Methods for standardizing and enhancing Biomedical Fluorescence Imaging

Abstract

Η απεικόνιση φθορισμού στο φάσμα της κοντινής υπέρυθρης ακτινοβολίας έχει εισάγει νέες δυνατότητες απεικόνισης στη χειρουργική καθοδήγηση την τελευταία δεκαετία. Με τη χορήγηση φθοριζόντων ιχνηθετών στον ιστό και τη χρήση πολύ ευαίσθητων καμερών φθορισμού, μπορούν να εντοπιστούν παθοφυσιολογικές θέσεις ιστών που είναι αόρατες στο ανθρώπινο μάτι κατά τη διάρκεια μιας χειρουργικής επέμβασης. Η εμφάνιση νέων ιχνηθετών φθορισμού που στοχεύουν συγκεκριμένα μοριακά χαρακτηριστικά της νόσου έχει διευκολύνει την ταυτοποίηση και την οριοθέτηση του καρκινικού ιστού με μεγαλύτερη ευαισθησία και ακρίβεια έναντι των μη ειδικών ιχνηθετών φθορισμού που κυκλοφορούν στο αγγειακό σύστημα. Παρά την μεγάλη πρόοδο στην τεχνολογία των καμερών φθορισμού και την εξειδίκευση στους ιχνηθέτες φθορισμού, η απεικόνιση φθορισμού εξακολουθεί να αντιμετωπίζει προκλήσεις ως προς την κλινική της μετάβαση. Στόχος αυτής της εργασίας είναι να προτείνει νέες λύσεις για να ξεπεραστούν αυτές οι προκλήσεις. Η πρώτη πρόκληση είναι η έλλειψη βαθμονόμησης και τυποποίησης των συστημάτων απεικόνισης φθορισμού. Υπάρχουν διάφορα συστήματα απεικόνισης φθορισμού σε διαφορετικά εργαστήρια και κλινικές και κάθε σύστημα λειτουργεί με έναν συνδυασμό παραμέτρων όπως ο χρόνος έκθεσης, η απόσταση εργασίας, το κέρδος και η μεγέθυνση. Η ποικιλία των διεργαστηριακών συστημάτων και των παραμέτρων απεικόνισης τονίζει την ανάγκη βαθμονόμησης του συστήματος πριν από τη μέτρηση για να διασφαλιστεί η καλύτερη απόδοση και επαναληψιμότητα των αποτελεσμάτων απεικόνισης για το ίδιο δείγμα. Για να αντιμετωπίσουμε αυτήν την πρόκληση, παρουσιάζουμε την πρώτη και τη δεύτερη γενιά ολοκληρωμένων στερεών phantoms που μπορούν ταυτόχρονα να αξιολογήσουν πολλαπλές παραμέτρους του συστήματος. Αυτές οι παράμετροι περιλαμβάνουν την ευαισθησία της κάμερας, τις διακυμάνσεις της έντασης του φθορισμού ως συνάρτηση των οπτικών ιδιοτήτων και του βάθους, την ομοιογένεια φωτισμού, την οπτική ανάλυση και την ανάλυση φθορισμού καθώς και cross talk από το φως διέγερσης και τον παρασιτικό φωτισμό που διαρρέει στο κανάλι φθορισμού. Επιπλέον, αυτά τα phantoms μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διόρθωση του ανομοιογενούς φωτισμού. Η δεύτερη πρόκληση της απεικόνισης φθορισμού είναι η παραμόρφωση του σήματος φθορισμού λόγω της σκέδασης και της απορρόφησης των ιστών. Η διάχυση φωτονίων στον ιστό παραμορφώνει την ποιότητα της εικόνας. Η κακή ανάλυση της εικόνας φθορισμού καθιστά δύσκολη την οριοθέτηση του όγκου, οδηγώντας σε ασάφεια στην ερμηνεία της εικόνας. Έτσι, μπορεί να συμβεί ατελής εκτομή όγκου ή υπερβολική αφαίρεση υγιούς ιστού, τα οποία επηρεάζουν αρνητικά την ποιότητα ζωής των ασθενών. Σε αυτή τη διατριβή, προτείνεται μια νέα μέθοδος για την βελτιστοποίηση της απεικόνισης φθορισμού που λαμβάνει υπόψη την ετερογένεια των ιστών, σε αντίθεση με τις παραδοσιακές μεθόδους που προϋποθέτουν την ομοιογένεια των ιστών. Εισάγουμε την έννοια της σάρωσης του ιστού με μια σημειακή δέσμη για την απόκτηση χωρικών μεταβλητών παλμικών αποκρίσεων (πυρήνες) που εξαρτώνται από τις τοπικές οπτικές ιδιότητες. Στη συνέχεια, αυτοί οι πυρήνες χρησιμοποιούνται σε ένα γρήγορο, χωρικά μεταβλητό σχήμα αποσυνέλιξης για να αναστρέψουν την υποβάθμιση της ποιότητας της εικόνας. Για την επικύρωση της μεθόδου έγιναν πειραματικές μετρήσεις σε phantoms και ex vivo ποντίκια. Τέλος, η διόρθωση των τιμών έντασης στην απεικόνιση φθορισμού συζητείται στο πλαίσιο μιας μεθόδου που θα μπορούσε να εφαρμοστεί ως επέκταση της χωρικής μεταβλητής μεθόδου αποσυνέλιξης. Συνολικά, προτείνεται ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο που περιλαμβάνει όλες τις μεθόδους διόρθωσης που περιγράφονται σε αυτή τη διατριβή και περιγράφεται μια μελλοντική προοπτική.