Den vassa inre nålen (schematisk och infälld bild) som används för att punktera hjärtseptumet för att få åtkomst till vänster förmak kan säkert försänkas i en trubbig yttre nålkanyl. Efter punktering, dilatatorhöljet förs fram över nålen till vänster förmak. Sonden innehåller två optiska fibrer placerade i den inre nålen för pulseko ultraljudsavbildning:en för överföring (Tx) med leverans av pulserat excitationsljus till en optiskt absorberande beläggning och en för mottagning (Rx) med leverans av kontinuerlig våg ( CW) ljus till en Fabry-Pérotcavity. Akustisk isolering mellan Tx- och Rx -fibrerna tillhandahålls av en tunn metallskiva. Skala, 500 μm. Kredit:Finlay et al.
Hjärtvävnad kan avbildas i realtid under nyckelhålsförfaranden med en ny optisk ultraljudsnål utvecklad av forskare vid UCL och Queen Mary University of London (QMUL).
Den revolutionerande tekniken har framgångsrikt använts för minimalt invasiv hjärtkirurgi hos grisar, ger en aldrig tidigare skådad, högupplöst bild av mjuka vävnader upp till 2,5 cm framför instrumentet, inuti kroppen.
Läkare för närvarande förlitar sig på externa ultraljudssonder kombinerat med pre-operativa bildskanningar för att visualisera mjukvävnad och organ under nyckelhålsförfaranden eftersom de miniatyrkirurgiska instrument som används inte stöder intern ultraljudsavbildning.
För studien, publicerad idag i Ljus:Vetenskap och applikationer , teamet av kirurger, ingenjörer, fysiker och materialkemister konstruerade och byggde den optiska ultraljudstekniken för att passa in i befintliga medicintekniska produkter för engångsbruk, som en nål.
"Den optiska ultraljudsnålen är perfekt för ingrepp där det finns ett litet vävnadsmål som är svårt att se under nyckelhålsoperation med nuvarande metoder och saknar det kan få katastrofala konsekvenser, "sa Dr Malcolm Finlay, studera co-lead och konsultkardiolog vid QMUL och Barts Heart Center.
"Vi har nu realtidsavbildning som gör att vi kan skilja mellan vävnader på ett anmärkningsvärt djup, hjälper till att styra de högsta riskmomenten i dessa förfaranden. Detta kommer att minska risken för komplikationer under rutinmässiga men skickliga ingrepp, såsom ablationsprocedurer i hjärtat. Tekniken har utformats för att vara helt kompatibel med MR och andra nuvarande metoder, så det kan också användas under hjärn- eller fosterkirurgi, eller med vägledande epiduralnålar. "
Tvådimensionell all-optisk ultraljudsavbildning (B-Mode) som erhållits under manuell översättning av nålspetsen över ett avstånd av 4 cm. När nålspetsen gick från det högra högra förmaket till den sämre vena cava, den tunna foramen ovale manifesteras som en hypoechoic region mellan thicklimbus fossae ovalis och senan av Todaro (med en diagonal artefakt från ICE kateter och slida). Röntgenfluoroskopisk avbildning förvärvades samtidigt (infälld). Kredit:Finlay et al.
Teamet utvecklade den helt optiska ultraljudstekniken för användning i klinisk miljö under fyra år. De såg till att den var tillräckligt känslig för bilddjup av vävnadsdjup i centimeter i rörelse; det passade in i det befintliga kliniska arbetsflödet och fungerade inuti kroppen.
"Detta är den första demonstrationen av all-optisk ultraljudsavbildning i en kliniskt realistisk miljö. Med hjälp av billiga optiska fibrer, vi har kunnat uppnå högupplöst avbildning med hjälp av nålspetsar under 1 mm. Vi hoppas nu kunna replikera denna framgång för ett antal andra kliniska tillämpningar där minimalt invasiva kirurgiska tekniker används, "förklarade studiens medledare, Dr Adrien Desjardins (Wellcome EPSRC Center for Interventional and Surgical Sciences vid UCL).
Tekniken använder en optisk fiber i miniatyr som är innesluten i en anpassad klinisk nål för att leverera en kort ljuspuls som genererar ultraljudspulser. Reflektioner av dessa ultraljudspulser från vävnad detekteras av en sensor på en andra optisk fiber, ger ultraljud i realtid för att styra kirurgi.
En av de viktigaste innovationerna var utvecklingen av ett svart flexibelt material som inkluderade ett nät av kolnanorör som är inneslutna i silikon av klinisk kvalitet som exakt applicerats på en optisk fiber. Kolnanorören absorberar pulserande laserljus, och denna absorption leder till en ultraljudsvåg via den fotoakustiska effekten.
En andra innovation var utvecklingen av mycket känsliga optiska fibrersensorer baserade på optiska polymermikroresonatorer för att detektera ultraljudsvågorna. Detta arbete utfördes i en relaterad UCL -studie som leddes av Dr James Guggenheim (UCL Medical Physics &Biomedical Engineering) och publicerades nyligen i Nature Photonics .
"Hela processen sker extremt snabbt, ger en oöverträffad realtidsvy av mjukvävnad. Det ger läkare en levande bild med en upplösning på 64 mikron, vilket motsvarar bara nio röda blodkroppar, och dess fantastiska känslighet gör att vi lätt kan differentiera mjuka vävnader, "sade medförfattare till studien, Dr Richard Colchester (UCL Medical Physics &Biomedical Engineering).
