller en nauwkeuriger diagnoses kunnen stellen zonder de noodzaak van traditionele kleuringstechnieken. Zulke innovaties versnellen het proces en vergroten de klinische toepasbaarheid van PAI.

Belangrijk is te beseffen dat, hoewel PAI veelbelovend is, het geen volledige vervanging vormt voor bestaande beeldvormingstechnieken, maar juist een krachtige aanvulling. Het begrijpen van de fysiologische achtergrond van optische absorptie in weefsel en de wijze waarop dit zich vertaalt in beeldvormingssignalen is essentieel voor een correcte interpretatie. Daarnaast moet men rekening houden met technische factoren zoals penetratiediepte en resolutie, die kunnen variëren afhankelijk van de gebruikte PAI-opstelling en het type borstweefsel.

Voor een volledig begrip van de toepassing van PAI in de klinische praktijk is het noodzakelijk om niet alleen de technische aspecten te beheersen, maar ook de biologische context van borstkanker, inclusief de heterogeniteit van tumoren en hun micro-omgeving. Hiermee kunnen clinici beter beoordelen welke patiënten het meest profiteren van deze innovatieve beeldvormingstechniek en hoe de resultaten het beste kunnen worden geïntegreerd in het diagnostische en therapeutische traject.

Hoe werkt de configuratie van fotoakoestische endoscopie en wat zijn de toepassingen?

De configuratie van een fotoakoestische endoscoop bepaalt in sterke mate de kwaliteit van beeldvorming en de klinische toepasbaarheid ervan. Er bestaan hoofdzakelijk twee configuraties: zijaanzicht en vooraanzicht, elk met unieke kenmerken en voordelen. Bij de zijaanzichtconfiguratie wordt de imaging probe gecombineerd met een transducer die zich aan de zijkant bevindt. Dit maakt het mogelijk om dwarsdoorsneden van weefsels te maken, waarbij onderliggende structuren zichtbaar worden die met conventionele technieken moeilijk te onderscheiden zijn. Deze opstelling is bijzonder geschikt voor het onderzoeken van het maagdarmkanaal, zoals bij het diagnosticeren van colorectale kanker, maagtumoren en inflammatoire darmziekten. De mogelijkheid om de mucosale en submucosale lagen nauwkeurig in beeld te brengen draagt bij aan vroege detectie en betere stadiering. Ook in de intravasculaire context, zoals bij het bekijken van bloedvaten, biedt de zijaanzichtconfiguratie waardevolle informatie over plaques die vatbaar zijn voor ruptuur, wat interventies zoals angioplastiek beter kan sturen.

Daarnaast zijn er geavanceerde systemen die verschillende beeldvormingstechnieken combineren, zoals de integratie van fotoakoestische microscopie (PAM) met optische coherentietomografie (OCT) in één miniatuurprobe. Deze hybride opstelling, met een diameter van slechts 2,3 mm, combineert de kracht van microvasculaire beeldvorming via PAM met de hoge-resolutie weefselstructuurbeelden van OCT. De probe maakt gebruik van een enkelvoudige optische vezel waarin de lichtbundels van beide modaliteiten worden gecombineerd en vervolgens via een GRIN-lens en prisma’s op het weefsel worden gericht. Ultrasone golven die worden opgewekt door lichtabsorptie in het weefsel, worden vervolgens opgepikt door een ultrasone transducer die is geïntegreerd in het systeem. De combinatie van deze technieken maakt het mogelijk om zowel de vasculaire structuur als de weefselarchitectuur nauwkeurig in kaart te brengen, wat bijdraagt aan een gedetailleerder en vollediger diagnostisch beeld.

De praktische toepassing van deze technologie is onder meer gedemonstreerd met in vivo beeldvorming van een muizenoortje, waarbij PAM duidelijk microvaten zichtbaar maakt en OCT de talgklieren en weefsellaagstructuren toont. Hierbij bleek dat, ondanks een iets lagere signaal-ruisverhouding door de gebruikte ultrasone transducer, de gecombineerde beelden aanzienlijk meer informatie leveren dan elk systeem afzonderlijk. Dit onderstreept de kracht van multimodale beeldvorming in de klinische praktijk, vooral wanneer het gaat om het nauwkeurig onderscheiden van diverse weefsellagen en structuren.