Революция в медицинских устройствах визуализации с помощью оптических изображений

Инструменты оптической визуализации могут повысить решающую роль биомедицинской визуализации в точном выявлении заболеваний и мониторинге их прогрессирования.

Традиционные устройства медицинской визуализации, такие как рентген, компьютерная томография (КТ), магнитно-резонансная томография (МРТ), ультразвук и позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), обычно используются в клинических условиях (рис. 1). Однако эти методы визуализации ограничены по разрешению и позволяют захватывать изображения только в масштабе миллиметра или больше.

Для постановки точного диагноза может потребоваться исследование клеточных структур с более высоким разрешением с помощью биопсии. Интеграция оптических изображений с традиционными методами визуализации может быть более эффективным подходом к решению этой проблемы.

фигура 1: Объяснение тестов медицинской визуализации

Оптическая визуализация, в которой используется свет от видимого до ближнего инфракрасного спектра (рис. 2), имеет ряд преимуществ по сравнению с обычной высокочастотной визуализацией. Оптическая визуализация может достигать разрешения изображения всего в несколько микрон, что позволяет визуализировать на клеточном уровне и не использует ионизирующее излучение или высокочастотные звуковые волны.

Рисунок 2: Электромагнитный спектр

Конкретные молекулы или клетки в ткани могут быть выбраны для визуализации или анализа. Эти методы оптической визуализации дополняют традиционные методы визуализации, обеспечивая более полную картину биологических процессов и систем и, в конечном итоге, уменьшая вариативность и время до получения результатов [1].

Хотя оптическая визуализация обеспечивает более высокое разрешение, чем обычная визуализация, глубина визуализации ограничена несколькими миллиметрами в ткани из-за поглощения и рассеяния света при его прохождении через биологические системы. Прозрачность ткани зависит от таких факторов, как состав, плотность, толщина и уровень гидратации. Ткани состоят из клеток и сосудов, показатель преломления которых изменяется, что приводит к рассеянию света или просто к изменению направления света.

Ослабление света происходит в присутствии светопоглощающих тканевых компонентов, называемых хромофорами, таких как гемоглобин и меланин. Как рассеяние, так и поглощение зависят от длины волны и влияют на то, насколько глубоко свет может проникать в ткань [2].

Различные методы оптической визуализации были разработаны, чтобы помочь клиницистам и исследователям исследовать биосистемы [3]. Конфокальная микроскопия, нелинейная микроскопия и оптическая когерентная томография (ОКТ) являются несколькими примерами. Конфокальная микроскопия отклоняет несфокусированный свет от детектора через точечное отверстие, обеспечивая изображения с более высоким разрешением по сравнению с традиционной широкопольной микроскопией изображений толстых образцов (рис. 3).

Рисунок 3: Схема конфокального принципа (изображение слева), эмбрион дрозофилы, конфокальная микроскопия центральной нервной системы (изображение справа)

Нелинейная микроскопия позволяет визуализировать биологические процессы в клетках и тканях без использования меток и с молекулярной специфичностью. Многофотонная природа этих процессов визуализации приводит к увеличению разрешения изображения и уменьшению фотообесцвечивания вне фокуса (рис. 4).

Рисунок 4: Энергетические диаграммы для 2^nd и 3^rd заказать методы оптической визуализации (изображение слева), множественная флуоресцентная визуализация 2PE. Множественное флуоресцентное изображение 2PE из криостатного среза кишечника мыши размером 16 мкм, окрашенного комбинацией флуоресцентных красителей (F-24631, Molecular Probes) (изображение справа)

ОКТ получает сигнал из низкокогерентной интерференции между эталонным лучом и рассеянным, отраженным от ткани светом, что позволяет формировать 2D- и 3D-изображения (рис. 5).

Рисунок 5: Типичная оптическая схема одноточечной ОКТ. Сканирование светового луча на образце позволяет получить неинвазивное изображение поперечного сечения глубиной до 3 мм с микрометровым разрешением (изображение слева), ОКТ-сканирование сетчатки на длине волны 800 нм с осевым разрешением 3 мкм (изображение справа).

Оптические методы визуализации используются преимущественно в бывших естественных условиях среды или в естественных условиях если интересующая ткань легкодоступна и поверхностна. Комбинированные методы визуализации могут предоставить клиницистам расширенную информацию как в макро-, так и в микромасштабе (рис. 6), что приведет к более быстрому принятию обоснованных решений.

Рисунок 6: Осевое разрешение и глубина визуализации для различных режимов визуализации

Чтобы сделать оптические технологии более актуальными в клинической среде, необходимо решить проблему глубины изображения. Одной из многообещающих разработок, направленных на глубину визуализации, является доставка оптических изображений с помощью волоконно-оптических зондов для минимальной инвазивности.

Биомедицинская визуализация является ценным инструментом, используемым для создания визуальных представлений о биологических процессах, предоставляя важную информацию для клиницистов и исследователей. Достижения в технологиях оптической визуализации позволяют улучшить результаты лечения и расширить научные знания — будущее клинической визуализации выглядит светлым.

Источники

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

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

Рисунок 3:

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

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

Рисунок 4:

Слева – СтарФиш Медикал

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

Рисунок 5:

Слева — https://commons.wikimedia.org/wiki/File:OCT_B-Scan_Setup.GIF

Справа — https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Retina-OCT800.png

Рисунок 6: Медицинская компания StarFish

Рекомендации

[1] Национальный институт биомедицинской визуализации и биоинженерии (NIBIB), «Оптическая визуализация», [онлайн]. Доступный: https://www.nibib.nih.gov/science-education/science-topics/optical-imaging. [По состоянию на 28 апреля 2023 г.]. [2] Высшая школа прикладных наук Кобленца, «Введение в оптику тканей», [онлайн]. Доступный: https://www.hs-koblenz.de/mut/forschung-projekte/labore-projekte/labor-fuer-biomedizinische-optik/forschung/introduction-to-tissue-optics. [По состоянию на 24 апреля 2023 г.]. [3] Яшин и др. al., «От редакции: оптическая визуализация и лазерные технологии в нейроонкологии», [онлайн]. Доступный: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fonc.2022.1103711/full. [По состоянию на 21 апреля 2023 г.].

Тэмми Ли — инженер оптических систем. Она имеет более чем десятилетний коммерческий опыт исследований и разработки оптических систем. Она имеет докторскую степень. в оптике из Университета Рочестера.

---

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• ПлатонАйСтрим. Анализ данных Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Чеканка будущего с Эдриенн Эшли. Доступ здесь.
• Покупайте и продавайте акции компаний PREIPO® с помощью PREIPO®. Доступ здесь.
• Источник: https://starfishmedical.com/blog/optical-biomedical-imaging-devices/