Ny fiberoptisk sonde bringer endoskopisk diagnose af kræft tættere på klinikken

I et vigtigt skridt mod endoskopisk diagnose af kræft, forskere har udviklet en håndholdt fiberoptisk sonde, der kan bruges til at udføre flere ikke -lineære billeddannelsesteknikker uden behov for vævsfarvning. Den nye multimodale billeddannelsesprobe bruger en ultrahurtig laser til at skabe ikke -lineære optiske effekter i væv, der kan afsløre kræft og andre sygdomme.

I dag, kræft diagnosticeres typisk ved at fjerne en smule væv med en biopsi og derefter sende det væv til en specialuddannet patolog, der pletter vævet og bruger et mikroskop til at lede efter kræftceller. Lægernes evne til at springe biopsien over og bruge et multimodalt billeddannende endoskop til at diagnosticere kræft på stedet ville spare værdifuld tid og kunne også tillade kirurger lettere at skelne mellem kræft og sundt væv under operationen.

Med den nye sonde, billedbehandlingsteknikker, der tidligere krævede omfangsrige bordpladeinstrumenter, kan udføres med en håndholdt enhed, der kun måler 8 millimeter i diameter, omtrent samme diameter som en kuglepen. Hvis den miniatureres yderligere, sonden kunne let integreres i et endoskop til ikke -lineær multimodal billeddannelse inde i kroppen.

"Det håber vi, en dag, multimodale endoskopiske billeddannelsesteknikker kan hjælpe læger med at træffe hurtige beslutninger under operationen, uden behov for at tage biopsier, ved hjælp af farvningsbehandlinger eller udførelse af komplekse histopatologiske procedurer "sagde Jürgen Popp, fra Leibniz Institute of Photonic Technology i Jena, Tyskland og papirets hovedforfatter.

Forskerne beskriver deres nye håndholdte sonde i Optica , The Optical Society's journal for high impact research. Det er den første miniaturiserede sonde til multimodal biologisk billeddannelse, der indeholder en multicore -billeddannelsesfiber, en type optisk fiber bestående af flere tusinde lysstyrende elementer. Denne specielle billedfibre tillod forskerne at holde alle bevægelige dele og elektrisk strøm uden for sondehovedet, gør sonden let og sikker at bruge i kroppen.

Forskerne har testet sonden med mange typer vævsprøver, men fordi det i øjeblikket er designet til fremadrettet visningstilstand, de primære anvendelser af sonden vil sandsynligvis omfatte hud, hjerne- eller hoved- og nakkeoperation. De arbejder på at implementere en sidevisningstilstand, der kan bruges til at undersøge hule organer og arterier såsom tyktarmen, blære eller aorta.

Et mini mikroskop

"Den nye sonde fungerer som et miniaturiseret mikroskop, der bruger nær-infrarøde lasere til at undersøge væv, "sagde Popp." Forskellige komponenter i biologisk væv reagerer forskelligt på excitationslaserne, og deres unikke svar giver os information om den molekylære sammensætning og morfologi i vævet. "

Den håndholdte multimodale billeddannelsessonde kan samtidigt erhverve flere typer billeder:sammenhængende anti-stokes Raman-spredning, anden harmonisk generation og to-foton ophidset auto-fluorescens. Disse ikke -lineære billeddannelsesteknikker har vist sig at være nyttige til klinisk diagnostik, herunder identifikation af kræftceller, men det har været svært at miniaturisere den nødvendige instrumentering til brug inde i kroppen.

Sondens reducerede størrelse kommer fra dens brug af gradientindeks, eller GRINNE, linser til at fokusere laserlyset. Sammenlignet med traditionelle sfæriske linser, der bruger komplicerede formede overflader til at fokusere lys, GRIN -linser kan gøres meget små, fordi de fokuserer lyset gennem kontinuerlige brydningsindeksændringer i linsematerialet. Popps forskerhold samarbejdede med forskere fra Grintech Gmbh, der designede GRIN -linser kun 1,8 millimeter i diameter og hjalp med at integrere den robuste linsemontage i et lille aluminiumshus.

Endoskoper designet til ikke -lineær billeddannelse bruger almindeligvis bevægelige spejle og elektromekaniske enheder til punkt for punkt laserscanning i sondehovedet. Ved hjælp af multicore -billedfibrene gav forskerne mulighed for yderligere at reducere enhedens størrelse ved at flytte laserscanningen ud af sondehovedet og væk fra prøvestedet. Fordi fiberens tusindvis af lysstyrende elementer, eller kerner, bevare lysets rumlige forhold mellem fiberens to ender, scanningen kan udføres i den modsatte ende af fiberen, gør en endoskopisk tilgang meget lettere.

"Sammenlignet med andre endoskopiske ikke -lineære billeddannelsesmetoder, vores fibersonde skiller sig ud på grund af sin enkelhed, "sagde Popp." Da ingen bevægelige dele er inkorporeret i sondehovedet, mulige fejljusteringer i optikken er begrænsede, og sondens samlede levetid øges. "

Multimodal billeddannelse af væv

Forskerne demonstrerede multicore -billedfibers unikke muligheder ved at flytte den ene ende af sonden hen over en prøve og overføre de erhvervede billeder til den anden ende. "Dette er ikke en triviel opgave, da billedfiberens kerner adskiller sig i størrelse og form, hindrer effektiv og homogen kobling af excitationslaserne, "sagde Popp." Desuden vi var nødt til at håndtere uønskede effekter som forskellige bølgelængder, der interagerer inde i fiber- og kerne-til-kerne-lyskoblingen. "

De demonstrerede også, at sonden kunne erhverve separate sammenhængende anti-stokes Raman-spredning, anden harmonisk generation og to-foton ophidsede autofluorescensbilleder af sunde humane hudvævsprøver med en opløsning på 2048 x 2048 pixels for et scannet område på 300 x 300 mikron. Denne opløsning og synsfelt er tilstrækkelig til at identificere tumorgrænser, og sonden kan flyttes over vævsoverfladen for at få overblik over det berørte område.

Forskerne arbejder på at bruge algoritmer til at forbedre kvaliteten af ​​de multimodale billeder, som forekommer pixeleret på grund af strukturen af ​​multicore -billedfibrene. Som et næste trin, de planlægger at teste sonden i dyremodeller og med patienter i kliniske omgivelser.