Nano-optisk endoskop ser dybt ind i væv ved høj opløsning

Diagnosen af ​​sygdomme baseret i indre organer afhænger ofte af biopsiprøver indsamlet fra berørte regioner. Men indsamling af sådanne prøver er meget fejlbehæftet på grund af manglende evne til nuværende endoskopiske billeddannelsesteknikker til præcist at visualisere sygdomssteder. De konventionelle optiske elementer i katetre, der bruges til at få adgang til svært tilgængelige områder af kroppen, såsom mave -tarmkanalen og lunge luftveje, er tilbøjelige til afvigelser, der forhindrer den fulde kapacitet ved optisk billeddannelse.

Nu, eksperter i endoskopisk billeddannelse på Massachusetts General Hospital (MGH) og pionerer inden for flat metalens teknologi ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), er gået sammen om at udvikle en ny klasse af endoskopiske billedkatetre-betegnet nano-optiske endoskoper-der overvinder begrænsningerne i nuværende systemer.

Forskningen er beskrevet i Natur fotonik .

"Klinisk anvendelse af mange banebrydende endoskopiske mikroskopimetoder er blevet hæmmet på grund af vanskeligheden ved at designe miniaturekatetre, der opnår den samme billedkvalitet som omfangsrige skrivebordsmikroskoper, "sagde Melissa Suter, en assisterende professor i medicin ved MGH og Harvard Medical School (HMS) og co-seniorforfatter af papiret. "Anvendelsen af ​​nano-optiske katetre, der inkorporerer metalenses i deres design, vil sandsynligvis ændre landskabet i optisk kateters design, resulterer i en dramatisk stigning i kvaliteten, løsning, og funktionalitet for endoskopisk mikroskopi. Dette vil i sidste ende øge den kliniske anvendelighed ved at muliggøre en mere sofistikeret vurdering af celle- og vævsmikrostruktur hos levende patienter. "

"Metalenses baseret på flad optik er et spil, der ændrer ny teknologi, fordi kontrollen med billedforvrængninger, der er nødvendige for billedbehandling i høj opløsning, er ligetil sammenlignet med konventionel optik, som kræver flere komplekse formede linser, sagde Federico Capasso, Robert L. Wallace, professor i anvendt fysik og Vinton Hayes, seniorforsker i elektroteknik ved SEAS og medforfatter til papiret. "Jeg er overbevist om, at dette vil føre til en ny klasse af optiske systemer og instrumenter med en bred vifte af applikationer inden for mange områder af videnskab og teknologi"

"Alsidigheden og designfleksibiliteten i det nano-optiske endoskop øger endoskopisk billeddannelse betydeligt og vil sandsynligvis påvirke diagnostisk billeddannelse af indre organer, "sagde Hamid Pahlevaninezhad, Instruktør i medicin ved MGH og HMS og medforfatter af papiret. "Vi demonstrerede et eksempel på sådanne muligheder for at opnå billedbehandling i høj opløsning ved stærkt udvidet fokusdybde."

For at demonstrere billedkvaliteten af ​​det nano-optiske endoskop, forskerne afbildede frugtkød, svin og får luftveje, og humant lungevæv. Teamet viste, at det nano-optiske endoskop kan se dybt ind i vævet med en væsentligt højere opløsning end det, der tilbydes af aktuelle billedkateter-designs.

Billederne taget af det nano-optiske endoskop viser klart cellulære strukturer i frugtkød og vævslag og fine kirtler i bronkialslimhinden hos svin og får. I det humane lungevæv, forskerne var i stand til klart at identificere strukturer, der svarer til bøde, uregelmæssige kirtler, der angiver tilstedeværelsen af ​​adenocarcinom, den mest fremtrædende type lungekræft.

"I øjeblikket, vi er prisbelønnede for materialer, som vi ikke har kontrol over til at designe objektiver med høj opløsning til billeddannelse, "sagde Yao-Wei Huang, en postdoktor ved SEAS og medforfatter af papiret. "Metallens største fordel er, at vi kan designe og skræddersy dens specifikationer til at overvinde sfæriske aberrationer og astigmatisme og opnå meget fint fokus på lyset. Som et resultat heraf, vi opnår meget høj opløsning med udvidet dybdeskarphed uden behov for komplekse optiske komponenter. "

Næste, forskere sigter mod at undersøge andre applikationer til det nano-optiske endoskop, herunder et polarisationsfølsomt nano-optisk endoskop, som kunne kontrastere mellem væv, der har stærkt organiserede strukturer, såsom glat muskulatur, kollagen og blodkar.