A novel design of MRI visible prostate biopsy needle

Abstract

Prostat kanseri tedavisi için güvenilir bir tanı yöntemi oldukça önemlidir. Bilinen prostat biyopsi tanı yöntemlerinin doğruluğu sınırlıdır. Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRG), prostatın daha detaylı ve daha kaliteli anatomik görüntülerini çıkardığı için tümörün daha kesin bir şekilde tespitini yapıp tanısal verimi arttırır. Yapmış olduğumuz projede bu amaç doğrultusunda, MRG uyumlu ve MRG altında görüntülenebilen prostat biyopsi iğnesi geliştirmeyi hedefledik. Önerilen biyopsi mekanizmasının kanama ve enfeksiyon riskini azaltırken, iğnenin görüntülenebilen uç kısmını tümörlü bölgeye doğru bir şekilde yerleştirmesi beklenir. Prostat biyopsi iğnesi MR uyumlu nitinol hipo tüpler kullanılarak tasarlanmış ve Nd: YAG lazer kesim sistemi kullanılarak üretilmiştir. Buna ek olarak, uç keskinliği ve biyopsi oyuğu farklılaştırılmış üç iğnenin kuvvet direnci laboratuvar ortamında test edilmiştir. Sonuçlar doğrultusunda, yüksek duvarlı biyopsi oyuğu olan iğnenin dayanımı daha fazla olduğu gözlemlendiğinden bu iğnenin tercih edilmesine karar verilmiştir. Dış iğne yüzeyinin uç kısmına eşit aralıklarla kaplanan demir oksit (Fe2O3) nano parçacıkların gerçek zamanlı MR görüntüsünde görünürlüğü arttırdığı görmek için kaplama yoğunlukları farklı MR dizileri kullanılarak optimize edilmiştir. MR görünürlük deneyleri, spin eko tabanlı görüntülerin gradyan eko tabanlı görüntülere göre tercih edileceği ve orta yoğunluklardaki Fe2O3 kaplamalarının penetrasyon derinliğinin pasif olarak izlenmesi için daha uygun olduğu görülmüştür. Biyopsi iğne tabancası da Solidworks 2015 kullanılarak tasarlanmış ve hızlı prototip sistemi kullanılarak üretilmiştir. Son olarak, biyopsi mekanizmasının laboratuvar ortamındaki performansı taze dana eti üzerinde gerçekleştirilip, elde edilen sonuçlar, Ng: YAG lazer kesme işleminin nitinol iğne üretiminde başarılı bir şekilde kullanılabileceğini ve biyopsi tutacağı tasarımının laboratuvar ortamındaki denemeler yoluyla tekrarlanabilir başarılı biyopsi numuneleri sağladığını göstermiştir.

A reliable diagnosis is vital to apply the proper treatment for prostate cancer. Conventional prostate biopsy methods have limited accuracy for the diagnosis. Magnetic Resonance Imaging (MRI) provides superior anatomical images of the prostate, offering precise tumor targeting which in turn increases diagnostic yield. For that purpose, we aimed to develop a novel MRI compatible and visible prostate biopsy needle. The visible distal tip of the needle is expected to provide accurate placement while the proposed biopsy mechanism can reduce the bleeding and infection risk. The prostate biopsy needle has been designed using MRI compatible nitinol hypo tubes and fabricated using an Nd: YAG laser cutting system. Furthermore, the distal tip sharpness and force resistance of the three different needle designs were tested in vitro (silicon mold). According to the results the needle with high walled biopsy groove was preferable. Equally spaced Iron Oxide (Fe2O3) nano-particle coatings were placed over the distal tip of the outer needle surface to enhance its visibility under real time MRI. The coating concentration and marker size were optimized using different MR sequences. MRI visibility experiments indicate that spin-echo acquisitions should be preferred over gradient-echo acquisitions and Fe2O3 coatings with moderate concentrations appear to be more suitable for the passive tracking of penetration depth. The biopsy needle handle also has been designed in Solidworks 2015 and generated using a rapid prototyping system. Finally, the in-vitro performance of the biopsy mechanism was carried out on fresh veal meat. Obtained samples indicate that Nd: YAG laser cutting can be successfully utilized in nitinol needle production and the biopsy handle design provided repeatable successful biopsy sample collections through in vitro trials.