(a) Konceptet att använda ett single-mode-multimode fibersystem för djupkodad reflektometri. Färgmönstret motsvarar olika spridningslägen. SMF singelmodsfiber, MMF multimod fiber, OSP optisk signalbehandlingsenhet. (b) 3D-rendering av intensitetsprofilen inuti multimodfibern som visar fåmodsgenereringsprocesserna för ett SMM-fibersystem. De laterala och axiella måtten är inte skalenliga. SMF har en modfältsdiameter på 5 μm, och MMF har en kärndiameter på 50 μm och en längd på 1,2 mm. En systemvåglängd på 800 nm antas. (c) Simuleringar av den fokuserade fältintensitetsfördelningen i bildrummet. Längden på distansen är 1,6 mm, och objektivet har ett brännvidd på cirka 0,5 mm. Vi antar ett brytningsindex på 1,34 i bildrymden. Den fokuserade fältintensitetsfördelningen normaliseras av toppintensiteten och visas på dB-skalan med ett dynamiskt område på 16 dB. Kredit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0211-5
En ny bildteknik utvecklad av Biwei Yin och tvärvetenskapliga forskare vid Massachusetts General Hospital och Harvard Medical School i USA, ger upplösning på subcellulär nivå för att avbilda hjärtats kärlsystem. Som ett resultat, hjärtforskare kan studera och diagnostisera mänsklig kranskärlssjukdom med större precision. Konventionellt, kardiologer använder intravaskulär optisk koherenstomografi (OCT) för att bedöma uppbyggnaden av kranskärlsplack, som kan förtränga artärer för att orsaka kranskärlssjukdom.
OCT-tekniken är, dock, begränsad av en lateral upplösning på endast 30 mikron (µm) därför kan forskare inte få bilder på subcellulär nivå för att förstå sjukdomen. Det nyutvecklade få-mods interferometriska intravaskulära avbildningssystemet innehåller en upplösning på tre mikron för att ge bilder av cellulära och subcellulära strukturer i artärväggen. Den förbättrade vyn kan ge detaljerad information om enskilda kristaller, glatta muskelceller och inflammatoriska celler med större precision vid sjukdomsdiagnostik. Forskningsarbetet är nu publicerat på Ljus:Vetenskap och tillämpningar .
Optisk koherenstopografi (OCT) är en vanlig avbildningsmetod som används för att erhålla tvärsnittsreflektans huvudsakligen i kliniska miljöer för att avbilda en rad mänskliga vävnader inklusive luminala organ i kroppen. Intravaskulär OCT (IVOCT) är av intresse för att få tillgång till koronar plackstruktur och vägleda perkutan kranskärlsintervention (PCI) under kranskärlssjukdom; en ledande dödsorsak i världen. Bioingenjörer och kardiologer har nyligen visat avancerade IVOCT-tekniker, såsom multimodal IVOCT för att kombinera den konventionella formen med ytterligare avbildnings- och avkänningslägen, såsom fluorescens och nära-infraröd spektroskopi. Ytterligare innovationer inkluderar polarisationskänslig IVOCT för att mäta vävnads dubbelbrytning och ge bildkontrast, samt hjärtslag IVOCT för att tätt avbilda kransartärer in vivo utan att introducera rörelseartefakter. Den mest utmanande tekniska barriären för att öka den laterala upplösningen i ett OCT-system inkluderar justering av fokusdjupet (DOF) för tvärsnittsavbildning. Tidigare studier som uppnådde ökad DOF, har en formfaktor eller komplexitet för att förhindra intraluminala kliniska tillämpningar för kranskärlsavbildning.
(a) Simulering av den aberrerade strålfältsintensiteten när spridare är placerade i mitten av strålbanan. Fyra spridare modellerades, betecknas som S1–S4. Spridarna hade en diameter på 2 μm och ett brytningsindex på 1,5. 3D-rendering av strålfältet och de tvärgående intensitetsfördelningarna visar att aberrationen som introduceras av en enskild spridare är begränsad inom varje läge. Z indikerar strålens utbredningsriktning. Skalstång:10 μm. (b) Fotografi av den färdiga koronarkatetern för utbyte av 2,6-F snabb styrtråd. (c) Ett fotografi av den distala änden av katetern, taget med hjälp av ett mikroskop. Fibersonden hade en diameter på 500 μm och en stel längd på mindre än 4 mm. Skalstång:500 μm. (d) Fotografi av ringmönstret för ljuset som överförs genom kateterns fibersondoptik, motsvarande multipla förökningslägen. Skärmen var placerad i en liten vinkel med avseende på strålens utbredningsriktning, visar att den cylindriska spegeln riktar strålen i en ~8° vinkel vinkelrät mot manteln för att minska spegelreflektion. (e) Simulering av den normaliserade fältintensitetsfördelningen på axeln med avseende på djupet för mittvåglängden och de två ändarna av spektrat, visar att den kromatiska fokalförskjutningseffekten mildrade fältintensitetsdiskontinuiteten. Kredit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0211-5
I detta arbete, Yin et al. beskrev ett få-mods interferometribaserat intravaskulärt avbildningssystem med utökad DOF för tvärsnittsavbildning vid cellulär upplösning, över ett djupområde på mer än 1 mm. Tekniken gjorde det möjligt för dem att observera cellulära och subcellulära strukturer av intakta artärer av mänsklig kranskärlsstorlek ex vivo och in vivo genom en flexibel, submillimeter diameter kateter. Forskarna använde lågkoherensinterferometri som löste väglängdsfördröjning för att avkoda informationen som bärs av varje läge som reser med en annan optisk väglängd i experimentuppställningen.
