Biomedicinska ingenjörer vid Duke University har tagit fram en metod för att öka upplösningen av optisk koherens tomografi (OCT) till en enda mikrometer i alla riktningar, även hos en levande patient. Den nya tekniken, kallas optisk koherensbrytningstomografi (OCRT), kan förbättra medicinska bilder som erhållits inom OBT-industrin på flera miljarder dollar för medicinska områden som sträcker sig från kardiologi till onkologi.

Resultaten visas i en artikel publicerad online den 19 augusti i tidningen Nature Photonics .

"En historisk fråga med ULT är att djupupplösningen vanligtvis är flera gånger bättre än den laterala upplösningen, "sa Joseph Izatt, Michael J. Fitzpatrick professor i teknik vid Duke. "Om lagren av avbildade vävnader råkar vara horisontella, då är de väldefinierade i genomsökningen. Men för att förlänga OCT:s fulla kraft för levande avbildning av vävnader i hela kroppen, en metod för att övervinna avvägningen mellan lateral upplösning och bilddjup behövdes. "

OCT är en bildteknologi som är analog med ultraljud som använder ljus snarare än ljudvågor. En sond skjuter en ljusstråle in i en vävnad och baserat på ljusvågornas förseningar när de studsar tillbaka, bestämmer gränserna för funktionerna inom. För att få en fullständig bild av dessa strukturer, processen upprepas vid många horisontella positioner över ytan på vävnaden som skannas.

Eftersom OCT ger mycket bättre upplösning av djup än sidoriktning, det fungerar bäst när dessa funktioner innehåller mestadels platta lager. När föremål i vävnaden har oregelbundna former, funktionerna blir suddiga och ljuset bryts i olika riktningar, minska bildkvaliteten.

Tidigare försök att skapa OCT -bilder med hög lateral upplösning har förlitat sig på holografi - noggrant mäta det komplexa elektromagnetiska fältet som reflekteras tillbaka från objektet. Även om detta har visats, tillvägagångssättet kräver att prov- och avbildningsapparaten förblir helt stilla ner till nanometerskalan under hela mätningen.

"Detta har uppnåtts i laboratorier, sa Izatt, som också har ett möte i oftalmologi vid Duke University School of Medicine. "Men det är mycket svårt att uppnå i levande vävnader eftersom de lever, andas, flöda och förändra. "

I det nya papperet Izatt och hans doktorand, Kevin Zhou, ta ett annat tillvägagångssätt. Istället för att förlita sig på holografi, forskarna kombinerar OCT -bilder som förvärvats från flera vinklar för att förlänga djupupplösningen till den laterala dimensionen. Varje enskild OCT -bild, dock, blir förvrängd av ljusets brytning genom oegentligheter i cellerna och andra vävnadskomponenter. För att kompensera för dessa ändrade vägar när de sista bilderna sammanställs, forskarna behövde noggrant modellera hur ljuset böjs när det passerar genom provet.

För att åstadkomma denna beräkningsbedrift, Izatt och Zhou vände sig till sin kollega Sina Farsiu, Paul Ruffin Scarborough docent i teknik vid Duke, som har en lång historia av att använda maskininlärningsverktyg för att skapa bättre bilder för hälsovårdsprogram.

Arbetar med Farsiu, Zhou utvecklade en metod med "gradientbaserad optimering" för att utläsa brytningsindex inom de olika vävnadsområdena baserat på flervinkelbilderna. Detta tillvägagångssätt bestämmer i vilken riktning den givna egenskapen - i detta fall brytningsindexet - behöver justeras för att skapa en bättre bild. Efter många iterationer, algoritmen skapar en karta över vävnadens brytningsindex som bäst kompenserar för ljusets snedvridningar. Metoden implementerades med hjälp av TensorFlow, ett populärt mjukvarubibliotek skapat av Google för djupinlärningsprogram.

"En av många anledningar till att jag tycker att det här arbetet är spännande är att vi kunde låna verktyg från maskininlärningsgemenskapen och inte bara applicera dem på OCT-bilder efter bearbetning, men också att kombinera dem på ett nytt sätt och extrahera ny information, "sa Zhou." Jag tror att det finns många tillämpningar av dessa deep learning -bibliotek som TensorFlow och PyTorch, utanför standarduppgifterna som bildklassificering och segmentering. "

För dessa proof-of-concept-experiment, Zhou tog vävnadsprover som blåsan eller luftstrupen hos en mus, placerade dem i ett rör, och roterade proverna 360 grader under en OCT -skanner. Algoritmen skapade framgångsrikt en karta över varje provs brytningsindex, öka sidans upplösning med mer än 300 procent samtidigt som bakgrundsbruset i den slutliga bilden reduceras. Medan studien använde prover som redan tagits bort från kroppen, forskarna tror att OCRT kan anpassas för att fungera i en levande organism.

"I stället för att rotera vävnaden, en skanningssond utvecklad för denna teknik kan rotera strålens vinkel på vävnadsytan, sa Zhou.

Zhou undersöker redan hur mycket en hornhinneskanning kan förbättras av tekniken med mindre än 180 graders svep, och resultaten verkar lovande. Om det lyckas, tekniken kan vara en välsignelse för många medicinska bildbehov.

"Att ta högupplösta bilder av de konventionella utflödesvävnaderna i ögat är ett efterlängtat mål inom oftalmologi, sa Farsiu, med hänvisning till ögats vattenhaltiga humor -dräneringssystem. "Att ha en OCT -skanner med denna typ av lateral upplösning skulle vara mycket viktigt för tidig diagnos och för att hitta nya terapeutiska mål för glaukom."

"OCT har redan revolutionerat oftalmisk diagnostik genom att främja icke -invasiv mikroskopisk avbildning av den levande mänskliga näthinnan, "sa Izatt." Vi tror att med ytterligare framsteg som OCRT, den höga effekten av denna teknik kan utvidgas inte bara till ytterligare oftalmisk diagnostik, men för avbildning av patologier i vävnader tillgängliga med endoskop, katetrar, och bronkoskop i hela kroppen. "