Hjertebilleddannelse med 3-D cellulær opløsning ved hjælp af få-mode interferometri til at diagnosticere koronararteriesygdom

En ny billedbehandlingsteknik udviklet af Biwei Yin og tværfaglige forskere ved Massachusetts General Hospital og Harvard Medical School i USA, giver opløsning på subcellulært niveau for at afbilde hjertets vaskulære system. Som resultat, hjerteforskere kan studere og diagnosticere menneskelig koronararteriesygdom med større præcision. Konventionelt, kardiologer anvender intravaskulær optisk kohærenstomografi (OCT) til at vurdere opbygningen af ​​koronar plak, som kan indsnævre arterier for at forårsage koronararteriesygdom.

OCT teknikken er, imidlertid, begrænset af en lateral opløsning på kun 30 mikron (µm), og derfor er forskere ikke i stand til at opnå billeder på subcellulært niveau for at forstå sygdommen. Det nyudviklede få-mode interferometriske intravaskulære billeddannelsessystem indeholder en opløsning på tre mikron for at give billeder af cellulære og subcellulære strukturer i arterievæggen. Den forbedrede visning kan give detaljerede oplysninger om individuelle krystaller, glatte muskelceller og inflammatoriske celler med større præcision under sygdomsdiagnostik. Forskningsarbejdet er nu offentliggjort på Lys:Videnskab og applikationer .

Optisk kohærenstopografi (OCT) er en almindelig billeddannelsesmetode, der bruges til at opnå tværsnitsreflektans hovedsageligt i kliniske omgivelser for at afbilde en række menneskelige væv, herunder luminale organer i kroppen. Intravaskulær OCT (IVOCT) er af interesse for at få adgang til koronar plakstruktur og vejlede perkutan koronar intervention (PCI) under koronararteriesygdom; en førende årsag til dødelighed i verden. Bioingeniører og kardiologer har for nylig demonstreret avancerede IVOCT-teknikker, såsom multimodal IVOCT for at kombinere den konventionelle form med yderligere billeddannelses- og sansetilstande, såsom fluorescens og nær-infrarød spektroskopi. Yderligere innovationer omfatter polarisationsfølsom IVOCT til at måle vævsdobbeltbrydning og give billedkontrast, samt hjerteslag IVOCT til tæt afbildning af koronararterier in vivo uden at introducere bevægelsesartefakter. Den mest udfordrende tekniske barriere for at øge den laterale opløsning af et OCT-system inkluderer justering af fokusdybden (DOF) for tværsnitsbilleddannelse. Tidligere undersøgelser, der opnåede øget DOF, har en formfaktor eller kompleksitet for at forhindre intraluminale kliniske anvendelser til koronar billeddannelse.

I nærværende arbejde, Yin et al. beskrev et få-mode interferometri-baseret intravaskulært billeddannelsessystem med udvidet DOF til tværsnitsbilleddannelse ved cellulær opløsning, over et dybdeområde på mere end 1 mm. Teknologien gjorde det muligt for dem at observere cellulære og subcellulære strukturer af intakte arterier af menneskelig koronarstørrelse ex vivo og in vivo gennem en fleksibel, submillimeter diameter kateter. Forskerne brugte lav kohærens interferometri, der løste stilængdeforsinkelse for at afkode informationen, der blev båret af hver tilstand, der rejser med en anden optisk vejlængde i den eksperimentelle opsætning.

Flere udbredelsestilstande kunne samtidigt udspørge en prøve i forskellige dybder for at transmittere det dybdekodede signal gennem en fælles kanal til behandling. Processen øgede optagelseskapaciteten af ​​reflektometrisystemet uden yderligere belysnings- og detektionskanaler. For at visualisere effekterne, Yin et al. simulerede det fokuserede strålefelt i forskellige dybder langs midten af ​​strålebanen, hvor spredningspartikler introducerede aberration i strålefeltet som feltforstyrrelse. Den selvhelbredende (selv-rekonstruerende) egenskab ved udbredelsesprocessen antydede uafhængigheden af ​​hver tilstand i spredningsmediet.