Flera fortplantningsmoder skulle samtidigt kunna förhöra ett sampel på olika djup för att sända den djupkodade signalen genom en gemensam kanal för behandling. Processen ökade upptagningskapaciteten för reflektometrisystemet utan ytterligare belysnings- och detekteringskanaler. För att visualisera effekterna, Yin et al. simulerade det fokuserade strålfältet på olika djup längs mitten av strålbanan, där spridningspartiklar introducerade aberration i strålfältet som fältstörning. Den självläkande (självrekonstruerande) egenskapen hos fortplantningsprocessen antydde oberoendet för varje mod i spridningsmediet.
(a–c) IVOCT, IVFMI, och histologiska bilder som visar ett tvärsnitt av artären som innehåller avlagringar av kolesterolkristaller. I standard-IVOCT-bilden (a), de starkt spridande strukturerna skulle betraktas som makrofagansamlingar med hjälp av nuvarande IVOCT-kriterier21, medan IVFMI-bilden (b) visar att dessa egenskaper var kristaller, ett fynd som överensstämmer med motsvarande histologi. (d) Ett tvärsnitt av en artär som hade flera kolesterolkristaller som kännetecknas av reflektioner från deras övre och nedre ytor. (e) Bild som visar att IVFMI kunde lösa upp små kristaller på avstånd nära manteln (ett par hundra mikron) och långt från manteln (~1 mm) samtidigt. (f, g) IVFMI och motsvarande histologiska bilder av en calcific nodule, respektive. (h) var ungefär 1,3 mm borta i längdriktningen från (g), där tromb observerades över kalkknölen. De blå pilarna är egenskaper som överensstämmer med leukocyter, den gula pilen tyder på tromb, och den gröna pilen visar en cell som sannolikt är en monocyt/makrofag. Ett Gaussiskt oskärpafilter med en radie på 2 μm applicerades på IVFMI-tvärsnittsbilderna. Skalstaplar för alla bilder är 100 μm. Kredit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0211-5
Baserat på konceptet, forskargruppen skapade en intravaskulär få-mods interferometri (IVFMI) avbildningsenhet med en superkontinuumlaser som ljuskälla. De använde en lågkoherens interferometer som den optiska signalbehandlingsenheten, en kateter för djupkodning och återspridningssignaldetektering, samt optomekanik för skanning. Med hjälp av inställningen, forskarna genomförde en spiralformad skanning av lumenväggen för tredimensionell (3D) rekonstruktion av artären. Med hjälp av en kateter inuti en artär tog de tvärsnittsbilder med 17 bilder per sekund. Med en nästan 1000-faldig förbättring av volymetrisk upplösning, forskargruppen löste cellulära och subcellulära strukturer med hjälp av IVFMI (intravascular few-mode interferometry) i motsats till den konventionella IVOCT-metoden (Intravascular OCT).
Till exempel, när forskarna jämförde standard IVOCT- och IVFMI-bilder som motsvarar samma tvärsnitt av en kransartär av mänskligt kadaver, de kunde tydligt urskilja tätt packade kristaller med endast IVFMI. I kontrast, bilder erhållna med standard IVOCT-teknik var suddiga och klotformade, vilket gör det mer sannolikt att karakterisera dem felaktigt som makrofagansamlingar. Liknande, forskargruppen observerade glatta muskelceller med hjälp av IVFMI-katetern, som inte kunde lösas med den konventionella IVOCT-metoden.
3-D-rekonstruktion och motsvarande tvärsnittsbilder av IVFMI-data som erhållits från en kransartär av mänskligt kadaver. Lumen visar individuella makrofager som finns på ytan av en fibroateromatös plack. (en, b) 3D-rendering och tvärsnittsbilder som visar en individuell cell (gula pilar) som verkar transmigrera genom endotelet mot en avlagring av intimala kristaller (röda pilar). (c, d) 3D-rendering och tvärsnittsbilder som visar två makrofager bundna till endotelytan, polariserade mot varandra med utökad pseudopodia (blå pil). Skalstänger:50 μm. Kredit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0211-5.
