Diffus optik til medicinsk diagnostik:Fremskridt mod standardisering

Blandt de forskellige optikbaserede værktøjer, der bruges i diagnostik, er diffus optik (DO) hurtigt ved at dukke op som en af ​​de mest attraktive teknologier. Teknikken er baseret på at analysere, hvordan lys absorberes og spredes af biologiske væv, hvilket relaterer sig til vævets kemiske sammensætning og struktur. En af de vigtigste fordele ved DO er, at den er ikke-invasiv (den bruger lav-effekt nær-infrarødt lys). Desuden kan den bruges til at sondere væv i dybder på op til et par centimeter og kan endda detektere funktionel aktivering og iltning af hjerne eller muskler. DO vil derfor sandsynligvis påtage sig en central rolle i diagnosticering og monitorering af patienter både på hospitalet og i hjemmet.

Men selv når man bruger de samme DO-principper til at studere eller diagnosticere en given sygdom, bruger klinikker og laboratorier rundt om i verden vidt forskellige platforme og teknikker. Dette udgør en udfordring, når man forsøger at vurdere deres ydeevne, hvilket er nødvendigt for at identificere defekt udstyr, benchmarke udviklingen inden for DO-teknologi, etablere fælles grundlag for sammenligning af teknikker og instrumenter og tillade pålidelig genbrug og fortolkning af genererede åbne data.

Heldigvis gør et samarbejde mellem 12 europæiske institutioner – inden for rammerne af EU's Horizon 2020 Marie Skłodowska-Curie Innovative Training Network "BitMap", ledet af Hamid Dehghani, University of Birmingham – store fremskridt i retning af at realisere præstationsvurdering og standardisering (PAS) ) inden for DO. Ved at udnytte over to årtiers fælles forskningsindsats er initiativet centreret omkring tre protokoller udviklet tidligere til vurdering af ydeevnen af ​​DO-instrumenter. Dette initiativ forudser tre hovedaktioner:Aktion 1 involverer indsamling af eksperimentelle data, Aktion 2 fokuserer på at gøre disse data tilgængelige som åbne data, og Aktion 3 drejer sig om en fælles analyse af dataene ved hjælp af de samme værktøjer og teknikker.

En undersøgelse offentliggjort i Journal of Biomedical Optics (JBO) præsenterer resultaterne opnået i forbindelse med aktion 1. BitMap-øvelsen præsenteret i dette papir er den største multi-laboratorie sammenligning af DO-instrumenter, der omfatter 12 institutioner og 28 systemer. Gennem denne sammenligning har undersøgelsen til formål at håndhæve PAS-kulturen i DO-samfundet og videre og foreslå en fælles metode, der kan anvendes i andre miljøer. Et interessant resultat af dette særlige arbejde er opfattelsen af ​​simple numeriske værdier, kaldet syntetiske indikatorer, for hver af de anvendte tests. Disse indikatorer giver mulighed for nem sammenligning på tværs af spektret af tilmeldte instrumenter.

Det er vanskeligt at sammenligne ydeevnen af ​​forskellige DO-instrumenter. Forskerne slog sig til ro med tre internationalt vedtagne protokoller (BIP, MEDPHOT og NEUROPT) for at udfordre hvert DO-system. BIP-protokollen tjente til at karakterisere de mest grundlæggende optiske ydeevner for hvert instrument, hvorimod MEDPHOT-protokollen karakteriserede, hvor godt hvert instrument kunne genvinde homogene optiske egenskaber, dvs. absorption og reducerede spredningskoefficienter. Endelig testede NEUROPT-protokollen, hvor godt hvert system kunne detektere inhomogeniteter i en prøve ved at fokusere på mål relateret til kontrast. Derudover blev forskerne enige om tre forskellige fantomsæt, som hver især var skræddersyet til en af ​​protokollerne (et "fantom" refererer til en kunstig struktur, typisk brugt til kalibrering og testning, som emulerer visse egenskaber ved menneskeligt væv).

Eksperimenterne bestod i at udføre et udvalg af relevante tests fra hver protokol på dets respektive fantomkit ved brug af hvert af DO-instrumenterne. Forskerne sammenlignede derefter resultaterne opnået fra disse eksperimenter for at forstå, hvilke instrumenter og teknikker der viste den bedste ydeevne, hvor reproducerbare resultaterne var, og hvor stor variation der var mellem målinger foretaget ved hjælp af forskellige systemer. De fandt en væsentlig forskel i hardwareydeevne på tværs af forskellige systemer, hvilket hjalp dem med at identificere nogle kritiske problemer relateret til præstationsvurdering i DO.

Forskerne planlægger at implementere hele datasættet indsamlet gennem Action 1 i et åbent datalager (Action 2). Dette ville hjælpe dem og andre med at analysere og sammenligne specifikke aspekter af DO-systemerne (Aktion 3). Et af projektets ultimative mål er at identificere og afbøde usikkerheder og måleartefakter for hvert instrument og analysemetode og derved frigøre deres fulde potentiale.

"Great advances in physics derived from precise measurements of specific physical quantities—planet orbits, speed of light, particle masses, etc. Photon migration through the human body is complicated by the biological variability, but not the basic physics underlying it all," says senior author Antonio Pifferi, Politecnico di Milano, Italy. "We can disentangle the uncertainties and artifacts produced by the instruments and analysis tools from the biological variability, with great benefit for clinical use."

These efforts will open doors to a powerful and reliable DO technology, enabling more accurate and convenient diagnostics. + Udforsk yderligere

NIST 'how-to' website documents procedures for nano-EHS research and testing