Imec-onderzoekers leggen basis voor in vivo detectie van traag groeiende hersentumoren, met dank aan hyperspectrale camera
Onderzoekers van imec ontwikkelden een veelbelovende manier om laaggradige gliomen op te sporen in levend weefsel. De ontdekking zou chirurgen op termijn in staat moeten stellen om deze traag groeiende hersentumoren makkelijker te detecteren tijdens operaties.
Voor patiënten zou dat een wereld van verschil betekenen.
De doorbraak kwam er nadat de onderzoekers een hyperspectrale camera van imec integreerden met een chirurgische microscoop. Na een reeks testen in samenwerking met de afdeling neurochirurgie van het UZ Leuven bleek de compacte set-up nauwkeurige klinische data te genereren die, na interpretatie door een neuraal netwerk, moeten toelaten een duidelijk onderscheid te maken tussen gezonde cellen en kankercellen.
Laaggradige gliomen zijn een diverse groep (traag groeiende) hersentumoren die vaak voorkomen bij jonge, verder gezonde patiënten. Hoewel ze meestal goedaardig van oorsprong zijn, hebben studies aangetoond dat laaggradige gliomen jaarlijks vier tot vijf millimeter kunnen groeien, en eventueel zelfs kunnen transformeren in een kwaadaardige tumor.
Vandaar dat artsen er in vele gevallen voor opteren het gezwel zo vroeg mogelijk chirurgisch te verwijderen, hoewel de in vivo detectie en afbakening ervan notoir moeilijk is – zelfs met behulp van een chirurgische microscoop.
Hyperspectrale beeldvorming als bondgenoot in de strijd tegen laaggradige gliomen
“Als we chirurgen de juiste tools zouden kunnen aanreiken om laaggradige gliomen in vivo op te sporen, dan zou dat een revolutie betekenen in de behandeling van patiënten. En voor die doorbraak zou hyperspectrale beeldvormingstechnologie wel eens kunnen zorgen,” zegt Roeland Vandebriel, field application engineer bij imec.
“Bij hyperspectrale beeldvorming wordt het hersenweefsel belicht, waarna het weerkaatste licht wordt opgevangen in vele smalle, spectrale banden. Die unieke ‘spectrale handtekening’ laat toe om een duidelijk onderscheid te maken tussen gezonde cellen en kankercellen.”
Roeland Vandebriel: “Tot nog toe kon de technologie echter niet zomaar in een operatiekwartier worden gebruikt. Maar dat is buiten de compacte combo gerekend van imecs snapscan VNIR 150 hyperspectrale camera, gemonteerd op een standaard chirurgische microscoop.”
“Uit ons onderzoek is gebleken dat die compacte opstelling nauwkeurige klinische data aanlevert die door een neuraal netwerk geïnterpreteerd kunnen worden. Dat zal chirurgen op termijn toelaten dit soort hersentumoren in vivo te detecteren.”
Compact en nauwkeurig
Dankzij zijn beperkte afmetingen (10 x 7 x 6,5 cm, en zijn gewicht van 645 g) kan imecs snapscan camera makkelijk worden gemonteerd op een chirurgische microscoop. Samen vormen ze een compacte opstelling die, in tegenstelling tot de grote en onhandige systemen die in eerdere studies werden gebruikt, wel degelijk kan worden geïntegreerd in strenge klinische workflows.
“Daarnaast hebben we bestudeerd hoe het systeem – met minimale aanpassingen – kan functioneren in een steriele intraoperatieve omgeving”, aldus Siri Luthman, projectleider bij imec.
“Want het was vooral daarop dat eerder onderzoek vastliep. De kalibratie van het systeem, de karakteristieken van de interne lichtbron van de microscoop, enz.: het zijn allemaal parameters waarmee we rekening moesten .
De volgende stap: realtime tumorclassificatie
“Hoewel het nog te vroeg is om onze opstelling ook effectief tijdens een operatie in te zetten, is onze aanpak wel al voorlopig gevalideerd met behulp van een klinische dataset van zes patiënten van het UZ Leuven. Nu willen we bekijken of we de tumorclassificatie ook in real time kunnen doen, door gebruik te maken van imecs snapshot hyperspectrale technologie die aan veel hogere snelheden werkt,” besluit Roeland Vandebriel.
Prof. dr. Steven De Vleeschouwer, neurochirurg in UZ Leuven: “Om een laaggradig glioma in de hersenen weg te nemen, baseert een chirurg zich vooral op anatomische kennis, functionele grenzen, weefselgevoel en subtiele weefselveranderingen. Die subtiele veranderingen zijn quasi onherkenbaar in de grenszone met het normale omgevende hersenweefsel, waardoor het onmogelijk is die grenzen te zien met het blote oog, ook niet met de hulp van een zeer goede operatiemicroscoop.
Daarom zijn we jaren geleden gaan samenwerken met imec om een hyperspectrale camera te combineren met een chirurgische microscoop en als één geheel te kalibreren voor de gebruikte golflengtes van het licht. Als de verdere klinische testen even positief verlopen als onze eerste bevindingen, zal de hyperspectrale camera voor patiënten met een laaggradig glioma het voordeel hebben dat meer aangetast weefsel kan worden herkend en weggehaald.
Op die manier ontwikkelen we een hulpmiddel dat ons in real-time, zonder dat de patiënt vooraf één of ander fluorofoor moet drinken, toelaat een breed deel van de hersenen te scannen zonder dat het wezenlijk interfereert met de normale operatieve procedure.”
Dit onderzoek werd uitgevoerd in samenwerking met Carl Zeiss Meditec AG. De resultaten werden voorgesteld tijdens SPIE BiOS, een belangrijke conferentie over biomedische optica in San Francisco. Foto imec.
