3-D optiske biopsier inden for rækkevidde takket være fremskridt inden for lysfeltteknologi

Forskere har vist, at eksisterende optisk fiberteknologi kan bruges til at producere mikroskopiske 3-D billeder af væv inde i kroppen, baner vejen mod 3-D optiske biopsier.

I modsætning til normale biopsier, hvor væv høstes og sendes til et laboratorium til analyse, optiske biopsier gør det muligt for klinikere at undersøge levende væv i kroppen i realtid.

Denne minimalt invasive tilgang bruger ultratynde mikroendoskoper til at kigge ind i kroppen for diagnose eller under operation, men producerer normalt kun todimensionelle billeder.

Forskning ledet af RMIT University i Melbourne, Australien, har nu afsløret 3D-potentialet i den eksisterende mikroendoskopteknologi.

Udgivet i Videnskabens fremskridt , udviklingen er et afgørende første skridt mod 3-D optiske biopsier, at forbedre diagnosticering og præcisionskirurgi.

Hovedforfatter Dr. Antony Orth sagde, at den nye teknik bruger en lysfeltsbilledmetode til at producere mikroskopiske billeder i stereosyn, svarende til de 3-D-film, du ser iført 3-D-briller.

"Stereovision er det naturlige format for menneskesyn, hvor vi ser på et objekt fra to forskellige synsvinkler og behandler disse i vores hjerner for at opfatte dybde, sagde Orth, en forskningsstipendiat i RMIT-knuden i ARC Center of Excellence for Nanoscale BioPhotonics (CNBP).

"Vi har vist, at det er muligt at gøre noget lignende med de tusindvis af små optiske fibre i et mikroendoskop.

"Det viser sig, at disse optiske fibre naturligt fanger billeder fra flere perspektiver, giver os dybdeopfattelse på mikroskala.

"Vores tilgang kan behandle alle disse mikroskopiske billeder og kombinere synspunkterne for at levere en dybdegengivet visualisering af det væv, der undersøges - et billede i tre dimensioner."

Hvordan det virker

Forskningen afslørede, at optiske fiberbundter transmitterer 3D-information i form af et lysfelt.

Udfordringen for forskerne var så at udnytte den registrerede information, dekryptere det og producere et billede, der giver mening.

Deres nye teknik overvinder ikke kun disse udfordringer, det virker, selv når den optiske fiber bøjer og bøjer – afgørende for klinisk brug i den menneskelige krop.

Tilgangen trækker på principper for lysfeltsbilleddannelse, hvor traditionelt flere kameraer ser på den samme scene fra lidt forskellige perspektiver.

Lysfeltsbilledsystemer måler vinklen af ​​de stråler, der rammer hvert kamera, registrering af information om lysets vinkelfordeling for at skabe et "multi-viewpoint billede".

Men hvordan registrerer man denne vinkelinformation gennem en optisk fiber?

"Den vigtigste observation, vi gjorde, er, at vinkelfordelingen af ​​lys er subtilt skjult i detaljerne om, hvordan disse optiske fiberbundter transmitterer lys, " sagde Orth.

"Fibrene 'husker' i det væsentlige, hvordan lys oprindeligt blev sendt ind - lysmønsteret på den anden side afhænger af den vinkel, hvor lyset trængte ind i fiberen."

Med det i tankerne, RMIT-forskere og -kolleger udviklede en matematisk ramme til at relatere outputmønstrene til lysstrålevinklen.

"Ved at måle vinklen på de stråler, der kommer ind i systemet, vi kan finde ud af 3D-strukturen af ​​en mikroskopisk fluorescerende prøve ved kun at bruge informationen i et enkelt billede, " Professor Brant Gibson, Chefefterforsker og vicedirektør for CNBP, sagde.

"Så det optiske fiberbundt fungerer som en miniaturiseret version af et lysfeltkamera.

"Det spændende er, at vores tilgang er fuldt ud kompatibel med de optiske fiberbundter, der allerede er i klinisk brug, så det er muligt, at 3-D optiske biopsier kan blive en realitet før snarere end senere."

Ud over medicinske applikationer, den ultraslanke lysfeltbilleddannelsesenhed kunne potentielt bruges til in vivo 3-D fluorescensmikroskopi i biologisk forskning.