Forskere turbolader høj opløsning, 3D-billeddannelse

Du har muligvis ikke hørt om optisk kohærens tomografi, eller OLT. Men hvis du for nylig har besøgt en øjenlæge, chancerne er for, at dit øje kom inden for en tomme eller to af en scanningsenhed, der anvender teknologien. Titusinder af disse enheder er på plads på lægekontorer, hvor de er meget udbredt til at kontrollere for øjensygdomme.

Nu, Forskere ved Stanford University har fundet ud af, hvordan man eftermonterer disse højtydende maskiner med komponenter på hylden, øge OLT's opløsning flere gange og lovende tidligere påvisning af skader på nethinden og hornhinden, begyndende tumorer og mere.

Det relativt enkle, billig løsning-med et par linser, et stykke malet glas og nogle softwaretilpasninger - sletter pletter, der har bedeviled billeder opnået via OLT siden dets opfindelse i 1991. Denne forbedring, kombineret med teknologiens evne til optisk at trænge op til 2 millimeter ind i væv, kunne gøre det muligt for læger at udføre "virtuelle biopsier, "visualisering af væv i tre dimensioner ved opløsning i mikroskopkvalitet uden at udskille væv fra patienter.

I en undersøgelse, der skal offentliggøres 20. juni i Naturkommunikation , forskerne testede forbedringen i to forskellige kommercielt tilgængelige OCT -enheder. De var i stand til at se celleskala-funktioner i intakte væv, herunder i en levende muses øre og en menneskelig fingerspids, sagde undersøgelsens seniorforfatter, Adam de la Zerda, Ph.d., adjunkt i strukturbiologi. Undersøgelsens hovedforfatter er elektrikeringeniørstuderende Orly Liba.

Forøgelse af opløsning med minimal tinkering

"Vi viste, at du effektivt kan tage ethvert OLT -system derude, og med minimale ændringer, øge dens opløsning til det punkt, hvor den kan detektere anatomiske træk, der er mindre end størrelsen på en typisk celle, "sagde de la Zerda.

OLT er en milliardforretning. Hvert år, mere end 10 millioner OCT-scanninger udføres for at diagnosticere eller overvåge tilstande fra aldersrelateret makuladegeneration til melanom. Teknologien er blevet tilpasset til endoskopisk brug ved lungesygdomme, gastrointestinal og kardiovaskulær medicin.

Noget analogt med ultralyd, OLT trænger optisk ind i væv i stedet for med lydbølger. Enheden retter laserstråler mod et objekt - f.eks. en vævsprøve, eller en patients øje - og registrerer, hvad der vender tilbage, når lyset preller af reflekterende elementer i prøven eller øjeæblet. Justering af dybden af ​​penetration, en bruger kan scanne lag på lag af et væv og, hober virtuelle skiver af væv oven på hinanden, saml dem for at generere et volumetrisk billede.

Men den dag i dag, OLT er fortsat plaget af en form for støj, der, i modsætning til den tilfældige støj, der genereres af ethvert registreringssystem, kan ikke "vaskes væk" blot ved gentagne gange at afbilde objektet af interesse og beregne resultaterne med et computerprogram.

Den støj, der genereres af OLT, kaldet "speckle, "er et iboende træk ved arkitekturen for det objekt, der ses, og laserlysets unikke egenskaber.

En foton er ikke bare en partikel. Det er også en bølge, hvis kraft vokser og aftager, når den bevæger sig, ligner en havbølge på vej mod kysten. Når to bølger støder sammen, deres samlede højde i øjeblikket for deres kollision afhænger af, om hver var på sit højeste, dens trug eller et sted midt imellem.

Når fotoner kommer ud af fase

Fotonerne omfattende en laserstråle er i fase:De deler den samme bølgelængde, med deres toppe og trug forekommet synkroniseret. Men når disse fotoner hopper ud af to separate overflader - sig f.eks. to tæt beliggende komponenter i en celle - længden af ​​deres returruter adskiller sig en smule, så de er ikke længere i fase. Nu, de kan forstyrre hinanden ligesom krydsende havbølger. De kan annullere hinanden, skaber en falsk-sort plet på det resulterende billede. Eller de forstærker hinanden, skaber en falsk-hvid plet. Hvis de pletgenererende komponenters positioner er faste, som det er tilfældet i de fleste væv (cirkulerende blod er en undtagelse), de samme pletter vil dukke op de samme steder ved hver efterfølgende OCT -scanning.

"Andre forskere har prøvet forskellige rettelser, såsom at scanne gentagne gange i forskellige vinkler eller fra på hinanden følgende tilstødende positioner eller med skiftende bølgelængder, eller 'fjernelse' af pletterne ved hjælp af computerens efterbehandling, "de la Zerda sagde." Men resultatet er altid det samme:et sløret billede. "Det er som at dække fregner med et lag makeup:et glattere udseende, på bekostning af tabte detaljer.

I princippet, hvis du kunne nå ind med en molekylær pincet og flytte en af ​​de to forstyrrende komponenter bare en lille smule, du ville ændre flekkemønsteret. Men du kan ikke. Imidlertid, Stanford -forskerne fandt en måde at gøre stort set det samme, optisk set.

"Vi ville få spættene til at danse, så de ville have et lidt anderledes mønster, hver gang vi scannede vævet, "Sagde Liba." Og vi fandt en måde at gøre det på. "

Oprettelse af et virtuelt billede

Ved at placere et par ekstra linser i OLT -enhedens sigtelinje, efterforskerne var i stand til at oprette et andet billede-et holograflignende eksakt udseende af den viste prøve, der dukkede op andre steder langs sigtelinjen, mellem de tilføjede linser og prøven. Ved at indsætte det, de kalder en "diffusor" - en glasplade, de havde ruet ved tilfældigt at ætske små riller ind i det - på det helt rigtige sted i synsfeltet og metodisk flytte det mellem hver runde med gentagne scanninger, de opnåede det optiske ækvivalent med at flytte det geografiske forhold mellem prøvekomponenterne bare en lille smule hver gang de scannede det.

Nu, gennemsnit af de successive billeder fjernede pletterne. Stanford -teamet brugte den resulterende forbedrede evne til at erhverve detaljerede, i det væsentlige støjfrie billeder af en levende, bedøvet muses øre.

"Vi så talgkirtler, hårsække, blodårer, lymfekar og mere, "Sagde Liba.

De opnåede også billeder i høj opløsning af en mushindehinde og hornhinde. Og et snitfrit kig på fingerspidsen til en af ​​undersøgelsens medforfattere lod dem se et anatomisk træk, der aldrig før blev glimt af OLT:Meissners corpuscle, et nervebundt, der er ansvarligt for taktile fornemmelser.

Det teknologiske fremskridt kommer omkring et 25-årigt problem, der vedvarende har begrænset OLT's diagnostiske evner, sagde de la Zerda.

Værket er et eksempel på Stanford Medicine's fokus på præcisionssundhed, hvis mål er at foregribe og forebygge sygdom hos raske og præcist diagnosticere og behandle sygdom hos syge.