IVFMI-tvärsnittet av en artär löste också kolesterolkristaller som vanligtvis är svåra att avbilda med konventionella metoder på grund av deras anmärkningsvärda reflektioner. Som ett resultat av den utökade DOF aktiverad med IVFMI-inställningen, forskarna löste mikrostrukturer som låg några hundra mikron till millimeter bort från kateterns hölje, samtidigt i en omkretsskanning.
Eftersom inflammatoriska celler driver utvecklingen av aterosklerotiska plack, Yin et al. representerade intima glatta muskelceller och makrofager som genomgår diapedes med IVFMI. Bilderna visade fina detaljer av den intraluminala massan, inklusive närvaron av ljusa celler såsom leukocyter inbäddade i fibrinnätet för att bilda vad som såg ut att vara en tromb. Forskarna använde IVFMI-data som erhållits från en koronarlumenvägg i kadaver för 3D-rekonstruktioner och utvecklade även 3D-rekonstruktioner av IVFMI-data som erhållits från en levande kaninaorta med aterosklerotisk plack. De upptäckte placket från den normala artärväggen genom att observera den förhöjda ytmorfologin, som projicerade in i lumen (inuti utrymmet i en rörformig struktur såsom en artär).
IVFMI-bilder av kaninartärer förvärvade in vivo. (a) 3D-rekonstruktion av aterosklerotisk kaninaorta. Den vita pilen indikerar guidekabeln. De blå och röda pilarna indikerar aterosklerotiska plackregioner. (b) Tvärsnittsbild av lumenväggen som innehåller normal aortamediavävnad och den ateromatösa lesionen indikerad med den blå pilen i (a). (c) Förstorad bild som motsvarar det blå streckade området i (b). Den gula pilen avgränsar en region som innehåller glatta muskelceller inbäddade i ett kollagennätverk i en del av den normala aortaväggen, medan den gröna pilen indikerar en aterosklerotisk plack. (d) 3D-rekonstruktion av en stent implanterad i höftbensartären. De lila och röda pilarna indikerar stentstag. (e) En tvärsnittsbild som motsvarar den plats som anges av den lila pilen i (d). Orange pilar markerar små, punktera, mycket spridande egenskaper som överensstämmer med blodplättar runt stentstaget (röd pil), med de gröna pilarna som indikerar artärväggen. Ett Gaussiskt oskärpafilter med en radie på 2 μm applicerades på IVFMI-tvärsnittsbilderna. Skalstång:100 μm. Kredit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0211-5.
Med hjälp av tvärsnittsbilder, teamet observerade ett nätverk av kollagen och glatta muskelceller i normala medier med förbättrad klarhet. De erhöll också 3D-rekonstruerade IVFMI-data vid ett segment av lumenväggen implanterat med en stent en timme före avbildning. IVFMI-processen visualiserade mikrostrukturella detaljer av stentstag med oöverträffade detaljer för intravaskulär avbildning. Yin et al. observerade små, hög reflektivitet, mikronstora prickar som omger några av stentstagen och kan till och med identifiera de fina detaljerna hos mikrostrukturella blodplättar i bilderna.
På det här sättet, Biwei Yin och kollegor utvecklade och demonstrerade en teknik för att övervinna problemen med att implementera få-mods interferometri, för att öka fokusdjupet (DOF) med mer än en storleksordning. Den optiska konfigurationstekniken har ett litet fotavtryck, djupkodningsförmåga och överföringsstabilitet, med viktiga tillämpningar inom djuplöst endomikroskopi. Resultaten bekräftade potentialen hos den nya tekniken att ta bilder med ett bra signal-brusförhållande och visa väldefinierade sjukdomsrelevanta cellulära och subcellulära mikrostrukturer inom mänskliga likkoronarartärer ex vivo och kaninartärer in vivo.
Enheten är fysiskt och mekaniskt identisk med kranskärlekateter som används för konventionell IVOCT-avbildning på kliniken. Dessa fynd indikerar möjligheten att översätta den nya IVFMI-tekniken för klinisk avbildning för att se cellulär kranskärlspatologi hos människor vid hjärtkateteriseringslaboratoriet. Tekniken kan användas för att se cellulär avbildning bortom intravaskulär avbildning för att inkludera luminala organ såsom mag-tarmkanalen och lungkanalen för att öka den kliniska diagnostiska noggrannheten.
© 2019 Science X Network
