Теперь ученые Стэнфордского университета выяснили, как дооснастить эти высокопроизводительные машины стандартными компонентами, увеличив разрешение ОКТ в несколько раз и обещая более раннее обнаружение повреждений сетчатки и роговицы, зарождающихся опухолей и многого другого.Относительно простое и недорогое исправление, включающее в себя пару линз, кусок матового стекла и некоторые настройки программного обеспечения, стирает пятна, которые искажали изображения, полученные с помощью OCT с момента его изобретения в 1991 году. Это улучшение в сочетании с возможностями технологии оптически проникать в ткань на глубину до 2 миллиметров, может позволить врачам выполнять «виртуальную биопсию», визуализируя ткань в трех измерениях с разрешением, как у микроскопа, без удаления каких-либо тканей у пациентов.
В исследовании, которое будет опубликовано в Интернете 20 июня в журнале Nature Communications, исследователи протестировали усиление на двух различных коммерчески доступных устройствах OCT. Они смогли увидеть особенности клеточного масштаба в неповрежденных тканях, в том числе в ухе живой мыши и на кончике пальца человека, сказал старший автор исследования Адам де ла Зерда, доктор философии, доцент структурной биологии.
Ведущий автор исследования — аспирант-электротехник Орли Либа.Повышение разрешения с минимальным вмешательством«Мы показали, что вы можете эффективно использовать любую существующую систему OCT и с минимальными изменениями повысить ее разрешение до такой степени, что она может обнаруживать анатомические особенности, меньшие, чем размер типичной клетки», — сказал де ла Зерда.OCT — это бизнес на миллиард долларов. Ежегодно выполняется более 10 миллионов ОКТ-сканирований для диагностики или мониторинга состояний от возрастной дегенерации желтого пятна до меланомы.
Технология адаптирована для эндоскопического использования в легочной, желудочно-кишечной и сердечно-сосудистой медицине.В некоторой степени аналогично ультразвуку, ОКТ проникает в ткани оптически, а не с помощью звуковых волн. Устройство направляет лучи лазерного света на объект — скажем, образец ткани или глаз пациента — и записывает, что возвращается, когда свет отражается от отражающих элементов в образце или глазном яблоке. Регулируя глубину проникновения, пользователь может сканировать слой за слоем ткани и, складывая виртуальные срезы ткани друг на друга, собирать их для создания объемного изображения.
Но по сей день ОКТ по-прежнему страдает от шума, который, в отличие от случайного шума, генерируемого любой сенсорной системой, не может быть «смыт» простым повторным отображением интересующего объекта и усреднением результатов с помощью компьютера. программа.Шум, создаваемый ОКТ, называемый «спекл», является неотъемлемой особенностью архитектуры просматриваемого объекта и уникальных свойств лазерного света.Фотон — это не просто частица.
Это также волна, сила которой нарастает и ослабевает по мере продвижения, как океанская волна, движущаяся к берегу. Когда две волны сталкиваются, их общая высота в момент их столкновения зависит от того, была ли каждая из них на пике, в своей впадине или где-то посередине.Когда фотоны выходят из фазыФотоны, составляющие луч лазерного света, находятся в фазе: они имеют одинаковую длину волны, а их пики и впадины происходят синхронно.
Но когда эти фотоны отражаются от двух отдельных поверхностей — скажем, от двух близко расположенных компонентов клетки — длина их обратных путей немного отличается, поэтому они больше не в фазе. Теперь они могут мешать друг другу, как пересекающиеся океанские волны. Они могут нейтрализовать друг друга, создавая ложно-черные точки на результирующем изображении.
Или они могут усиливать друг друга, создавая ложно-белое пятно. Если положения компонентов, образующих спеклы, фиксированы, как в случае с большинством тканей (за исключением циркулирующей крови), те же самые спеклы будут появляться в одних и тех же местах при каждом последующем сканировании ОКТ.
«Другие исследователи пробовали различные исправления, такие как многократное сканирование под разными углами или из последовательных соседних позиций или со смещением длин волн, или« удаление »пятен с помощью компьютерной постобработки», — сказал де ла Зерда. «Но результат всегда один и тот же: размытое изображение». Это как прикрыть веснушки слоем макияжа: более гладкий вид за счет потери деталей.
В принципе, если бы вы могли протянуть руку молекулярным пинцетом и немного сдвинуть один из этих двух мешающих компонентов, вы бы изменили картину спеклов. Но ты не можешь. Однако ученые из Стэнфорда нашли способ сделать, по сути, то же самое, говоря оптически.
«Мы хотели заставить пятнышки танцевать, чтобы каждый раз, когда мы сканировали ткани, они имели немного другой узор», — сказала Либа. «И мы нашли способ сделать это».Создание виртуального образа
Поместив пару дополнительных линз в поле зрения ОКТ-устройства, исследователи смогли создать второе изображение — голографически точный двойник просматриваемого образца, который появлялся в другом месте вдоль луча зрения, между добавленными линзами и пример. Вставив то, что они называют «диффузором» — стеклянную пластину, которой они придавили шероховатость, произвольно протравив в ней крошечные бороздки, — в нужную точку на линии обзора и методично перемещая ее между каждым раундом повторных сканирований, они достигли оптического эквивалента сдвига географического соотношения компонентов образца лишь на крошечный бит при каждом сканировании.
Теперь усреднение последовательных изображений удалило крапинки. Команда из Стэнфорда использовала полученные в результате расширенные возможности для получения подробных, практически бесшумных изображений уха живой обезболенной мыши.
«Мы видели сальные железы, волосяные фолликулы, кровеносные, лимфатические сосуды и многое другое», — сказала Либа.Они также получили изображения сетчатки и роговицы мыши с высоким разрешением. А взгляд без разреза на кончик пальца одного из соавторов исследования позволил им увидеть анатомическую особенность, никогда ранее не замеченную с помощью ОКТ: тельце Мейснера, нервный пучок, ответственный за тактильные ощущения.По словам де ла Зерда, технический прогресс решает проблему 25-летней давности, которая постоянно ограничивает диагностические возможности OCT.
Работа является примером того, как Стэнфордская медицина уделяет особое внимание точному здоровью, цель которого — предвидеть и предотвращать заболевания у здоровых, а также точно диагностировать и лечить болезни у больных.