Forskere tager optisk kohærenstomografi til det næste niveau

Forskere har udviklet en forbedret version af optisk kohærenstomografi (OCT), der kan afbilde biomedicinske prøver med højere kontrast og opløsning over et bredere 3D-synsfelt, end det tidligere var muligt. Det nye 3D-mikroskop kan være nyttigt til biomedicinsk forskning og i sidste ende muliggøre mere nøjagtig medicinsk diagnostisk billeddannelse.

I Optica tidsskrift, beskriver forskerne fra Duke University den nye teknik, som de kalder 3D optisk kohærens refraktionstomografi (3D OCRT). Ved hjælp af forskellige biologiske prøver viser de, at 3D OCRT producerer meget detaljerede billeder, der afslører træk, der er vanskelige at observere med traditionel OCT.

OCT bruger lys til at give 3D-billeder i høj opløsning uden at kræve kontrastmidler eller etiketter. Selvom den almindeligvis bruges til oftalmologiske applikationer, kan billedbehandlingsmetoden også bruges til at afbilde mange andre dele af kroppen, såsom huden og inde i ørerne, munden, arterierne og mave-tarmkanalen.

"OCT er en volumetrisk billedbehandlingsteknik, der er meget udbredt i oftalmologi og andre grene af medicin," sagde førsteforfatter Kevin C. Zhou. "Vi udviklede en ny og spændende udvidelse med ny hardware kombineret med en ny beregningsmæssig 3D-billedrekonstruktionsalgoritme for at imødegå nogle velkendte begrænsninger af billedbehandlingsteknikken."

"Vi forestiller os, at denne tilgang bliver anvendt i en bred vifte af biomedicinske billedbehandlingsapplikationer, såsom in vivo diagnostisk billeddannelse af det menneskelige øje eller hud," sagde forskningsteamets medleder Joseph A. Izatt. "Den hardware, vi har designet til at udføre teknikken, kan også let miniaturiseres til små prober eller endoskoper for at få adgang til mave-tarmkanalen og andre dele af krop."

Se mere med OCT

Selvom OCT har vist sig nyttig både i kliniske applikationer og biomedicinsk forskning, er det vanskeligt at erhverve højopløselige OCT-billeder over et bredt synsfelt i alle retninger samtidigt på grund af fundamentale begrænsninger pålagt af optisk stråleudbredelse. En anden udfordring er, at OCT-billeder indeholder høje niveauer af tilfældig støj, kaldet speckle, som kan skjule biomedicinsk vigtige detaljer.

For at løse disse begrænsninger brugte forskerne et optisk design, der inkorporerede et parabolsk spejl. Denne type spejl findes almindeligvis i ikke-billeddannelsesapplikationer, såsom lommelygter, hvor den omgiver pæren for at rette lyset i én retning. Forskerne brugte en optisk opsætning, hvor lyset blev sendt i den anden retning, med prøven placeret, hvor pæren ville være i en lommelygte.

Dette design gjorde det muligt at afbilde prøven fra flere visninger over en meget bred vifte af vinkler. De udviklede en sofistikeret algoritme til at kombinere visningerne til et enkelt højkvalitets 3D-billede, der korrigerer for forvrængning, støj og andre ufuldkommenheder.

"Værket udgivet i Optica udvider vores tidligere forskning ved at overvinde betydelige tekniske udfordringer, både inden for hardware og software, for at tillade OCRT at arbejde i 3D og gøre det mere bredt anvendeligt," sagde forskningsteamets medleder Sina Farsiu. "Fordi vores system genererer tiere til hundredvis. gigabyte data, var vi nødt til at udvikle en ny algoritme baseret på moderne beregningsværktøjer, der for nylig er blevet modnet inden for maskinlæringsfællesskabet."

Få et bredere overblik

Forskerne demonstrerede metodens alsidighed og brede anvendelighed ved at bruge den til at afbilde forskellige biologiske prøver, herunder en zebrafisk og frugtflue, som er vigtige modelorganismer for adfærdsmæssige, udviklingsmæssige og neurobiologiske undersøgelser. De afbildede også musevævsprøver af luftrøret og spiserøret for at demonstrere potentialet for medicinsk diagnostisk billeddannelse. Med 3D OCRT opnåede de 3D synsfelter på op til ±75° uden at flytte prøven.

"Ud over at reducere støjartefakter og korrigere for prøve-inducerede forvrængninger, er OCRT i sagens natur i stand til at skabe kontrast fra vævsegenskaber, der er mindre synlige i traditionel OCT," sagde Zhou. "For eksempel viser vi, at den er følsom over for orienterede strukturer såsom fiberlignende væv."

Forskerne undersøger nu måder at krympe systemet og gøre det hurtigere til live billeddannelse ved at drage fordel af den seneste udvikling inden for hurtigere OCT-systemteknologier og fremskridt inden for dyb læring, der kan fremskynde eller forbedre databehandlingen. + Udforsk yderligere

Maskinlæring øger opløsningen af ​​øjenbilledteknologi