Indocyanine-green fluorescence imaging to detect anastomotic insufficiency after esophagectomy

Abstract

This research project is concerned with the development of simulation models and image analysis algorithms, as well as instrumentation for characterizing anastomotic leakages after a patient has undergone surgery for esophageal cancer. Anastomotic leakage is a high-incidence complication after esophagectomy, a surgical procedure for esophageal cancer. In an esophagectomy, the cancerous part of the esophagus is resected, and an artificial counterpart is created by stretching the ventricle. After sewing these two tissues together, there is a high chance of the stitches rupturing due to poor healing, something which in turn arises from poor and complicated blood perfusion in the area. This thesis work aims to utilize indocyanine green, a fluorescent molecule which binds to plasma proteins in blood. By imaging the anastomotic area after an ICG injection and illuminating it with a fitting excitation light source, one may be able to determine areas of poor perfusion by studying the time evolution of the fluorescence signal. The algorithms developed in this thesis achieve this in two different ways: purely by calculating the time to the fluorescence maximum for each pixel, and also by numerically approximating the time-intensity derivative. These are tested on the aforementioned Monte-Carlo simulation model, as well as on tissue phantoms, and finally in-vivo in a porcine model. The results indicate that the algorithms perform well and reveal relevant features in the fluorescence signal, in all cases. The porcine measurements prove highly useful to show the benefits and disadvantages of each algorithm, and the conclusion is that they should likely be used together to provide physicians with a full picture of the perfusion. Finally, an outlook on how this could be incorporated into a gastroscopy setup is provided, something which was discussed during this thesis work but never fully realized.

Popular Abstract (Swedish)

De flesta av oss har sorgligt nog en personlig anknytning till sjukdomen cancer. För en god prognos är det helt avgörande att sjukdomen upptäcks i ett tidigt skede så att behandling kan påbörjas. När det gäller cancer i matstrupen är detta sällan fallet och prognosen är därför ofta mycket dålig för den drabbade, med en generell överlevnadsgrad på ca 10-20% efter fem år.
Esofaguscancer behandlas operativt i de fall där det är möjligt, något som förbättrar prognosen för patienten avsevärt. Den operativa behandlingen är vanligtvis en så kallad, vid vilken en stor del av matstrupen opereras bort och rekonstrueras genom att ansluta magsäcken till det som återstår av esofagus. Prognosen efter detta är generellt sett god för patienten, då denne både blir fri från sin cancer samt kan äta och svälja normalt en tid efter ingreppet.

Trots detta är proceduren inte riskfri. Området där matstrupen anslutits till magsäcken är generellt mycket känsligt för anomalier i blodflödet, som i sin tur påverkar läkningen. Om den kirurgiska anslutningen inte läker samman ordentligt löper patienten stor risk att drabbas av såkallad anastomosinsufficiens, där den kirurgiska anslutningen brister. Detta är en fruktad komplikation, då den både är svår för läkare att förutse samt, om den lämnas obehandlad, i princip alltid innebär en dödlig utgång då patienten snabbt utvecklar kraftig inflammation och drabbas av blodförgiftning. Detta sker i ca 15-25$\%$ av de fall där patienten genomgått behandling i Sverige, en förhållandevis hög frekvens.

Att upptäcka och förutse stundande anastomosinsufficiens är svårt, då det kräver en invasiv undersökning. Ytterliggare är det inte trivialt att mäta blodflödet i anastomosområdet, och således är oftast problemet sedan länge uppkommet när en läkare upptäcker det.
I detta arbete ämnar vi att använda fluorescensdiagnostik för att karakterisera blodflödet i den rekonstruerade esofagus efter en patient genomgått esofagektomi. Fluorescerande ämnen återfinns dagligen i bland annat lysrör, drinken gin & tonic samt i vissa typer av tvättmedel. Begreppet innebär kort sagt att ett ämne börjar lysa om det belyses med en viss våglängd, med en annan ton än belysningskällan. Denna fluorescensvåglängd är i de flesta fall längre än den ingående, men motsatsen förekommer också.

Indocyaningrönt (ICG) är ett fluorescerande protein som kemiskt binder till de plasmaproteiner som förekommer i blod. Genom att injicera detta i en patients blodflöde och med hjälp av ett gastroskop belysa anastomosområdet ämnar vi att mäta den tid det tar att få en fluorescenssignal, i den matris av pixlar som fås när en avbildar något fotografiskt. Genom att visualisera tidsförloppet i varje pixel kommer detta ge en bild av hur snabbt ICG, och således blod levereras i olika delar av den rekonstruerade esofagus. Genom att snabbt och regelbundet genomföra sådana mätningar efter genomgången operation är förhoppningen att detta skall avslöja blodflödesfokaliteter i god tid innan anastomosinsufficiens uppstår.

Projektet innefattar utveckling av simuleringar samt bildanalysalgoritmer, och ex- samt in-vivo experiment för att utvärdera dessa. Ytterliggare presenteras en utblick mot hur ett gastroskopiinstrument för dessa mätningar kan byggas. ICG fluorescerar infrarött, vid ca 800 nm\cite{Reinhart2016IndocyanineConsiderations} och gastroskopet behöver därför utökas både med en kamera som kan se detta ljus samt en ljuskälla för att excitera det. De flesta industriellt tillverkade gastroskop är utrustade med en arbetskanal där olika typer av instrument kan föras in. Tanken är att denna skulle kunna användas för att leverera samt insamla ljus i området.

Den höga frekvensen av anastomosinsufficiens har digra konsekvenser både för de efterlevande samt samhället, då sjukhusutgifter även ökar kraftigt både i fallet att patienten dör och fallet att den överlever. Siffror från Skånes universitetssjukhus uppskattar kostnaden av varje inträffat fall av anastomosinsufficiens till ca en miljon kronor oavsett utgången för patienten.

Målet är att presentera en mer eller mindre komplett lösning för att karaktärisera upptag av indocyaningrönt i esofagus, som är förhållandevis billig att tillverka samt enbart kräver befintliga komponenter. Förhoppningen är att detta projekt skall utgöra det första steget mot ett instrument som kan användas kliniskt, för att minska den höga frekvensen anastomosläckage och således lidandet för alla inblandade.

• author: Kildetoft, Love
• supervisor: Anna-Lena Sahlberg; Adam Zeyara
• organization: Department of Physics; Combustion Physics
• course: FYSM33 20232
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Fluorescence, Imaging, Indocyanine-green, ICG, Esophageal cancer, Physics, Photonics, Image Analysis, Blood Perfusion, Anastomotic leakage, Anastomotic insufficiency
• language: English
• id: 9148976
• date added to LUP: 2024-03-11 11:09:42
• date last changed: 2024-03-11 11:09:42