Wenn Wissenschaftler neue optische Techniken und Instrumente für die medizinische Diagnose, Chirurgie oder lichtbasierte Therapie entwickeln, müssen diese Techniken und Instrumente durch umfangreiche Tests validiert und kalibriert werden. Die Testläufe werden normalerweise an „optischen Phantomen“ durchgeführt, Objekten, die speziell entwickelt wurden, um eine bestimmte Art von Gewebe nachzuahmen. Phantome erleichtern mehrere Aufgaben, darunter die Kalibrierung, die Bewertung der Auflösung eines Werkzeugs und die Validierung von Nachbearbeitungsalgorithmen.
Während ein ideales Phantom über das gesamte optische Spektrum genau wie das Zielgewebe reagieren sollte, ist dies mit der derzeitigen Technologie nicht erreichbar. Moderne optische Phantome können nur einige der Eigenschaften des Zielgewebes nachahmen, und zwar nur über ein schmales Wellenlängenband. Obwohl dies für viele bildgebende Verfahren ausreichend ist, hängen verschiedene aufkommende Hybridmodalitäten und neuartige Instrumente von einem breiteren Wellenlängenband für optische Gewebeeigenschaften (z. B. Absorption und Streuung) ab.
Die Situation erfordert ein neues Design optischer Phantome, die das repräsentative Gewebe originalgetreuer reproduzieren können. In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Zeitschrift für Biomedizinische Optik (JBO)haben Forscher der Vanderbilt University in den USA eine innovative Plattform entwickelt, um solche adaptiven optischen Phantome herzustellen.
Ihre Idee konzentriert sich auf die Zugabe mehrerer Pigmente bei der Herstellung eines Phantoms, sodass nach dem Erstarren des Epoxidharzes die optischen Eigenschaften des endgültigen Materials genau die des Zielgewebes widerspiegeln. Der Prozess ähnelt dem, wie Baumarktfarben durch Kombination einer Reihe von festgelegten Pigmenten auf eine beliebige Zielfarbe abgestimmt werden.
Die Forscher charakterisierten zunächst die optische Reaktion von 20 im Handel erhältlichen Pigmenten, wenn sie einer Epoxidharzprobe einzeln in unterschiedlichen Konzentrationen zugesetzt wurden. Auf diese Weise quantifizierten sie, wie viel jedes Pigment zur Streuung, Basislinienabsorption und Absorptionsspitzen des Phantoms bei verschiedenen Wellenlängen beitragen würde.
Dies warf jedoch eine wichtige Frage auf: Wie viel von jedem Pigment wird benötigt, um einem bestimmten Satz von Gewebeeigenschaften zu entsprechen? Um dies zu beantworten, verwendeten die Forscher Optimierungstechniken, um die beste Pigmentmischung für jeden Fall zu berechnen.
Um die Leistung der mit ihrer Plattform entworfenen Phantome zu demonstrieren, führten sie als nächstes eine Reihe umfangreicher Validierungsexperimente durch. Erstens produzierten sie Phantome, die der Gesamtabsorption und -streuung von menschlichem Muskel- und Nervengewebe entsprachen, das Leichen entnommen wurde. Anschließend erzeugten sie Phantome mit unterschiedlichen diffusen Reflexionswerten, ein relevanter Parameter bei bestimmten Bildgebungsverfahren.
Diese Phantome imitierten erfolgreich die diffuse Reflexion blasser und melanistischer Hauttypen. Schließlich nutzten die Forscher ihren Multi-Pigment-Ansatz, um Phantome zu erstellen, die bestimmte Konzentrationen von Chromophoren emulierten. In diesem Fall repräsentierten die Phantome unterschiedliche Sauerstoffsättigungsgrade im Hämoglobin.
Insgesamt sehen die Ergebnisse der Validierungsexperimente sehr vielversprechend aus, da die erzeugten Phantome mit minimalem Fehler genau den gewünschten Eigenschaften des Zielgewebes entsprechen.
„Die von den Autoren bereitgestellte Methode könnte zum neuen Standard in der Entwicklung adaptiver optischer Phantome werden“, bemerkt er JBO Mitherausgeber Frédéric Leblond, Professor für technische Physik an der Polytechnique Montréal, „Biomedizinische Optiktechnologien treten in Entwicklungsphasen ein, die ein hohes Maß an Standardisierung erfordern, um verschiedenen Industrie- und Regulierungsstandards zu entsprechen, was letztendlich zu einer klinischen Umsetzung und Annahme führt, daher ist diese Arbeit zeitgemäß und wichtig.“
Einfach gesagt, diese innovative Plattform könnte dazu beitragen, die verschiedenen Probleme im Zusammenhang mit Phantomen zu lösen, die derzeit neue medizinische Bildgebungstechnologien zurückhalten. Im Laufe der Zeit wird dies zu besseren optikbasierten Diagnosen und Behandlungen führen.
Mehr Informationen:
Alec B. Walter et al, Entwicklung einer Plattform für breitbandige, spektrenangepasste, gewebeoptische Phantome, Zeitschrift für biomedizinische Optik (2023). DOI: 10.1117/1.JBO.28.2.025001