Het meten van koorts is meestal vrij eenvoudig:plaats een thermometer onder de tong van een patiënt en krijg binnen 30 seconden een nauwkeurige temperatuurmeting. Maar die eenvoud vertaalt zich niet als het gaat om het meten van de temperaturen van specifieke weefsels diep in het lichaam.

Biomedische ingenieurs van Duke University hebben aangetoond hoe fotoakoestische beeldvorming de temperatuur van diep weefsel sneller en nauwkeuriger kan opnemen dan de huidige technieken. Deze ontdekking zal naar verwachting een belangrijke rol spelen bij het bevorderen van op warmte gebaseerde therapieën voor de behandeling van kanker. Het onderzoek verschijnt 12 februari in het tijdschrift optiek .

Het volgen van de temperatuur van interne weefsels is essentieel voor veel biomedische studies en thermische therapieën van kanker, vaak van invloed op de efficiëntie of bijwerkingen van een behandeling.

"Als we MRI of echografie gebruiken, we kijken naar de relatieve temperatuur en werken in de veronderstelling dat de patiënt een basistemperatuur heeft van 98 graden Fahrenheit, wat niet altijd het geval is, " zei Junjie Yao, assistent-professor biomedische technologie aan Duke. "We hebben een manier gevonden om de absolute temperatuur te meten door fotoakoestische beeldvorming te gebruiken om het thermische geheugen van het weefsel te onderzoeken."

Zoals de naam impliceert, fotoakoestische beeldvorming stelt onderzoekers in staat om de eigenschappen van licht en geluid te combineren. Met deze techniek kunnen onderzoekers licht dat door weefsel wordt gestraald, omzetten in ultrasone golven die vervolgens kunnen worden geanalyseerd om afbeeldingen met een hoge resolutie te maken.

"Het comprimeert in feite één seconde aan zomer-middagzonlicht over een vingernagelgebied in een enkele nanoseconde, " zei Yao, die al bijna een decennium met de technologie werkt. "Als de laser een cel raakt, de energie zorgt ervoor dat het een klein beetje opwarmt en onmiddellijk uitzet, het creëren van een ultrasone golf. Het is vergelijkbaar met het slaan van een bel om hem te laten rinkelen."

Volgens Yao, onderzoekers willen al heel lang fotoakoestische beeldvorming gebruiken om temperatuur te meten, maar ze hebben consequent technische wegversperringen ervaren.

"De omzettingsefficiëntie tussen licht en geluid is temperatuurafhankelijk, dus we weten dat het mogelijk is om de temperatuur te meten door te luisteren naar geluidsgolven gegenereerd door licht, "Zei Yao. "Echter, we hebben de absolute temperatuur niet eerder kunnen meten omdat het proces zelf moet weten hoeveel fotonen het weefsel bereiken, dat is technisch uitdagend."

Om deze ontbrekende informatie te omzeilen, Yao werkt samen met Pei Zhong, een professor in de afdeling werktuigbouwkunde en materiaalkunde die diepe weefselverwarming heeft gegenereerd met behulp van gefocusseerde ultrageluid met hoge intensiteit (HIFU). Hun team bedacht een nieuwe benadering genaamd fotoakoestische thermometrie op basis van thermische energie en geheugen. of VERLEID, die fotoakoestische beeldvorming gebruikt om het "thermische geheugen" van het weefsel te meten.

Met VERLEIDING, onderzoekers nemen een basislijntemperatuurmeting voordat ze het weefsel bombarderen met een uitbarsting van laserpulsen van nanoseconden. De pulsen verhogen tijdelijk de temperatuur van het weefsel, die vervolgens wordt gemeten met behulp van een andere fotoakoestische puls.

Het onderzoeksteam kon aan de hand van deze metingen en een wiskundig model de absolute temperatuur schatten zonder te weten hoeveel fotonen er werden afgeleverd.

Het vermogen om de temperatuur van weefsels diep in het lichaam nauwkeuriger te meten, heeft belangrijke implicaties voor de behandeling van kanker met thermische ablatie, waarbij tumorcellen worden opgewarmd met HIFU of radiogolven totdat ze sterven. Hoewel thermotherapie een nieuwkomer is in de strijd tegen kanker, onderzoekers zijn erg enthousiast over deze behandeling omdat ze niet de ernstige bijwerkingen veroorzaakt van radiotherapie en chemotherapie.

"Een van de uitdagingen bij thermotherapie is dat we de temperatuur binnen het meest efficiënte bereik moeten houden, " zei Yao. "Als de temperatuur te hoog is, we kunnen de omliggende weefsels beschadigen, en als het te laag is, we veroorzaken niet genoeg schade aan de tumor. De TEMPT-technologie zou in de behandelingen kunnen worden verwerkt om de perfecte temperatuur aan te scherpen."

Yao zei dat onderzoekers graag het meest precieze temperatuurbereik willen onderzoeken voor het efficiënt doden van tumorcellen. Naast het therapeutisch potentieel, Yao en zijn medewerkers onderzoeken ook hoe hun werk kan worden toegepast op andere fundamentele onderzoeksvragen.

"We zijn al nieuwe samenwerkingen aan het vormen, zowel met artsen als ingenieurs, om deze nieuwe technologie in het laboratorium en daarbuiten verder te ontwikkelen, " zei Yao. "Dit is erg opwindend omdat het potentieel kan worden vertaald naar klinische effecten en kankerpatiënten ten goede komt."