3D Passive Cavitation Mapping (3D-PCM) with a Large-aperture Planar Array

Nierstenen zijn een pijnlijke en steeds vaker voorkomende kwaal die miljoenen mensen wereldwijd treft. Wanneer deze harde minerale afzettingen zich in de urinewegen vormen, kunnen ze ernstige blokkades en ontstekingen veroorzaken. Decennialang was de standaardbehandeling het verbrijzelen van deze stenen in minuscule fragmenten met behulp van hoogenergetische schokgolven of lasers, een proces dat bekendstaat als lithotripsie. Hoewel effectief, is deze procedure grotendeels een spel van blinde precisie. Chirurgen leiden een laservezel via een endoscoop naar de steen, maar zij kunnen niet precies zien hoe de steen breekt of waar de energie naartoe gaat in real-time. Recent onderzoek heeft onthuld dat de vernietiging van de steen sterk afhankelijk is van een fenomeen dat cavitatie wordt genoemd. Dit gebeurt wanneer de laserenergie microscopisch kleine bellen creëert in de vloeistof rondom de steen. Deze bellen zetten uit en klappen vervolgens gewelddadig in, waarbij schokgolven ontstaan die de steen stukje bij beetje afbreken. Het probleem is dat huidige medische beeldvormingsinstrumenten deze onzichtbare, vluchtige bellen diep in het lichaam niet kunnen zien, waardoor artsen moeten gissen of de behandeling efficiënt verloopt of onbedoachte schade toebrengt aan gezond weefsel.

Een team van onderzoekers aan de Duke University heeft een nieuwe manier ontwikkeld om deze verborgen gebeurtenissen te zien. Ze hebben een gespecialiseerd beeldvormingssysteem ontwikkeld dat fungeert als een hogeresolutiecamera voor geluid, in staat om de locatie en intensiteit van deze inklappende bellen in drie dimensies in kaart te brengen. Door gebruik te maken van een groot, plat paneel met ultrasone sensoren, is het team erin geslaagd de chaotische dans van cavitatiebellen diep in levend weefsel vast te leggen, een prestatie die eerdere technologieën niet konden verrichten. Hun werk suggereert dat artsen binnenkort een real-time kaart kunnen hebben van het steenbrekende proces, waardoor ze de laser direct kunnen aanpassen om de efficiëntie te maximaliseren terwijl de omliggende nier wordt beschermd.

De kern van deze nieuwe technologie is een grote, platte ultrasone array, een rooster van 256 kleine sensoren gerangschikt in een vierkant paneel. In tegen tegenstelling tot oudere systemen die gebogen, komvormige arrays gebruikten die slechts een klein, ondiep gebied konden bekijken, laat dit platte ontwerp de sensoren veel dieper en breder in het lichaam kijken. De onderzoekers moesten een moeilijke technische puzzel oplossen om dit werkend te krijgen. Als de sensoren te klein zijn, verliezen ze gevoeligheid en kunnen ze de zwakke geluiden van bellen diep van binnen niet horen. Als ze te groot zijn, wordt het beeld wazig. Door zorgvuldige computermodellering en fysieke tests vonden ze een "sweet spot" door elk sensorelement één millimeter breed te maken met een afstand van twee millimeter tussen de elementen. Deze specifieijke grootte zorgde ervoor dat het systeem een scherpe focus kon behouden over een groot gebied, ongeveer de grootte van een kleine ansichtkaart, reikend tot dieptes van ongeveer 110 millimeter, wat diep genoeg is om de menselijke nier te bestrijken.

Om te bewijzen dat hun systeem werkte, testte het team het eerst in een gecontroleerde omgeving. Ze vuurden een enkele laserpuls af om een bel te creëren en bekeken deze met een hogesnelheidscamera die duizenden beelden per seconde kon vastleggen. Ze vergeleken het beeld van de camera met de geluidskaart gegenereerd door hun nieuwe array. De resultaten toonden een sterke correlatie, waarbij de geluidskaart nauwkeurig liet zien waar de bel verscheen, hoe groot deze was en exact wanneer deze inklapte. Het systeem kon individuele bellen onderscheiden en hun beweging volgen met een precisie van minder dan één millimeter. Dit bevestigde dat de platte array niet alleen de bellen kon horen, maar ook hun locatie in drie dimensionale ruimte met opmerkelijke nauwkeurigheid kon bepalen.

De onderzoekers namen de technologie vervolgens mee naar een levende omgeving, waarbij ze een varkensmodel gebruikten dat de menselijke anatomie nauwgezet nabootst. Ze plaatsten de platte sensorarray over de nier van het varken en voerden een laserlithotripsie uit op een steen binnenin. Terwijl de laser vuurde, begon het systeem een driedimensionale kaart te bouwen van de cavitatieactiviteit. De beelden onthulden dat de bellen niet op één plek bleven. In plaats daarvan verschenen ze in een verspreid patroon rond de lasertip, waarbij ze uitzetten en verschuiven naarmate de behandeling vorderde. Na 3.000 laserpulsen toonde het systeem een complexe wolk van bubbelactiviteit die zich enkele millimeters van de vezel uitstrekte, waarbij sommige gebieden intense, herhaalde inklapmomenten vertoonden. Dit niveau van detail bood een duidelijk beeld van hoe de energie interactie had met de steen en de omliggende vloeistof, iets wat voorheen onmogelijk te observeren was tijdens de operatie.

De betekenis van deze bevinding ligt in het potentieel om de manier waarop deze procedures worden uitgevoerd te transformeren. Momenteel vertrouwen chirurgen op visuele feedback van een endoscoop, die alleen het oppervlak van de steen laat zien en de onzichtbare bubbelactiviteit die de steen daadwerkelijk verbrijzelt, niet kan zien. Met dit nieuwe systeem kan de cavitatiemap op een scherm worden weergegeven om waardevolle feedback tijdens een procedure te geven. Als de bellen niet vormen waar de steen zit, kan de chirurg de laser verplaatsen. Als de bellen te intens zijn en het risico lopen gezond weefsel te beschadigen, kan de chirurg het vermogen verminderen. De onderzoekers merkten op dat hoewel het huidige systeem enkele minuten nodig heeft om de volledige 3D-afbeelding te reconstrueren en nog tekortschiet voor echte real-time klinische beeldvorming, de technologie al in staat is om deze dynamiek effectief vast te leggen.

Dit werk vormt een belangrijke stap voorwaarts in het slimmer en veiliger maken van minimaal invasieve chirurgie. Door het onzichtbare proces van cavitatie om te zetten in een zichtbare, driedimensionale kaart, hebben de onderzoekers een nieuw venster geopend naar hoe lasers stenen verbrijzelen. Het systeem heeft succesvol aangetoond dat het mogelijk is om deze snelle, microscopische gebeurtenissen diep in het lichaam te monitoren zonder gebruik te maken van straling of de standaard chirurgische workflow te verstoren. Hoewel er meer testen nodig zijn om dit in menselijke klinieken te introduceren, biedt het vermogen om de onzichtbare krachten die aan het werk zijn tijdens de behandeling van stenen te zien, een veelbelovend pad naar meer precieze, efficiënte en minder pijnlijke zorg voor patiënten.