Med udgangspunkt i konceptet, forskerholdet skabte en intravaskulær få-mode interferometri (IVFMI) billedbehandlingsenhed med en superkontinuumlaser som lyskilde. De brugte et interferometer med lav kohærens som den optiske signalbehandlingsenhed, et kateter til dybdekodning og tilbagespredningssignaldetektion, samt optomekanik til scanning. Ved at bruge opsætningen, forskerne udførte en spiralformet scanning af lumenvæggen til tredimensionel (3-D) rekonstruktion af arterien. Ved at bruge et kateter inde i en arterie tog de tværsnitsbilleder med 17 billeder i sekundet. Med en næsten 1000 gange forbedring i volumetrisk opløsning, forskerholdet løste cellulære og subcellulære strukturer ved hjælp af IVFMI (intravaskulær få-mode interferometri) i modsætning til den konventionelle IVOCT (Intravaskulær OCT) metode.

For eksempel, når forskerne sammenlignede standard IVOCT- og IVFMI-billeder svarende til det samme tværsnit af en koronararterie i et menneskelig kadaver, de kunne tydeligt skelne tætpakkede krystaller udelukkende ved brug af IVFMI. I modsætning, billeder opnået ved hjælp af standard IVOCT-teknikken var slørede og kugleformede, hvilket gør det mere sandsynligt at karakterisere dem fejlagtigt som makrofagakkumuleringer. Tilsvarende forskerholdet observerede glatte muskelceller ved hjælp af IVFMI-kateteret, som ikke kunne løses ved hjælp af den konventionelle IVOCT-metode.

IVFMI-tværsnittet af en arterie løste også kolesterolkrystaller, der typisk er vanskelige at afbilde ved hjælp af konventionelle metoder på grund af deres bemærkelsesværdige refleksioner. Som et resultat af den udvidede DOF aktiveret med IVFMI-opsætningen, forskerne løste mikrostrukturer, der lå et par hundrede mikron til millimeter væk fra kateterets kappe, samtidigt i én periferien skanning.

Da inflammatoriske celler driver udviklingen af ​​aterosklerotiske plaques, Yin et al. repræsenterede intimale glatte muskelceller og makrofager, der gennemgår diapedesis ved hjælp af IVFMI. Billederne viste fine detaljer af den intraluminale masse, herunder tilstedeværelsen af ​​lyse celler såsom leukocytter indlejret i fibrinnettet for at danne, hvad der så ud til at være en trombe. Forskerne brugte IVFMI-data opnået fra en koronar lumenvæg i kadaver til 3D-rekonstruktioner og udviklede også 3D-rekonstruktioner af IVFMI-data opnået fra en levende kaninaorta med aterosklerotisk plak. De påviste plakken fra den normale arterievæg ved at observere den hævede overflademorfologi, som projicerede ind i lumen (inde i rummet af en rørformet struktur såsom en arterie).

Ved hjælp af tværsnitsbilleder, holdet observerede et netværk af kollagen og glatte muskelceller i de normale medier med forbedret klarhed. De opnåede også 3-D-rekonstruerede IVFMI-data ved et segment af lumenvæggen implanteret med en stent en time før billeddannelse. IVFMI-processen visualiserede mikrostrukturelle detaljer af stentstøtterne med hidtil usete detaljer til intravaskulær billeddannelse. Yin et al. observeret små, høj reflektivitet, mikron-størrelse prikker, der omgiver nogle af stent-stiverne og kunne endda identificere de fine detaljer af mikrostrukturelle blodplader på billederne.

På denne måde Biwei Yin og kolleger udviklede og demonstrerede en teknik til at overvinde problemerne med at implementere få-mode interferometri, at øge fokusdybden (DOF) med mere end en størrelsesorden. Den optiske konfigurationsteknologi har et lille fodaftryk, dybdekodningsevne og transmissionsstabilitet, med vigtige anvendelser inden for dybdeopløst endomikroskopi. Resultaterne bekræftede potentialet af den nye teknologi til at erhverve billeder med et godt signal-til-støj-forhold og vise veldefinerede sygdomsrelevante cellulære og subcellulære mikrostrukturer inden for menneskelige koronararterier ex vivo og kaninarterier in vivo.

Enheden er fysisk og mekanisk identisk med koronarkatetre, der anvendes til konventionel IVOCT-billeddannelse i klinikken. Disse resultater indikerer muligheden for at oversætte den nye IVFMI-teknik til klinisk billeddannelse til at se cellulær koronar patologi hos mennesker i hjertekateteriseringslaboratoriet. Teknikken kan bruges til at se cellulær billeddannelse ud over intravaskulær billeddannelse til at inkludere luminale organer såsom mave-tarmkanalen og lungekanalen for at øge den kliniske diagnostiske nøjagtighed.

© 2019 Science X Network