Tehnică nouă de imagistică laparoscopică cartografiază cu acuratețe țesutul biologic pentru intervenții chirurgicale minim invazive

Laparoscopia este o tehnică chirurgicală minim invazivă utilizată pe scară largă în proceduri precum prostatectomia și apendicectomia. Aceasta oferă avantaje semnificative față de chirurgia deschisă, precum recuperare mai rapidă, cicatrici reduse și costuri medicale mai mici. Totuși, vizualizarea intraoperatorie rămâne o provocare din cauza câmpului vizual limitat și a contrastului slab, ceea ce poate îngreuna identificarea structurilor anatomice critice, evaluarea perfuziei tisulare și delimitarea corectă a marginilor tumorale.
Pentru a îmbunătăți ghidarea chirurgicală, s-au dezvoltat tehnologii optice precum imagistica prin fluorescență și contrastul endogen, însă majoritatea sunt subiective și calitative, necesitând substanțe de contrast exogene. În acest context, imagistica domeniului de frecvență spațială (SFDI) s-a dovedit a fi o tehnică non-contact, cu costuri reduse, care permite cartografierea proprietăților optice ale țesuturilor și identificarea tipurilor de țesut cu sensibilitate și specificitate ridicată.

Studiul publicat în Journal of Biomedical Optics introduce un sistem laparoscopic inovator bazat pe speckle-illumination SFDI (si-SFDI), care utilizează un stereolaparoscop cu două camere și un sistem activ de estimare a profilului 3D pentru a corecta variațiile de înălțime și unghi ale suprafeței țesutului, permițând măsurători precise ale proprietăților optice în timpul intervențiilor chirurgicale.

Imagistica SFDI și limitările sale

SFDI convențional implică proiectarea unui model sinusoidal de lumină pe suprafața țesutului, unde absorbția și împrăștierea luminii sunt analizate pentru a determina coeficienții optici ai țesutului. Această tehnică a fost utilizată clinic pentru:

• Detecția ischemiei în piele, rinichi, intestine și ficat.
• Cartografierea marginilor tumorale în gliom, cancer esofagian și colorectal.

Totuși, aplicarea SFDI în laparoscopie a fost limitată de:

• Viteza redusă de achiziție, necesitănd mai multe imagini pentru o singură hartă optică.
• Incompatibilitatea cu laparoscopul rigid, necesitând proiectoare voluminoase.
• Dificultăți în măsurarea corectă pe suprafețe tridimensionale, unde variațiile de înălțime și unghi afectează iluminarea și reflectanța.

Speckle-illumination SFDI (si-SFDI) - O soluție inovatoare

Studiul de față propune o variantă îmbunătățită a SFDI, bazată pe iluminare cu speckle, care oferă:

• O cartografiere rapidă a proprietăților optice folosind doar două imagini (una cu speckle și una fără).
• Corectarea profilului suprafeței printr-un stereolaparoscop cu două camere, care reconstruiește o hartă 3D precisă.
• Utilizarea fibrelor optice multimodale, înlocuind sistemele voluminoase de proiecție și oferind o iluminare uniformă și controlată.

Speckle-illumination SFDI permite măsurarea corectă a proprietăților optice ale țesutului prin analizarea modului în care lumina este absorbită și împrăștiată. Prin estimarea și corectarea modificărilor de înălțime și unghi, această tehnică asigură măsurători fiabile, chiar și pe suprafețe neuniforme.

Studiul cercetătorilor de la Universitatea Johns Hopkins validează performanța sistemului laparoscopic si-SFDI prin:

• Măsurarea coeficienților optici ai unor fantome tisulare și comparația cu metodele SFDI convenționale.
• Reconstrucția 3D a suprafeței tisulare utilizând un sistem activ de stereoviziune.
• Corectarea profilului pentru măsurători precise, eliminând erorile cauzate de variațiile suprafeței.
• Aplicarea metodei în imagistica in vivo, pentru a analiza schimbările fiziologice în țesuturi.

Metode utilizate:

• Sistem laparoscopic cu două camere, capabil să genereze hărți optice corectate pentru variații de înălțime și unghi.
• Surse laser cu coerență ridicată și scăzută pentru iluminare cu speckle și reconstrucție stereo.
• Analiză de frecvență spațială a imaginii, utilizată pentru estimarea coeficienților de absorbție și împrăștiere.

Rezultate

Validarea măsurătorilor pe fantome tisulare

• Comparând măsurătorile laparoscopice si-SFDI cu cele SFDI convenționale, s-a observat un eroare medie absolută de 6,4% pentru absorbție și 5,8% pentru împrăștiere.
• Acest nivel de precizie este suficient pentru diferențierea țesuturilor sănătoase de cele patologice.

Estimarea 3D a suprafeței și corectarea profilului

• Sistemul active stereo a estimat corect înălțimea și unghiul suprafeței la un nivel de eroare sub 1 mm și 2°.
• Corectarea profilului a redus eroarea în măsurarea absorbției de la 78,5% la 2,8% și a coeficientului de împrăștiere de la 21,6% la 1,3%.

Imagistica in vivo: analiza modificărilor fiziologice

• S-a analizat un deget uman strâns cu un garou, pentru a observa modificările în perfuzia tisulară.
• Absorbția luminii la 639 nm a crescut semnificativ în primele 30 secunde, indicând scăderea oxigenării tisulare.
• După eliberarea garoului, absorbția a revenit la valorile normale în 30 secunde, confirmând sensibilitatea metodei la schimbările hemodinamice.

Implicații clinice

Avantaje ale sistemului laparoscopic si-SFDI

• Compatibilitate cu laparoscopia modernă - folosește fibre optice multimodale în locul unui proiector voluminos.
• Achiziție rapidă a datelor, cu doar două imagini necesare pentru măsurători corecte.
• Corecție 3D a profilului suprafeței, permițând măsurători precise în condiții chirurgicale.
• Identificare precisă a ischemiei și evaluarea marginilor tumorale, cu potențial în chirurgia oncologică.

Limitări și îmbunătățiri viitoare

• Creșterea vitezei de procesare, utilizând camere cu rezoluție mai mare și procesoare grafice pentru paralelizare.
• Extinderea la spectre multiple, inclusiv imagistica în infraroșu apropiat (NIR), pentru analiza oxigenării tisulare.
• Optimizarea corecției pentru suprafețe complexe, precum structuri curbe și neregulate.

Concluzii

Studiul demonstrează că speckle-illumination SFDI combinat cu un stereolaparoscop permite imagistica profil-corectată a proprietăților optice ale țesuturilor, oferind un instrument promițător pentru chirurgia ghidată prin imagistică. Această tehnică ar putea fi utilizată în viitor pentru detectarea ischemiei intraoperatorii, delimitarea precisă a tumorilor și monitorizarea în timp real a țesuturilor.