Photoakustische Bildgebungstechnik könnte Nervenschäden während einer Operation reduzieren – Physics World

Während einer Operation können Nerven versehentlich durchtrennt, gedehnt oder gestaucht werden, wenn der Chirurg sie mit anderem Gewebe verwechselt. Um dieses Risiko zu verringern, wollen Wissenschaftler neue medizinische Bildgebungsverfahren entwickeln, die Nervengewebe besser als Ultraschall und schneller als Magnetresonanztomographie (MRT) unterscheiden und so versehentliche Schäden verhindern können. Forscher der Johns Hopkins University in den USA haben kürzlich zu diesen Bemühungen beigetragen, indem sie die optischen Absorptionseigenschaften eines intakten Nervs charakterisierten und diese Informationen nutzten, um optikbasierte Bildgebungs- und Sensortechnologien zu optimieren.

Im Gegensatz zu einigen anderen Gewebetypen ist Nervengewebe reich an Fettverbindungen, die als Lipide bezeichnet werden. Diese Lipide absorbieren Licht in zwei Bereichen des elektromagnetischen Spektrums: dem nahen Infrarot-II (NIR-II) und dem nahen Infrarot-III (NIR-III), die von 1000–1350 nm bzw. von 1550–1870 nm reichen. Ihre stärkste Absorption liegt jedoch im NIR-III-Bereich, was diese Wellenlängen ideal für die Aufnahme von Bildern von lipidreichen Geweben wie Nerven mit einer Hybridmethode, der sogenannten photoakustischen Bildgebung, macht.

Bei dieser Methode wird eine Gewebeprobe zunächst mit gepulstem Licht beleuchtet, wodurch sie sich leicht erwärmt. Bei der Erwärmung dehnt sich das Gewebe aus und erzeugt Ultraschallwellen, die dann mit einem Ultraschalldetektor erfasst werden können.

Charakteristischer Lichtabsorptionspeak

In der neuen Arbeit a Johns Hopkins Team unter der Leitung eines biomedizinischen Ingenieurs Muyinatu-Glocke Ziel war es, die beste Wellenlänge innerhalb dieses NIR-III-Fensters zur Identifizierung von Nervengewebe in photoakustischen Bildern zu bestimmen. Die Forscher vermuteten, dass die ideale Wellenlänge zwischen 1630 und 1850 nm liegen würde, da die Myelinscheide von Nervenzellen in diesem Bereich einen charakteristischen Lichtabsorptionspeak aufweist.

Um ihre Hypothese zu testen, verwendeten sie ein Standard-Spektrophotometer, um detaillierte optische Absorptionsmessungen an entnommenen peripheren Nervenproben zu erhalten in vivo von Schweinen. Anschließend charakterisierten sie die photoakustischen Profile der Proben, indem sie Amplitudeninformationen aus photoakustischen Bildern der Nerven auswählten.

Die Forscher beobachteten zunächst einen Absorptionspeak bei 1210 nm, der im NIR-II-Bereich liegt. Da dieser Peak jedoch auch in anderen Arten von Lipiden vorhanden ist, nicht nur in denen, die in den Myelinscheiden des Nervengewebes vorkommen, hielten sie ihn für ihre Zwecke für ungeeignet. Als sie dann den Beitrag von Wasser vom Absorptionsspektrum abzogen, fanden sie einen charakteristischen Lipidabsorptionspeak für jeden Nerv bei 1725 nm – genau in der Mitte des erwarteten NIR-III-Bereichs.

Deep Learning beschleunigt die superauflösende photoakustische Bildgebung

"Unsere Arbeit ist die erste, die die optischen Absorptionsspektren frischer Schweinenervenproben mithilfe eines breiten Wellenlängenspektrums charakterisiert" Sagt Bell. „Unsere Ergebnisse unterstreichen das klinische Potenzial der multispektralen photoakustischen Bildgebung als intraoperative Technik zur Feststellung des Vorhandenseins myelinisierter Nerven oder zur Verhinderung von Nervenverletzungen bei medizinischen Eingriffen, mit möglichen Auswirkungen auf andere optikbasierte Technologien.“

Die Forscher planen, auf ihren Erkenntnissen aufzubauen, um neue photoakustische Bildgebungstechniken zu entwickeln. „Wir verfügen jetzt über ein nervenspezifisches Basislinienprofil der optischen Absorption, das in zukünftigen Untersuchungen verwendet werden kann“, erzählt Bell Physik-Welt. „Wir müssen uns nicht mehr auf die Spektren von Lipiden verlassen, die variieren können.“

Ihre aktuelle Arbeit ist detailliert beschrieben in Zeitschrift für biomedizinische Optik.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/photoacoustic-imaging-technique-could-reduce-nerve-damage-during-surgery/