Nowy endoskop widzi, co kryje się pod spodem

Endoskop wyposażony w laser na podczerwień i maleńkie lusterko może pewnego dnia pomóc lekarzom w diagnozowaniu wczesnych objawów raka i innych chorób oraz w chirurgii. Badacz z University of Florida zaprojektował prototypowe urządzenie, które rejestruje obrazy do dwóch milimetrów pod powierzchnią tkanek, zapewniając trójwymiarowe obrazy o wysokiej rozdzielczości przy prędkościach wideo.

Zakres podpowierzchniowy: Nowy prototyp endoskopu wykonuje obrazy pod powierzchnią narządów i tkanek. Luneta działa poprzez maleńkie lustro o wymiarach jeden na jeden milimetr (powyżej), które obraca się, odbijając wiązkę laserową, tworząc mikroskopijne, trójwymiarowe obrazy. Obecny prototyp jest węższy niż szerokość dziesięciocentówki (poniżej).

W typowej endoskopii lekarze przeciągają długie, cienkie włókno wyposażone w kamerę przez drogi oddechowe lub przewód pokarmowy pacjenta w celu wykrycia nieprawidłowości. Obrazy wyświetlane na monitorze w czasie rzeczywistym mogą wykazywać oznaki infekcji, krwawienia wewnętrzne, owrzodzenia i guzy na powierzchni tkanek. Ale dzisiejsze endoskopy pokazują tylko powierzchowny obraz – nie ujawniają tego, co dzieje się pod powierzchnią, na przykład wczesnego rozwoju nowotworu.

Osiemdziesiąt pięć procent nowotworów pochodzi z nabłonka, który ma głębokość około dwóch milimetrów, mówi Huikai Xie , profesor nadzwyczajny inżynierii elektrycznej i komputerowej oraz dyrektor Laboratorium Biofotoniki i Mikrosystemów . Oprócz możliwości wykrywania wczesnych oznak raka, mówi, zakres może okazać się przydatny jako narzędzie chirurgiczne, pomagając chirurgom określić, jak głęboko guz jest osadzony w tkance. Jeśli musisz usunąć guz, chirurdzy mają trudności z określeniem, kiedy przestać. Dzięki narzędziu działającemu w czasie rzeczywistym w wysokiej rozdzielczości będą pewni.

John Saltzman, gastroenterolog i dyrektor endoskopii w Brigham and Women’s Hospital, mówi, że taka technika pomogłaby zidentyfikować wczesne objawy raka, szczególnie w przełyku. Na przykład w stanie zwanym przełykiem Baretta komórki wyściełające przełyk ulegają zmianie, która zwiększa ryzyko zachorowania na raka, mówi Saltzman, który nie jest zaangażowany w badania. Ta technologia byłaby dla nas zaletą w wykrywaniu takich nieprawidłowości.

Zamiast maleńkiej kamery na końcu, endoskop Xie jest wyposażony w skaner na podczerwień i maleńkie lusterko, które skanuje tkankę warstwa po warstwie, aby zapewnić trójwymiarowy obraz o mikroskopowej rozdzielczości. Technika ta opiera się na metodzie zwanej optyczną tomografią koherentną (OCT) – gdy laser przechodzi przez ramię lunety OCT, uderza w tkankę i odbija część światła z powrotem, podczas gdy reszta się rozprasza. Różne tkanki, takie jak rak w porównaniu z normalną tkanką, w różny sposób odbijają światło. Interferometr mierzy światło odbite i odejmuje światło rozproszone. Zmiana długości ramienia zmienia głębokość, na której światło jest bezpośrednio odbijane z powrotem, tworząc obrazy różnych warstw, które razem tworzą trójwymiarowy obraz. Metoda ta jest podobna do technologii ultradźwiękowej i często nazywana jest ultradźwiękami optycznymi.

Obecnie OCT stosuje się w optometrii do obrazowania siatkówki pod kątem oznak jaskry i zwyrodnienia plamki żółtej. Ta technologia, używana do skanowania na zewnątrz ciała, obejmuje nieporęczny sprzęt, który wymaga dużej mocy. Dopiero niedawno naukowcy przyjrzeli się zmniejszeniu technologii do mikroskali, które można umieścić w ludzkim ciele. Wyzwanie polegało na tym, aby technologia była wystarczająco mała, aby zmieściła się w ludzkich drogach oddechowych, przy użyciu bardzo małych ilości napięcia do skanowania światła podczerwonego.

Prototyp Xie wykorzystuje podejście oparte na MEMS (system mikroelektromechaniczny), skoncentrowane na maleńkim lustrze o wymiarach jeden na jeden milimetr. Xie i jego uczniowie zaprojektowali lustro z malutkimi siłownikami lub mechanicznymi wspornikami, które obracają lustro. Gdy światło podczerwone dociera do endoskopu, lustro kieruje światło w przód iw tył, oświetlając kawałek tkanki. Odbite światło odbija się od endoskopu i jest analizowane oraz przedstawiane na ekranie w czasie rzeczywistym.

Lustro może obracać się o 200 obrotów na sekundę pod kątem 100 stopni, umożliwiając szybkie obrazowanie w czasie rzeczywistym. Xie przetestował oscyloskop na szczurach, wykonując trójwymiarowe obrazy języków szczura i myszy.

Prototyp jest nadal zbyt duży, aby można go było wykorzystać u ludzi – wymaga całkowitej średnicy 5 milimetrów, aby zmieścić wszystkie jego części. Jednak Xie planuje dalszą miniaturyzację projektu i przetestuje model na większych zwierzętach, takich jak świnie i kozy, w przyszłym roku. Niedawno założył firmę, WiOptix i poszukuje funduszy od National Institutes of Health, aby pomóc w komercjalizacji tej technologii.

Eric Seibel , profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej i dyrektor Laboratorium fotoniki człowieka na Uniwersytecie Waszyngtońskim mówi, że klinicyści musieliby zostać przeszkoleni w interpretacji obrazów OCT, które bardziej przypominają obrazy ultrasonograficzne niż obrazy wizualne uzyskane z kamer wideo. Dodaje, że rozmiar będzie decydował o tym, czy endoskopy oparte na OCT będą działać. [Ten projekt] jest nieco bardziej oszczędny pod względem przestrzeni, ale nadal ma ponad pięć milimetrów, mówi Seibel. Jeszcze nie do końca, ale to krok we właściwym kierunku.

ukryć