bildgebung durch kombination von photonen und ultraschall · maja cikes; ling tong; george r....

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Bildgebung durch Kombination von

Photonen und Ultraschall

11. Forum Medizintechnik 5.11.2014

Hubert Grün Head of Strategic Research @ RECENDT GmbH

Lecturer @ FH OÖ Campus Linz

www.recendt.at

[email protected]

+43 732 2468 4653

+43 664 216 44 76

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Ziele der medizinischen Bildgebung:

Visualisierung des Körperinnern

zerstörungsfreie (nicht-invasive) Untersuchung von Struktur und Funktion für

̶ Diagnostik

̶ Therapie / Therapieplanung

̶ Verlaufskontrolle

Medizinische Bildgebung

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Wie Sie sehen, sehen Sie nichts, und warum Sie

nichts sehen, werden Sie gleich sehen. [Unbekannt]


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Neue Kontrastmechanismen

Erhöhte räumliche Auflösung

Tomographischer Ansatz 3D Bilder mit

höheren Informationsgehalt

Reduzierung der Belastung für den Körper (ionisierende Strahlung, Stress, … )

Neue Methoden neue Anwendungsfelder


Warum neue bildgebende Verfahren entwickeln?

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Diffuse Optical Imaging (DOI)

Optical Coherence Tomography (OCT)

Ultrasound Tomography (UST)

Photoacoustic Imaging (PAI)

Photoacoustic + Optical Coherence Tomography

Inhalte

Licht, Schall und Physik (LSP)

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Licht, Schall und Physik

Interaktion von Wellen und Materie

Einfallende Welle

Materie

Reflexion

Absorption Transmission

Streuung

Fluoreszenz

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Streuung

Ch. Lutzweiler and D. Razansky, Optoacoustic Imaging and Tomography: Reconstruction Approaches and Outstanding Challenges in Image Performance and Quantification, Sensors 2013, 13(6), 7345-7384; doi:10.3390/sl30607345

http://dx.doi.org/10.3390/sl30607345

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Streuung = Verlust der räumlichen Auflösung

Image: Dr. De Sio, University of Calabria

Streuung

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http://spectralenergies.com/research/sensorsdiagnostics/ballistic-imaging/


Streuung

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Streuung

„ballistische“ Photonen gestreute Photonen

http://www.nirx.net/principles-of-optical-tomography

Verlust der räumlichen Auflösung

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Image: Dr. De Sio, University of Calabria

Je kürzer die Wellenlänge umso geringere Eindringungstiefe ins Gewebe


Wellenlängenabhängige Eindringungstiefe

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Maja Cikes; Ling Tong; George R. Sutherland; Jan D’hooge; Ultrafast Cardiac Ultrasound - ImagingTechnical Principles, Applications, and Clinical Benefits; J Am Coll Cardiol Img. 2014;7(8):812-823

Ausbreitung von Ultraschallwellen

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Schallgeschwindigkeiten

Weichteilgewebe

Knochen

c = 4080 m/s λ = 2.0 mm f = 2 MHz

c = 1500 m/s λ = 0.75 mm f = 2 MHz

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Diffuse Optical Imaging

Diffuse Optical Imaging (DOI) auch bekannt als:

̶ Near Infrared Optical Tomography (NIROT)

̶ Diffuse Optical Tomography (DOT)

̶ Optical Diffusion Tomography (ODT)

Kontrast ist sehr stark, jedoch räumliche Auflösung sehr schlecht (Millimeter-Bereich)

Zeitliche Auflösung ist sehr gut (Millisekunden-Bereich) Bildgebung dynamischer Prozesse

Billige Technologie

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http://www.lrsm.upenn.edu/pmi/nonflash-ver/project/breastNF.html


Mammographie

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Qianqian Fang, Juliette Selb, Stefan A. Carp, Gregory Boverman, Eric L. Miller, Dana H. Brooks, Richard H. Moore, Daniel B. Kopans, and David A. Boas; Combined Optical and X-ray Tomosynthesis Breast Imaging; 258 (1), 2011; DOI: http://dx.doi.org/10.1148/radiol.10082176

Mammographie

Verbesserte räumliche Auflösung optischer Bildgebung: Messung des Hemoglobingehaltes, der Sauerstoffsättigung und des Streuungskoeffizienten. Links: Röntgen Tomosynthesis Bild eines 2.5-cm malignen Tumors der Brust.

http://dx.doi.org/10.1148/radiol.10082176

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Mammographie

Optical imaging of the breast: clinical research using an experimental Diffuse Optical Tomography system, Medica Mundi 54/1 2010 pp 69-77 and Diffuse Optical Tomography of the Breast: Initial Validation in Benign Cysts, Stephanie van de Ven, Sjoerd Elias, Andrea Wiethoff, Marjolein van der Voort, Anais Leproux, Tim Nielsen, Bernhard Brendel, Leon Bakker, Martin van der Mark, Willem Mali and Peter Luijten, Molecular Imaging and Biology

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Enorme Verbesserung der Auflösung durch

Verwendung der ballistischen Photonen

Optical Coherence Tomography

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Prinzip: Detektion von Rückgestreuten breitbandigem Licht (schwache Kohärenz) aus unterschiedlichen Probentiefen

Optisches Pendant zur Ultraschallbildgebung

Messprinzip: Weißlichtinterferometrie

Räumliche Auflösung: 2-20µm

(abhängig von der Lichtquelle)


Einge-

streutes

Licht

sample

Rück-

gestreutes

Licht

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reference mirror

beam splitter

detector

• breitbandiges Spektrum (viele Frequenzen) • kurze Kohärenzlänge

wavelength

inte

nsity

A

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inte

nsi

tät

L

mirror

inte

nsi

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spectrum

Distance reference mirror

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eic

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Inc.

