Forskare har utvecklat den första bärbara sonden som förstärker känseln genom att avbilda och kvantifiera styvheten och elasticiteten hos biologisk vävnad. Enheten utvecklas för att förbättra kirurgiskt avlägsnande av bröstcancer och kan även vara användbar för hjärn- och leverkirurgi och andra typer av cancer.

I tidskriften The Optical Society (OSA). Biomedicinsk Optik Express , forskare från University of Western Australia (UWA) beskriver den nya enheten, som innehåller en fibersond i en bärbar fingerborg.

Under bröstbevarande operation, den vanligaste kirurgiska behandlingen för bröstcancer, kirurger rör vid och komprimerar vävnad för att bekräfta att den styvare cancervävnaden togs bort. Histopatologiska tester utförs sedan dagar senare för att säkerställa att hela tumören togs bort. I dag, 20 till 30 procent av patienterna som genomgår denna typ av operation kräver en annan procedur eftersom de histopatologiska testerna visar att cancerceller finns kvar.

"Vår nya sond syftar till att förbättra kirurgens subjektiva känselkänsla genom kvantifierade, högupplöst avbildning av vävnadsstyvhet, " sa Rowan W. Sanderson, tidningens första författare. "Detta kan göra det lättare att upptäcka och ta bort all cancervävnad under den första bröstbevarande operationen, vilket skulle minska den fysiska och psykiska bördan och kostnaderna som följer med återexcision."

Förvandla beröring till bilder

Den fingermonterade sonden använder en teknik som kallas kvantitativ mikroelastografi (QME) för att översätta känseln till högupplösta bilder. QME använder mätningar från en optisk bildteknik som kallas optisk koherenstomografi (OCT), som genererar hög upplösning, djupupplösta bilder av vävnadsstruktur genom att mäta reflektionerna, eller 'eko, ' av ljus.

För att använda enheten, den fingermonterade sonden pressas vinkelrätt in i vävnaden medan OCT-bilder spelas in. "Genom att bevara känseln, vi strävar efter att bevara det befintliga kliniska arbetsflödet och öka sannolikheten för att denna teknik kommer att användas för bredare klinisk användning, sa Sanderson.

För noggranna elasticitetsmätningar, forskarna utvecklade nya signalbehandlingsmetoder med anpassade algoritmer för att hantera inkonsekventa rörelser och tryck under skanning. 3-D-utskrift hjälpte dem att snabbt producera prototyper av sondens yttre hölje på ett enkelt och kostnadseffektivt sätt.

"Vår fingermonterade sond kan exakt detektera förändringar i mikroskala i styvhet, som tyder på sjukdom, ", sa Sanderson. "Den lilla storleken gör den idealisk för avbildning i trånga utrymmen som en kirurgisk hålighet."

Vävnadstester

För att validera sonden, de började med att testa det på material, kända som silikonfantomer, utformad för att efterlikna friska och sjuka vävnader i bröstet. Dessa tester visade att den fingermonterade sonden hade en noggrannhet på 87 procent, som var något lägre än ett konventionellt QME-system för bänkskivor, men fortfarande tillräckligt hög för potentiell klinisk användning.

De använde sedan sonden för att mäta förändringen i stelhet som orsakas av uppvärmning av ett prov av kängurumuskel. Detta experiment visade att muskelprovet genomgick en sexfaldig ökning i stelhet efter uppvärmningsprocessen. En preliminär 2D-bild erhölls genom att skanna sonden i sidled över en silikonfantom innehållande en styv inneslutning. Även om det visade lägre noggrannhet än experimentet som utfördes utan skanning, forskarna säger att möjligheten att ta bilder genom att svepa med operatörens finger är mycket uppmuntrande. "Kontrasten mellan provfunktionerna var fortfarande uppenbar, vilket indikerar att 2D-skanning har mycket lovande framöver, sa Sanderson.

Forskarna arbetar nu med att bädda in de optiska komponenterna i sonden i en operationshandske som skulle bevara beröringskänsligheten och fingerfärdigheten vid manuell palpation. De förbättrar också noggrannheten i 2D-skanningen.

Detta arbete är en del av ett bredare projekt för att utveckla nya verktyg för att förbättra kirurgi. Forskargruppen har också utvecklat både bänk- och handhållna implementeringar av mikroelastografi. Utöver insatser inom universitetet, teamet har också ett nära samarbete med OncoRes Medical, ett UWA-start-up-företag som bildades i slutet av 2016 för att kommersialisera mikroelastografitekniken.