Methods for standardizing and enhancing Biomedical Fluorescence Imaging

Abstract

Fluorescence imaging in the near-infrared spectral range has unlocked new imaging possibilities in surgical guidance over the past decade. With the administration of fluorescent agents into the tissue and the use of highly sensitive fluorescence cameras, pathophysiological tissue sites that are invisible to human vision can be identified during a surgical operation. The advent of fluorescence agents that target specific molecular characteristics of disease has facilitated the identification and demarcation of cancerous tissue with greater sensitivity and accuracy over nonspecific fluorescence agents that circulate in the vascular system. Despite the advances in cameras and specificity of fluorescence agents, fluorescence imaging still faces challenges toward its clinical translation. The aim of this work is to propose novel solutions to overcome these challenges.The first challenge is the lack of calibration and standardization of fluorescence imaging systems. There are various fluorescence imaging systems across different laboratories and clinics, and each system operates with a combination of parameters such as exposure time, working distance, gain, and magnification. The variety of interlaboratory systems and imaging parameters highlights the need to calibrate the system before the measurement to ensure the best performance and reproducibility of the imaging results for the same target. To tackle this challenge, we present the first and second generation of comprehensive solid phantoms that can simultaneously evaluate multiple system parameters. These parameters include camera sensitivity, fluorescence intensity variations as a function of optical properties and depth, illumination homogeneity, optical and fluorescence resolution, and cross talk from excitation light and parasitic illumination leaking into the fluorescence channel. Moreover, these phantoms can be employed for the correction of inhomogeneous illumination.The second challenge of fluorescence imaging is the distortion of the fluorescence signal due to tissue scattering and absorption. Photon diffusion in tissue distorts image quality. Poor image resolution and contrast make tumor delineation difficult, leading to ambiguity in the interpretation of the image. Thus, incomplete tumor resection or excessive healthy tissue removal can occur, both of which negatively affect patients’ quality of life. In this thesis, a new method for fluorescence imaging enhancement is proposed that takes into account tissue heterogeneity, unlike traditional methods that presume tissue homogeneity. We introduce the concept of scanning the tissue with a point-like beam to acquire spatially variant impulse responses (kernels) that are dependent on the local optical properties. Subsequently, these kernels are used in a fast, spatially variant deconvolution scheme to revert the degradation of image quality.Experimental measurements from phantoms and ex vivo mice were used, and improvements were shown and validated.Finally, the correction of intensity values in fluorescence imaging is discussed in the context of a method that could be applied as an extension of the spatially variant deconvolution method. Overall, a comprehensive framework comprising all correction methods described in this thesis is suggested, and a future outlook is described.

