I ett viktigt steg mot endoskopisk diagnos av cancer, forskare har utvecklat en handhållen fiberoptisk sond som kan användas för att utföra flera olinjära bildtekniker utan behov av vävnadsfärgning. Den nya multimodala avbildningssonden använder en ultrasnabb laser för att skapa olinjära optiska effekter i vävnad som kan avslöja cancer och andra sjukdomar.

I dag, cancer diagnostiseras vanligtvis genom att ta bort lite vävnad med en biopsi och sedan skicka vävnaden till en specialutbildad patolog som fläckar vävnaden och använder ett mikroskop för att leta efter cancerceller. Läkarnas förmåga att hoppa över biopsin och använda ett multimodalt bildändoskop för att diagnostisera cancer på plats skulle spara värdefull tid och kan också tillåta kirurger att lättare skilja mellan cancer och frisk vävnad under operationen.

Med den nya sonden, bildtekniker som tidigare krävde skrymmande bordsinstrument kan utföras med en handhållen enhet som endast mäter 8 millimeter i diameter, ungefär samma diameter som en kulspetspenna. Om den miniatyriseras ytterligare, sonden skulle enkelt kunna integreras i ett endoskop för olinjär multimodal avbildning inuti kroppen.

"Vi hoppas att, en dag, multimodal endoskopisk avbildningsteknik kan hjälpa läkare att fatta snabba beslut under operationen, utan att behöva ta biopsier, använder färgningsbehandlingar eller utför komplexa histopatologiska ingrepp, "sa Jürgen Popp, från Leibniz Institute of Photonic Technology i Jena, Tyskland och tidningens huvudförfattare.

Forskarna beskriver sin nya handhållna sond Optica , The Optical Society's journal for high impact research. Det är den första miniatyriserade sonden för multimodal biologisk avbildning som innehåller en bild med flera kärnor, en typ av optisk fiber som består av flera tusen ljusledande element. Denna speciella bildfiber tillät forskarna att hålla alla rörliga delar och elkraft utanför sondhuvudet, gör sonden enkel och säker att använda i kroppen.

Forskarna har testat sonden med många typer av vävnadsprover, men eftersom det för närvarande är utformat för framåtvisningsläge, de primära tillämpningarna av sonden skulle sannolikt innefatta hud, hjärn- eller huvud- och halskirurgi. De arbetar med att implementera ett sidovy -läge som kan användas för att undersöka ihåliga organ och artärer som tjocktarmen, urinblåsa eller aorta.

Ett minimikroskop

"Den nya sonden fungerar som ett miniatyriserat mikroskop som använder nära-infraröda lasrar för att undersöka vävnad, "sa Popp." Olika komponenter i biologisk vävnad reagerar olika på excitationslasrarna, och deras unika svar ger oss information om molekylkompositionen och morfologin i vävnaden. "

Den handhållna multimodala avbildningssonden kan samtidigt skaffa flera typer av bilder:koherent anti-stokes Raman-spridning, andra harmoniska generationen och två-foton exciterad auto-fluorescens. Dessa olinjära bildtekniker har visat sig vara användbara för klinisk diagnostik, inklusive identifiering av cancerceller, men det har varit svårt att förminska den nödvändiga instrumenten för användning inuti kroppen.

Sondens minskade storlek kommer från dess användning av gradientindex, eller GRIN, linser för att fokusera laserljuset. Jämfört med traditionella sfäriska linser som använder komplicerade formade ytor för att fokusera ljus, GRIN -linser kan göras väldigt små eftersom de fokuserar ljus genom kontinuerliga brytningsindexförändringar i linsmaterialet. Popps forskargrupp samarbetade med forskare från Grintech Gmbh som designade GRIN-linser med endast 1,8 millimeter i diameter och hjälpte till att integrera den robusta linsenheten i ett litet aluminiumhölje.

Endoskop avsedda för olinjär avbildning använder vanligtvis rörliga speglar och elektromekaniska anordningar för punkt -för -punkt laserskanning i sondhuvudet. Genom att använda den flerkärniga avbildningsfibern kunde forskarna ytterligare minska enhetens storlek genom att flytta laserskanningen ut ur sondhuvudet och bort från provplatsen. Eftersom fiberns tusentals ljusledande element, eller kärnor, bevara det rumsliga förhållandet mellan ljuset mellan fiberns två ändar, skanningen kan utföras i fiberns motsatta ände, att göra ett endoskopiskt tillvägagångssätt mycket enklare.

"Jämfört med andra endoskopiska olinjära avbildningsmetoder, vår fibersond sticker ut på grund av sin enkelhet, "sa Popp." Eftersom inga rörliga delar ingår i sondhuvudet, möjliga feljusteringar i optiken är begränsade och sondens totala livslängd ökas. "

Multimodal avbildning av vävnad

Forskarna demonstrerade multicore -bildfibrernas unika kapacitet genom att flytta ena änden av sonden över ett prov och överföra de förvärvade bilderna till den andra änden. "Detta är inte en trivial uppgift eftersom bildfibrernas kärnor skiljer sig åt i storlek och form, hindrar effektiv och homogen koppling av excitationslasrarna, sade Popp. Dessutom, vi var tvungna att hantera oönskade effekter som olika våglängder som interagerar inuti fiber- och kärna-till-kärna-ljuskopplingen. "

De demonstrerade också att sonden kunde förvärva separata sammanhängande anti-stokes Raman-spridning, andra harmoniska generationen och tvåfoton exciterade autofluorescensbilder av friska humana hudvävnadsprover med en upplösning på 2048 x 2048 pixlar för ett skannat område på 300 x 300 mikron. Denna upplösning och synfält är tillräcklig för att identifiera tumörgränser, och sonden kan flyttas över vävnadsytan för att få en överblick över det drabbade området.

Forskarna arbetar med att använda algoritmer för att förbättra kvaliteten på de multimodala bilderna, som verkar pixlade på grund av strukturen hos multicore -avbildningsfibern. Som nästa steg, de planerar att testa sonden i djurmodeller och med patienter i klinisk miljö.