BitMap-övningen syftar till att upprätta standardiserade procedurer för att bedöma prestanda hos diffusa optiksystem. Tre huvudåtgärder går från prestationsbedömning till öppen datatillhandahållande och jämförande analys. Kredit:Lanka et al., Journal of Biomedical Optics (2022). DOI:10.1117/1.JBO.27.7.074716.
Bland de olika optikbaserade verktyg som används inom diagnostik håller diffus optik (DO) snabbt på att växa fram som en av de mest attraktiva teknologierna. Tekniken bygger på att analysera hur ljus absorberas och sprids av biologiska vävnader, vilket relaterar till vävnadens kemiska sammansättning och struktur. En av de viktigaste fördelarna med DO är att den är icke-invasiv (den använder lågeffekt nära-infrarött ljus). Dessutom kan den användas för att sondera vävnader på djup på upp till några centimeter och kan till och med detektera funktionell aktivering och syresättning av hjärna eller muskler. DO kommer därför sannolikt att ta en central roll i diagnostik och övervakning av patienter både på sjukhuset och i hemmet.
Men även när man använder samma DO-principer för att studera eller diagnostisera en viss sjukdom, använder kliniker och laboratorier runt om i världen väldigt olika plattformar och tekniker. Detta utgör en utmaning när man försöker bedöma deras prestanda, vilket är nödvändigt för att identifiera felaktig utrustning, riktmärka utvecklingen inom DO-teknik, etablera en gemensam grund för jämförelse av tekniker och instrument och tillåta tillförlitlig återanvändning och tolkning av genererade öppna data.
Lyckligtvis gör ett samarbete mellan 12 europeiska institutioner – inom ramen för EU:s Horizon 2020 Marie Skłodowska-Curie Innovative Training Network "BitMap", ledd av Hamid Dehghani, University of Birmingham – stora framsteg mot att förverkliga prestationsbedömning och standardisering (PAS) ) inom området DO. Med hjälp av över två decennier av gemensamma forskningsinsatser, är initiativet centrerat kring tre protokoll som tidigare utvecklats för att bedöma prestanda hos DO-instrument. Detta initiativ föreställer sig tre huvudåtgärder:Åtgärd 1 involverar insamling av experimentella data, Åtgärd 2 fokuserar på att göra dessa data tillgängliga som öppna data, och Åtgärd 3 kretsar kring en gemensam analys av data med samma verktyg och tekniker.
En studie publicerad i Journal of Biomedical Optics (JBO) presenterar resultaten som erhållits i samband med åtgärd 1. BitMap-övningen som presenteras i detta dokument är den största multilaboratoriejämförelsen av DO-instrument, som omfattar 12 institutioner och 28 system. Genom denna jämförelse syftar studien till att förstärka kulturen av PAS i DO-gemenskapen och utanför och föreslå en gemensam metodik som kan användas i andra miljöer. Ett intressant resultat av detta speciella arbete är uppfattningen om enkla numeriska värden, kallade syntetiska indikatorer, för vart och ett av de använda testerna. Dessa indikatorer möjliggör enkel jämförelse över hela spektrumet av registrerade instrument.
Att jämföra prestanda för olika DO-instrument är knepigt. Forskarna bestämde sig för tre internationellt antagna protokoll (BIP, MEDPHOT och NEUROPT) för att utmana varje DO-system. BIP-protokollet tjänade till att karakterisera de mest grundläggande optiska prestanda för varje instrument, medan MEDPHOT-protokollet karakteriserade hur väl varje instrument kunde återställa homogena optiska egenskaper, d.v.s. absorption och reducerade spridningskoefficienter. Slutligen testade NEUROPT-protokollet hur väl varje system kunde upptäcka inhomogeniteter i ett prov genom att fokusera på åtgärder relaterade till kontrast. Dessutom kom forskarna överens om tre olika fantomkit, som var och en var speciellt skräddarsydd för ett av protokollen (en "fantom" hänvisar till en konstgjord struktur, som vanligtvis används för kalibrering och testning, som emulerar vissa egenskaper hos mänsklig vävnad).
Experimenten bestod i att utföra ett urval av relevanta tester från varje protokoll på sitt respektive fantomkit med vart och ett av DO-instrumenten. Forskarna jämförde sedan resultaten från dessa experiment för att förstå vilka instrument och tekniker som visade bäst prestanda, hur reproducerbara resultaten var och hur stor variation det fanns mellan mätningar gjorda med olika system. De fann en betydande skillnad i hårdvaruprestanda mellan olika system, vilket hjälpte dem att identifiera några kritiska problem relaterade till prestandabedömning i DO.
Forskarna planerar att distribuera hela datamängden som samlats in genom åtgärd 1 till ett öppet dataförråd (åtgärd 2). Detta skulle hjälpa dem och andra att analysera och jämföra specifika aspekter av DO-systemen (åtgärd 3). Ett av projektets slutmål är att identifiera och mildra osäkerheter och mätartefakter för varje instrument och analysmetod, och därigenom frigöra deras fulla potential.
"Great advances in physics derived from precise measurements of specific physical quantities—planet orbits, speed of light, particle masses, etc. Photon migration through the human body is complicated by the biological variability, but not the basic physics underlying it all," says senior author Antonio Pifferi, Politecnico di Milano, Italy. "We can disentangle the uncertainties and artifacts produced by the instruments and analysis tools from the biological variability, with great benefit for clinical use."
These efforts will open doors to a powerful and reliable DO technology, enabling more accurate and convenient diagnostics. + Utforska vidare