Η απεικόνιση φθορισμού στο φάσμα της κοντινής υπέρυθρης ακτινοβολίας έχει εισάγει νέες δυνατότητες απεικόνισης στη χειρουργική καθοδήγηση την τελευταία δεκαετία. Με τη χορήγηση φθοριζόντων ιχνηθετών στον ιστό και τη χρήση πολύ ευαίσθητων καμερών φθορισμού, μπορούν να εντοπιστούν παθοφυσιολογικές θέσεις ιστών που είναι αόρατες στο ανθρώπινο μάτι κατά τη διάρκεια μιας χειρουργικής επέμβασης. Η εμφάνιση νέων ιχνηθετών φθορισμού που στοχεύουν συγκεκριμένα μοριακά χαρακτηριστικά της νόσου έχει διευκολύνει την ταυτοποίηση και την οριοθέτηση του καρκινικού ιστού με μεγαλύτερη ευαισθησία και ακρίβεια έναντι των μη ειδικών ιχνηθετών φθορισμού που κυκλοφορούν στο αγγειακό σύστημα. Παρά την μεγάλη πρόοδο στην τεχνολογία των καμερών φθορισμού και την εξειδίκευση στους ιχνηθέτες φθορισμού, η απεικόνιση φθορισμού εξακολουθεί να αντιμετωπίζει προκλήσεις ως προς την κλινική της μετάβαση. Στόχος αυτής της εργασίας είναι να προτείνει νέες λύσεις για να ξεπεραστούν αυτές οι προκλήσεις. Η πρώτη πρόκληση είναι η έλλειψη βαθμονόμησης και τυποποίησης των συστημάτων απεικόνισης φθορισμού. Υπάρχουν διάφορα συστήματα απεικόνισης φθορισμού σε διαφορετικά εργαστήρια και κλινικές και κάθε σύστημα λειτουργεί με έναν συνδυασμό παραμέτρων όπως ο χρόνος έκθεσης, η απόσταση εργασίας, το κέρδος και η μεγέθυνση. Η ποικιλία των διεργαστηριακών συστημάτων και των παραμέτρων απεικόνισης τονίζει την ανάγκη βαθμονόμησης του συστήματος πριν από τη μέτρηση για να διασφαλιστεί η καλύτερη απόδοση και επαναληψιμότητα των αποτελεσμάτων απεικόνισης για το ίδιο δείγμα. Για να αντιμετωπίσουμε αυτήν την πρόκληση, παρουσιάζουμε την πρώτη και τη δεύτερη γενιά ολοκληρωμένων στερεών phantoms που μπορούν ταυτόχρονα να αξιολογήσουν πολλαπλές παραμέτρους του συστήματος. Αυτές οι παράμετροι περιλαμβάνουν την ευαισθησία της κάμερας, τις διακυμάνσεις της έντασης του φθορισμού ως συνάρτηση των οπτικών ιδιοτήτων και του βάθους, την ομοιογένεια φωτισμού, την οπτική ανάλυση και την ανάλυση φθορισμού καθώς και cross talk από το φως διέγερσης και τον παρασιτικό φωτισμό που διαρρέει στο κανάλι φθορισμού. Επιπλέον, αυτά τα phantoms μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διόρθωση του ανομοιογενούς φωτισμού. Η δεύτερη πρόκληση της απεικόνισης φθορισμού είναι η παραμόρφωση του σήματος φθορισμού λόγω της σκέδασης και της απορρόφησης των ιστών. Η διάχυση φωτονίων στον ιστό παραμορφώνει την ποιότητα της εικόνας. Η κακή ανάλυση της εικόνας φθορισμού καθιστά δύσκολη την οριοθέτηση του όγκου, οδηγώντας σε ασάφεια στην ερμηνεία της εικόνας. Έτσι, μπορεί να συμβεί ατελής εκτομή όγκου ή υπερβολική αφαίρεση υγιούς ιστού, τα οποία επηρεάζουν αρνητικά την ποιότητα ζωής των ασθενών. Σε αυτή τη διατριβή, προτείνεται μια νέα μέθοδος για την βελτιστοποίηση της απεικόνισης φθορισμού που λαμβάνει υπόψη την ετερογένεια των ιστών, σε αντίθεση με τις παραδοσιακές μεθόδους που προϋποθέτουν την ομοιογένεια των ιστών. Εισάγουμε την έννοια της σάρωσης του ιστού με μια σημειακή δέσμη για την απόκτηση χωρικών μεταβλητών παλμικών αποκρίσεων (πυρήνες) που εξαρτώνται από τις τοπικές οπτικές ιδιότητες. Στη συνέχεια, αυτοί οι πυρήνες χρησιμοποιούνται σε ένα γρήγορο, χωρικά μεταβλητό σχήμα αποσυνέλιξης για να αναστρέψουν την υποβάθμιση της ποιότητας της εικόνας. Για την επικύρωση της μεθόδου έγιναν πειραματικές μετρήσεις σε phantoms και ex vivo ποντίκια. Τέλος, η διόρθωση των τιμών έντασης στην απεικόνιση φθορισμού συζητείται στο πλαίσιο μιας μεθόδου που θα μπορούσε να εφαρμοστεί ως επέκταση της χωρικής μεταβλητής μεθόδου αποσυνέλιξης. Συνολικά, προτείνεται ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο που περιλαμβάνει όλες τις μεθόδους διόρθωσης που περιγράφονται σε αυτή τη διατριβή και περιγράφεται μια μελλοντική προοπτική.