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Real-Time Multispectral Fluorescence and Reflectance Imaging for Intraoperative Applications

 
: Dimitriadis, Nikolas

:
Fulltext ()

Heidelberg, 2018, 253 pp.
Heidelberg, Univ., Diss., 2018
URN: urn:nbn:de:bsz:16-heidok-251958
English
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer IPA ()
Bildgebungsverfahren; Chirurgie; Fluoreszenzspektrometrie

Abstract
Fluoreszenz kann Chirurgen während Operationen unterstützen, indem ansonsten mit bloßem Auge nicht erkennbare anatomische Strukturen sichtbar gemacht werden. So können zum Beispiel Tumorzellen mit einem Farbstoff markiert werden und Muskelgewebe, Nervenstränge oder Blutgefäße mit anderen Farbstoffen gefärbt werden. Somit kann zwischen den verschiedenen Gewebearten besser differenziert werden. Die gleichzeitige Aufnahme von Fluoreszenz- und konventionellen Farbbildern im sichtbaren und nahinfrarot Bereich in Videorate stellt nach wie vor eine Herausforderung dar. Diese Arbeit analysiert und spezifiziert zuerst die Anforderungen an ein solches Gerät. Daraufhin wird ein Konzept, welches auf spektralem und zeitlichem Multiplexing beruht, entwickelt und ein Prototyp wird realisiert. Experimente und numerische Simulationen belegen, dass der Prototyp die Anforderungen erfüllt.
Die multispektralen Bilddaten müssen verarbeitet werden, um den Chirurgen mit den diagnostisch relevanten Informationen versorgen zu können. Artefakte in diesen Bildern werden vom Chirurgen unter Umständen nicht erkannt. Eine neuartige Methode wird entwickelt, welche Inkonsistenzen in den diagnostischen Informationen für jeden Pixel auf Basis eines einzelnen Bildes vorhersagt. Die numerische Optimierung von Systemparametern und eine abschließende kritische Betrachtung liefern Ansatzpunkte für zukünftige Verbesserungen und zeigen den Weg zur klinischen Anwendung auf.

 

Fluorescence guided surgery supports doctors by making unrecognizable anatomical or pathological structures become recognizable. For instance, cancer cells can be targeted with one fluorescent dye whereas muscular tissue, nerves or blood vessels can be targeted by other dyes to allow distinction beyond conventional color vision. Consequently, intraoperative imaging devices should combine multispectral fluorescence with conventional reflectance color imaging over the entire visible and near-infrared spectral range at video rate, which remains a challenge. In this work, the requirements for such a fluorescence imaging device are analyzed in detail. A concept based on temporal and spectral multiplexing is developed, and a prototype system is build. Experiments and numerical simulations show that the prototype fulfills the design requirements and suggest future improvements.
The multispectral fluorescence image stream is processed to present fluorescent dye images to the surgeon using linear unmixing. However, artifacts in the unmixed images may not be noticed by the surgeon. A tool is developed in this work to indicate unmixing inconsistencies on a per pixel and per frame basis. In-silico optimization and a critical review suggest future improvements and provide insight for clinical translation.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-593147.html