Revolusjonerende medisinske bildebehandlingsenheter med optisk bildebehandling

Optiske avbildningsverktøy kan forsterke den avgjørende rollen til biomedisinsk avbildning for nøyaktig å identifisere sykdommer og overvåke deres progresjon.

Konvensjonelle medisinske bildeapparater som røntgen, computertomografi (CT), magnetisk resonansavbildning (MRI), ultralyd og positronemisjonstomografi (PET) brukes ofte i kliniske omgivelser (figur 1). Imidlertid er disse bildemodalitetene begrenset i oppløsningen, og kan bare ta bilder i millimeterskala eller større.

For å oppnå en nøyaktig diagnose, kan høyere oppløsningsundersøkelse av cellulære strukturer gjennom en biopsi være nødvendig. Integrering av optisk bildebehandling med konvensjonelle bildeteknikker kan være en mer effektiv tilnærming for å møte dette behovet.

Figur 1: Medisinske bildebehandlingstester forklart

Optisk bildebehandling, som bruker lys i det synlige til nær infrarøde spekteret (Figur 2), gir flere fordeler i forhold til konvensjonell høyfrekvent bildebehandling. Optisk bildebehandling kan oppnå bildeoppløsninger så små som noen få mikron, noe som muliggjør visualisering på cellenivå, og bruker ikke ioniserende stråling eller høyfrekvente lydbølger.

Figur 2: Elektromagnetisk spektrum

Spesifikke molekyler eller celler i et vev kan målrettes for avbildning eller analyse. Disse optiske avbildningsmodalitetene utfyller konvensjonelle bildebehandlinger, og gir et mer omfattende bilde av biologiske prosesser og systemer og reduserer til slutt variasjon og tid til resultater [1].

Selv om optisk bildebehandling tilbyr høyere oppløsning enn konvensjonell bildebehandling, er bildedybden begrenset til noen få millimeter inn i vevet på grunn av absorpsjon og spredning av lys når det passerer gjennom biologiske systemer. Vevsgjennomsiktighet avhenger av faktorer som sammensetning, tetthet, tykkelse og hydreringsnivå. Vev er sammensatt av celler og kar som presenterer endringer i lysbrytningsindeksen, noe som resulterer i lysspredning eller rett og slett en endring i lysets retning.

Dempning av lys skjer i nærvær av lysabsorberende vevskomponenter kalt kromoforer, slik som hemoglobin og melanin. Både spredning og absorpsjon er bølgelengdeavhengig og påvirker hvor dypt lys kan trenge inn i vev [2].

Ulike optiske avbildningsmodaliteter er utviklet for å hjelpe klinikere og forskere i avhør av biosystemer [3]. Konfokal mikroskopi, ikke-lineær mikroskopi og optisk koherenstomografi (OCT) er noen få eksempler. Konfokal mikroskopi avviser ufokusert lys fra detektoren via et nålhull, og gir bilder med høyere oppløsning enn tradisjonell widefield-mikroskopi avbildning av tykke prøver (figur 3).

Figur 3: Diagram av konfokalt prinsipp (bilde til venstre), Drosophila embryo, konfokal mikroskopi av sentralnervesystemet (bilde til høyre)

Ikke-lineær mikroskopi muliggjør merkefri og molekylær-spesifikk avbildning av biologiske prosesser i celler og vev. Multi-foton-naturen til disse avbildningsprosessene resulterer i økt oppløsning av bildebehandlingen og redusert ufokusert fotobleking (figur 4).

Figur 4: Energidiagrammer for 2^nd og 3^rd bestill optiske avbildningsmodaliteter (bilde til venstre), Multippel fluorescens 2PE-avbildning. 2PE multipel fluorescensbilde fra en 16 μm kryostatseksjon av musetarm farget med en kombinasjon av fluorescerende flekker (F-24631, Molecular Probes) (bilde til høyre)

OCT utleder et signal fra lavkoherensinterferensen mellom referansestrålen og det spredte tilbakereflekterte lyset fra vevet, noe som muliggjør dannelse av 2D- og 3D-bilder (figur 5).

Figur 5: Typisk optisk oppsett av enkeltpunkt OCT. Skanning av lysstrålen på prøven muliggjør ikke-invasiv tverrsnittsavbildning opp til 3 mm i dybden med mikrometeroppløsning (bilde til venstre), OCT-skanning av netthinnen ved 800nm ​​med en aksial oppløsning på 3µm (bilde til høyre)

Optiske avbildningsmetoder brukes hovedsakelig i ex vivo miljøer eller in vivo hvis vevet av interesse er lett tilgjengelig og overfladisk. Kombinerte avbildningsmodaliteter kan gi forbedret informasjon for klinikere på både makro- og mikroskala (Figur 6), noe som kan føre til velinformerte beslutninger raskere.

Figur 6: Aksial oppløsning og avbildningsdybder for avbildningsmodalitetene

For å gjøre optiske teknologier mer relevante i det kliniske miljøet, må spørsmålet om avbildningsdybde tas opp. En lovende utvikling som tar for seg bildedybden er levering av optisk bildebehandling via optiske fiberprober for minimal invasivitet.

Biomedisinsk avbildning er et verdifullt verktøy som brukes til å lage visuelle representasjoner av biologiske prosesser, og gir viktig informasjon til klinikere og forskere. Fremskritt innen optisk bildeteknologi gir potensialet til å forbedre helseresultater og fremme vitenskapelig kunnskap – fremtiden for klinisk bildebehandling ser lys ut.

Kilder

Figure 1: https://www.freepik.com/free-vector/medical-examination-icons-set_4411890.htm#query=xray%20icon&position=0&from_view=keyword&track=robertav1_2_sidr

Figur 2: https://imagine.gsfc.nasa.gov/Images/science/EM_spectrum_compare_level1_lg.jpg

Figur 3:

Venstre - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Confocalprinciple_in_English.svg#filelinks)

Ikke sant - https://www.flickr.com/photos/zeissmicro/26491464051/in/photostream/ )

Figur 4:

Til venstre – StarFish Medical

Right – https://commons.wikimedia.org/wiki/File:MultiPhotonExcitation-Fig10-doi10.1186slash1475-925X-5-36.JPEG

Figur 5:

Til venstre – https://commons.wikimedia.org/wiki/File:OCT_B-Scan_Setup.GIF

Høyre – https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Retina-OCT800.png

Figur 6:  StarFish Medical

Referanser

[1] National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB), "Optical Imaging," [Online]. Tilgjengelig: https://www.nibib.nih.gov/science-education/science-topics/optical-imaging. [Åpnet 28. april 2023]. [2]  Hochschule Koblenz University of Applied Sciences, "Introduction to Tissue Optics," [Online]. Tilgjengelig: https://www.hs-koblenz.de/mut/forschung-projekte/labore-projekte/labor-fuer-biomedizinische-optik/forschung/introduction-to-tissue-optics. [Åpnet 24. april 2023]. [3] Yashin et. al., "Redaksjon: Optisk bildebehandling og laserteknologier i nevro-onkologi," [Online]. Tilgjengelig: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fonc.2022.1103711/full. [Åpnet 21. april 2023].

Tammy Lee er en optisk systemingeniør. Hun har mer enn et tiår med kommersiell erfaring med forskning og produktutvikling av optiske systemer. Hun har en Ph.D. i optikk fra University of Rochester.

---

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tilgang her.
• Kjøp og selg aksjer i PRE-IPO-selskaper med PREIPO®. Tilgang her.
• kilde: https://starfishmedical.com/blog/optical-biomedical-imaging-devices/