Diagnosen av sjukdomar baserade i inre organ bygger ofta på biopsiprover som samlats in från drabbade regioner. Men att samla in sådana prover är mycket felbenägen på grund av oförmågan hos nuvarande endoskopiska avbildningstekniker att korrekt visualisera sjukdomsplatser. De konventionella optiska elementen i katetrar som används för att komma åt svåråtkomliga områden på kroppen, såsom mag-tarmkanalen och lungluftvägarna, är benägna att få avvikelser som hindrar den fulla kapaciteten för optisk bildbehandling.

Nu, experter på endoskopisk avbildning vid Massachusetts General Hospital (MGH) och pionjärer inom flat metalens-teknologi vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), har gått samman för att utveckla en ny klass av endoskopiska bildkatetrar – kallade nanooptiska endoskop – som övervinner begränsningarna hos nuvarande system.

Forskningen beskrivs i Nature Photonics .

"Klinisk användning av många banbrytande endoskopiska mikroskopimodaliteter har hindrats på grund av svårigheten att designa miniatyrkatetrar som uppnår samma bildkvalitet som skrymmande skrivbordsmikroskop, sa Melissa Suter, en biträdande professor i medicin vid MGH och Harvard Medical School (HMS) och co-senior författare till uppsatsen. "Användningen av nanooptiska katetrar som införlivar metalenses i sin design kommer sannolikt att förändra landskapet för optisk kateterdesign, vilket resulterar i en dramatisk ökning av kvaliteten, upplösning, och funktionalitet av endoskopisk mikroskopi. Detta kommer i slutändan att öka den kliniska användbarheten genom att möjliggöra mer sofistikerad bedömning av cell- och vävnadsmikrostruktur hos levande patienter."

"Metalenses baserade på platt optik är en ny teknik som förändrar spelet eftersom kontrollen av bildförvrängningar som krävs för högupplöst bildbehandling är enkel jämfört med konventionell optik, som kräver flera komplexa linser, sa Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes seniorforskare i elektroteknik vid SEAS och medförfattare till artikeln. "Jag är övertygad om att detta kommer att leda till en ny klass av optiska system och instrument med ett brett spektrum av tillämpningar inom många områden av vetenskap och teknik."

"Mångsidigheten och designflexibiliteten hos det nanooptiska endoskopet höjer avsevärt endoskopisk avbildningsförmåga och kommer sannolikt att påverka diagnostisk avbildning av inre organ, sade Hamid Pahlevaninezhad, Instruktör i medicin vid MGH och HMS och medförfattare till uppsatsen. "Vi demonstrerade ett exempel på sådana möjligheter för att uppnå högupplöst bildbehandling vid mycket utökat fokusdjup."

För att demonstrera bildkvaliteten hos det nanooptiska endoskopet, forskarna avbildade fruktkött, luftvägar hos svin och får, och mänsklig lungvävnad. Teamet visade att det nanooptiska endoskopet kan avbilda djupt in i vävnaden med betydligt högre upplösning än vad som tillhandahålls av nuvarande bildkateterdesigner.

Bilderna som tagits av det nanooptiska endoskopet visar tydligt cellulära strukturer i fruktkött och vävnadslager och fina körtlar i bronkial slemhinna hos svin och får. I den mänskliga lungvävnaden, forskarna kunde tydligt identifiera strukturer som motsvarar fina, oregelbundna körtlar som indikerar förekomst av adenokarcinom, den mest framträdande typen av lungcancer.

"För närvarande, vi är utlämnade till material som vi inte har kontroll över för att designa högupplösta linser för bildbehandling, sa Yao-Wei Huang, en postdoktor vid SEAS och medförfattare till uppsatsen. "Den största fördelen med metalens är att vi kan designa och skräddarsy dess specifikationer för att övervinna sfäriska aberrationer och astigmatism och uppnå en mycket fin fokusering av ljuset. Som ett resultat, vi uppnår mycket hög upplösning med utökat skärpedjup utan behov av komplexa optiska komponenter."

Nästa, forskare siktar på att utforska andra tillämpningar för det nanooptiska endoskopet, inklusive ett polarisationskänsligt nanooptiskt endoskop, som kan kontrastera mellan vävnader som har välorganiserade strukturer, såsom glatt muskulatur, kollagen och blodkärl.