Invasieve medische procedures, zoals procedures waarbij lokale anesthesie vereist is, brengen vaak het risico op zenuwbeschadiging met zich mee. Tijdens de operatie kan de chirurg per ongeluk een zenuw doorsnijden, uitrekken of samendrukken, vooral als de zenuw wordt aangezien voor ander weefsel. Dit kan ervoor zorgen dat patiënten langdurige symptomen ervaren, waaronder sensorische en motorische problemen. Op dezelfde manier kunnen patiënten die zenuwblokkades of andere vormen van anesthesie krijgen, zenuwbeschadiging oplopen als de naald zich niet op de juiste afstand van de perifere doelzenuw bevindt.
Daarom hebben onderzoekers hard gewerkt aan de ontwikkeling van medische beeldvormingstechnieken om het risico op zenuwbeschadiging te verminderen. Ultrageluid en magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) kunnen chirurgen bijvoorbeeld helpen de locatie van zenuwen tijdens operaties te bepalen. Het onderscheiden van zenuwen van omringend weefsel op echografiebeelden is echter een uitdaging, en MRI is duur en tijdrovend.
Onderzoekers van Johns Hopkins University benadrukken het potentieel van multispectrale foto-akoestische beeldvorming om zenuwbeschadiging tijdens invasieve medische procedures te voorkomen en sleutelgolflengten te identificeren voor optimale zenuwvisualisatie.
Foto-akoestische beelden van de nervus ulnaris (links) en de medianuszenuw (rechts) van varkens werden voor het eerst in vivo opgenomen. De zenuw werd belicht met 1725 nm licht en over het confocale echografiebeeld heen gelegd. Ook worden de contouren van de zenuw en het omringende agarosegebied van belang (ROI) getoond. Bron: M. Graham et al., doi10.1117/1.JBO.28.9.097001
TA GPH14Prospects of Photoacoustic Imaging
Een veelbelovend alternatief in dit opzicht is multispectrale foto-akoestische beeldvorming. Als niet-invasieve technologie combineert fotoakoestische beeldvorming licht- en geluidsgolven om gedetailleerde beelden van menselijk weefsel en structuren te produceren. In wezen wordt het doelgebied eerst verlicht met gepulseerd licht, waardoor het enigszins opwarmt. Dit zorgt er op zijn beurt voor dat het weefsel uitzet, waardoor ultrasone golven worden uitgezonden die door de ultrasone detector worden opgevangen.
Een onderzoeksteam van de Johns Hopkins Universiteit heeft onlangs een onderzoek uitgevoerd waarin ze de absorptie en foto-akoestische kenmerken van neuraal weefsel over het gehele nabij-infrarood (NIR) spectrale bereik grondig karakteriseerden. Hun onderzoeksresultaten werden op 4 september gepubliceerd in de Journal of Biomedical Optics en werden geleid door Dr. Muyinatu A. Lediju Bell, universitair hoofddocent van John C. Malone en directeur van het PULSE Laboratory aan de Johns Hopkins University.
Een van de hoofddoelen van hun onderzoek is het bepalen van de ideale golflengte voor het identificeren van neuraal weefsel in foto-akoestische beelden. De onderzoekers veronderstelden dat golflengten van 1630-1850 nanometer, gelegen binnen het nabij-infrarood-III optische venster, het optimale golflengtebereik zouden zijn voor zenuwvisualisatie, omdat de lipiden in neuronale myeline een karakteristieke absorptiepiek in dit bereik hebben.
Om deze hypothese te testen, voerden ze gedetailleerde optische absorptiemetingen uit op perifere zenuwmonsters. Ze observeerden een absorptiepiek bij een golflengte van 1210 nanometer, die tot de nabij-infrarood-II-band behoort. Deze absorptiepiek is echter ook aanwezig in andere soorten lipiden. Wanneer daarentegen de bijdrage van water wordt afgetrokken van het absorptiespectrum, vertoont zenuwweefsel een unieke piek in het nabij-infrarood-III-bereik bij 1725 nm.
Praktische tests en impact
Daarnaast voerden de onderzoekers foto-akoestische metingen uit van perifere zenuwen bij levende varkens met behulp van een op maat gemaakt beeldapparaat. Deze experimenten bevestigden verder de hypothese dat het gebruik van pieken in de nabij-infrarood-III-band effectief onderscheid kan maken tussen lipiderijk neuraal weefsel en andere soorten weefsel, evenals waterbevattende of lipide-arme materialen.
Bell is tevreden met de resultaten en zegt: "Ons werk is het eerste dat brede golflengtespectroscopie gebruikt om het optische absorptiespectrum van verse varkenszenuwmonsters te karakteriseren, en is ook het eerste dat multispectrale foto-akoestische beeldvorming gebruikt in het nabij-infrarood-III-venster om in vivo visualisatie van gezonde en geregenereerde varkenszenuwen aan te tonen."
Deze bevindingen kunnen wetenschappers inspireren om het potentieel van foto-akoestische beeldvorming verder te onderzoeken. Bovendien kan karakterisering van lichtabsorptieprofielen van neuraal weefsel helpen bij het verbeteren van neurale detectie- en segmentatietechnieken bij gebruik van andere optische beeldvormingsmodaliteiten.
"Onze bevindingen onderstrepen de klinische belofte van multispectrale fotoakoestische beeldvorming als een intraoperatieve techniek die kan worden gebruikt om de aanwezigheid van gemyeliniseerde zenuwen vast te stellen of zenuwbeschadiging te voorkomen tijdens medische interventies, en die implicaties kan hebben voor andere op optische technieken gebaseerde technieken. Daarom legt onze bijdrage met succes een nieuwe wetenschappelijke basis voor de biomedische opticagemeenschap."