Nyt endoskop bruger bøjeligt GRIN-objektiv til 3D-mikroskopi

Forskere har skabt en fleksibel nålelignende endoskopisk billedsonde, der kan tage 3D mikroskopiske billeder af væv. Bøjbarheden er mulig takket være en ny fleksibel graded index (GRIN) linse udviklet af forskerne.

GRIN-linser, der oprindeligt er udviklet til telekommunikationsindustrien, bruges almindeligvis til at udføre fluorescensmikroskopi, der kan afbilde dybt ind i væv. Men det faktum, at de er stive komponenter, har begrænset deres anvendelse klinisk.

"Når en traditionel biopsi udføres, repræsenterer det et enkelt øjeblik i tiden og kan tage dage at få resultater tilbage fra laboratoriet," sagde forskningsleder Guigen Liu fra Harvard Medical School. "Vores bøjelige billeddiagnostiske sonder kan forkorte ventetiden til minutter og muliggøre nye tilgange, der bruger billeddannelse til dynamisk at overvåge vævsændringer, for eksempel hvordan tumorer reagerer på behandlinger over tid."

I Optics Express , beskriver forskerne deres nye GRIN-linse, som de inkorporerede i en endoskopi-sonde. Eksperimenter viste, at sondens billeddannelsesegenskaber bibeholdes, selv når den er bøjet.

"Denne GRIN-probers bøjelige natur gør målinger i levende individer, såsom dyr eller mennesker, meget mere strømlinede og praktiske," sagde Liu. "Det kunne være nyttigt til præcis, minimalt invasiv mikroskopistyret placering af nåle og katetre til f.eks. vævsbiopsier og tumorablation."

Billeddannelse gennem en bøjet linse

GRIN-linser er silicaglasstave med et konstant skiftende brydningsindeks, der fokuserer lys, der kommer gennem stangen uden at kræve en separat fokuseringslinse. Siden deres udvikling for omkring 50 år siden, har det generelt været antaget, at GRIN-linser kun kan bruges som stive billeddannende prober. I det nye arbejde besluttede forskerne at udfordre denne idé ved at finde ud af, om det var muligt at afbilde gennem en bøjet GRIN-linse.

Forskerne specialdesignede et GRIN-objektiv på 500 mikron i diameter og omkring 100 mm langt. Linsens lange, tynde form og dens mangel på et stivt ydre kabinet giver det fleksibiliteten til at bøje omkring 10 grader uden at gå i stykker. Derefter inkorporerede de den nye GRIN-linse i en endoskopisk billeddannelsessonde og testede den ved at udføre to-foton 3D-fluorescensbilleddannelse gennem den.

For at simulere den virkelige verden bøjning, der ville blive oplevet dybt inde i væv, blev linsen placeret lodret og skubbet for at introducere den type stråleafbøjning, der ville blive oplevet, hvis sonden blev brugt i arbejdskanalen på en nål, der blev brugt til en biopsi.

Eksperimentet viste, at opløsningen og signalniveauet ikke åbenlyst blev forringet, når den ene ende af sonden blev forskudt lateralt med 6 mm. "Når linsen er bøjet, tilpasser signalbanerne, der bærer billedet gennem stangen, synergistisk ved at skifte sideværts, ligesom en bil har en tendens til at skifte mod ydersiden af ​​en glat, buet vej," sagde Liu. "Mens signalbanerne forvrænges en smule, mens de skifter, bevarer de stort set deres egenskaber såsom orden og form. Dette gør det muligt at bevare det meste af opløsningen og signalniveauet."

En ny måde at screene kræftlægemidler på

Selvom yderligere udvikling og test ville være nødvendig for at bringe endoskopet ind i klinikken, finder enheden allerede anvendelse i biomedicinsk forskning. Teamleder og medforfatter Oliver Jonas og kolleger parrer endoskopet med en ny type mikroenhed for at teste en metode til hurtigt at evaluere effektiviteten af ​​forskellige kræftbehandlinger.

Holdets nye mikroenheder er designet til at blive implanteret direkte i en tumor og bære små mængder på op til 20 lægemidler. For at måle effektiviteten af ​​de forskellige lægemidler uden at fjerne noget tumorvæv, indsætter forskerne et GRIN-baseret endoskop direkte i mikroenheden, hvor det kan bruges til at afbilde fluorescenssignaler inde i tumoren. Selvom denne opsætning i øjeblikket bliver undersøgt i mus, kan den i sidste ende bruges i patienter til hurtigt at finde ud af, hvilke behandlingsmuligheder der er bedst til at bekæmpe hver patients specifikke tumor.

For at flytte proberne mod klinisk anvendelse arbejder forskerne også på at udvikle længere bøjelige GRIN-linser for at tillade dybere billeddannelse og mere fleksibilitet. They also want to enhance the mechanical durability of the optical components using a thin polymer coating that won't affect flexibility. + Udforsk yderligere

Pencil-beam scanning catheter for intracoronary optical coherence tomography