Forskare har utvecklat en förbättrad version av optisk koherenstomografi (OCT) som kan avbilda biomedicinska prover med högre kontrast och upplösning över ett bredare 3D-synfält än vad som tidigare varit möjligt. Det nya 3D-mikroskopet kan vara användbart för biomedicinsk forskning och så småningom möjliggöra mer exakt medicinsk diagnostisk avbildning.

I Optica tidskriften beskriver forskarna från Duke University den nya tekniken, som de kallar 3D optisk koherensrefraktionstomografi (3D OCRT). Med hjälp av olika biologiska prover visar de att 3D OCRT producerar mycket detaljerade bilder som avslöjar särdrag som är svåra att observera med traditionell OCT.

OCT använder ljus för att ge högupplösta 3D-bilder utan att behöva några kontrastmedel eller etiketter. Även om den ofta används för oftalmologiska tillämpningar, kan avbildningsmetoden också användas för att avbilda många andra delar av kroppen, såsom huden och inuti öronen, munnen, artärerna och mag-tarmkanalen.

"OCT är en volymetrisk avbildningsteknik som ofta används inom oftalmologi och andra grenar av medicinen", säger första författaren Kevin C. Zhou. "Vi utvecklade en ny och spännande tillägg, med ny hårdvara kombinerad med en ny beräkningsalgoritm för 3D-bildrekonstruktion för att åtgärda några välkända begränsningar av bildtekniken."

"Vi föreställer oss att det här tillvägagångssättet tillämpas i en mängd olika biomedicinska bildbehandlingstillämpningar, som in vivo diagnostisk avbildning av det mänskliga ögat eller huden", säger forskargruppens medledare Joseph A. Izatt. "Hårdvaran vi designade för att utföra tekniken kan också lätt miniatyriseras till små sonder eller endoskop för att komma åt mag-tarmkanalen och andra delar av kropp."

Se mer med OCT

Även om OCT har visat sig användbart både i kliniska tillämpningar och biomedicinsk forskning, är det svårt att skaffa högupplösta OCT-bilder över ett brett synfält i alla riktningar samtidigt på grund av grundläggande begränsningar av optisk strålpropagation. En annan utmaning är att bilder från OLT innehåller höga nivåer av slumpmässigt brus, kallat fläck, vilket kan skymma biomedicinskt viktiga detaljer.

För att ta itu med dessa begränsningar använde forskarna en optisk design som innehöll en parabolisk spegel. Denna typ av spegel finns vanligtvis i icke-avbildningsapplikationer, såsom ficklampor, där den omger glödlampan för att rikta ljuset i en riktning. Forskarna använde en optisk uppsättning där ljus skickades åt andra hållet, med provet placerat där glödlampan skulle vara i en ficklampa.

Denna design gjorde det möjligt att avbilda provet från flera vyer över ett mycket brett spektrum av vinklar. De utvecklade en sofistikerad algoritm för att kombinera vyerna till en enda högkvalitativ 3D-bild som korrigerar för distorsion, brus och andra brister.

"Verket publicerat i Optica utökar vår tidigare forskning genom att övervinna betydande tekniska utmaningar, både i hårdvaran och mjukvaran, för att tillåta OCRT att arbeta i 3D och göra det mer allmänt applicerbart", säger forskargruppens medledare Sina Farsiu. "Eftersom vårt system genererar tiotals till hundratals av gigabyte data var vi tvungna att utveckla en ny algoritm baserad på moderna beräkningsverktyg som nyligen har mognat inom maskininlärningsgemenskapen."

Få en bredare bild

Forskarna visade metodens mångsidighet och breda användbarhet genom att använda den för att avbilda olika biologiska prover inklusive en zebrafisk och fruktfluga, som är viktiga modellorganismer för beteende-, utvecklings- och neurobiologiska studier. De avbildade också musvävnadsprover av luftstrupen och matstrupen för att visa potentialen för medicinsk diagnostisk avbildning. Med 3D OCRT fick de 3D-synfält på upp till ±75° utan att flytta provet.

"Förutom att minska brusartefakter och korrigera för provinducerade distorsioner, är OCRT i sig kapabel att beräkningsmässigt skapa kontrast från vävnadsegenskaper som är mindre synliga i traditionella oktober," sa Zhou. "Vi visar till exempel att den är känslig för orienterade strukturer som fiberliknande vävnad."

Forskarna undersöker nu sätt att krympa systemet och göra det snabbare för live-avbildning genom att dra fördel av den senaste utvecklingen inom snabbare OCT-systemteknik och framsteg inom djupinlärning som kan påskynda eller förbättra databehandlingen. + Utforska vidare

Maskininlärning ökar upplösningen av ögonbildsteknik