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N T

OCT-B-scan: 10° x 1mm

Histology

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„optischer Ultraschall“ mit höherer räumlichen Auflösung, aber sehr geringer Eindringtiefe

höhere Eindringtiefe Ultrasound

Tomography

OCT (optisch) vs. US (Schallwellen) unterschiedlicher Kontrast, Auflösung und Eindringung

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Ultrasound Tomography

Messung verschiedener Parameter

̶ Time of flight (Laufzeitmessung)

̶ Speed of Sound

̶ Attenuation (Transmission)

Gute räumliche Auflösung!

Notwendigkeit eines Koppelmediums (Wasser)

Billige Technologie

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Grenzfläche Probe 0 2 4 6 8 10

IP

F

BE

IP = Initialpuls

F = Fehler / Grenzschicht

BE = Rückwandecho

Konventioneller Ultraschall (Handheld)

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Verschiedene Modes der Ultrasound Tomography: (a) einzelner Transmitter/Reciever in Reflexionsmessung (b) mehrere Transmitter/Receiver in Beugungs-Mode (c) mehrere gepaarte Transmitter/Receiver in Transmissions-Messung.

Ultrasonic Computed Tomography, Philippe Lasaygues, Régine Guillermin, Jean-Pierre Lefebvre

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MP Andre, SA Johnson, JF Greenleaf, Ultrasound Computed Tomography; http://www.aapm.org/meetings/amos2/pdf/35-9745-31126-138.pdf

Invasives tubuläres Carcinom – Bereich mit hoher Schallgeschwindigkeit (obere Reihe) und hoher Dämpfung (untere Reihe) in coronal, axial und sagittal Schnitten.

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Diffuse Optical Imaging – guter optischer Kontrast, schlechte Ortsauflösung

Ultrasound Tomography – gute Ortsauflösung, aber schlechter Kontrast

Kombination der beiden Vorteile in einer Technologie Photoacoustic Imaging

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Alexander G. Bell 1880: Entdeckung des photoacoustic effect (Thermoelastische Ausdehnung)

Optisch erzeugte Ultraschallwelle

Kombination der Vorteile der optischen Bildgebung (guter Kontrast) und Ultraschallbildgebung (gute Ortsauflösung)

Anregung mittels kurzer elektromagnetischer Pulse

Absorption in der Probe

Thermoelastische Ausdehnung

breitbandige Ultraschallwelle

Wellenausbreitung

Messung an der Probenoberfläche

Photoacoustic Imaging

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Optische Anregung

(Kontrast)

Ultraschall-Ausbreitung

(Auflösung)

Photoacoustic effect

Umwandlung von Licht in

Schall

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Probe 2D Projektionsbild 3D Rekonstruktion

Grün, H.; Berer, T.; Nuster, R.; Paltauf, G. & Burgholzer, P.; Three Dimensional Photoacoustic Imaging Using Fiber-Based Line Detectors; Journal of Biomedical Optics, 2010, 15

Biologische Probe – integrierender Liniendetektor

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Kruger RA and Kiser Jr WL., Thermoacoustic CT of the Breast: Pilot Study Observations. Proc. SPIE 2001; 4256:1-5

Mammographie – Mikrowellenanregung

Zyste Fibroadenoma Ductal Carcinoma in situ

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Rattenhirn: Angiographie Sauerstofflevel aufgrund der Stimulation der Barthaare

links rechts

X Wang, Y Pang, G Ku, X Xie, G Stoica, and L V Wang, Noninvasive laser-induced photoacoustic

tomography for structural and functional in vivo imaging of the brain, Nature Biology, Vol 21(7), 2003

Anatomische + funktionelle Bildgebung

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PAI: Optischer Kontrast mit Ortsauflösung der Ultraschallbildgebung

Eindringung besser als OCT, Auflösung schlechter als OCT

Kombination von oberflächlicher,

hochauflösender OCT mit PAI für tiefere Strukturen mit geringerer Auflösung

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PAI + OCT

Phantom: chicken skin with white and black bristle

ncPAI

OCT

overlay

T. Berer, E. Leiss-Holzinger, A. Hochreiner, J. Bauer-Marschallinger, A. Buchsbaum; Multimodal non-contact photoacoustic and OCT imaging using wavelength-division multiplexing, Journal of Biomedical Optics, submitted

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Wie Sie sehen, sehen Sie nichts, und warum Sie

nichts sehen, werden Sie gleich sehen. [Unbekannt]

Wie Sie sehen, sehen Sie jetzt andere Dinge, aber

Sie sehen, dass Sie trotzdem nicht alles sehen. [Grün]

Bildgebung durch Kombination von Photonen und Ultraschall

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