«Вместо того, чтобы собирать коммерчески доступные оптику и датчики для создания камеры для хирургии под визуальным контролем, мы вдохновлялись визуальными системами природы», — сказал руководитель исследовательской группы Виктор Груев из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн. «Морфо-бабочка, глаза которой содержат наноструктуры, воспринимающие многоспектральную информацию, может одновременно получать информацию как в ближнем инфракрасном диапазоне, так и в цвете».В Optica, журнале высокоэффективных исследований Оптического общества, исследователи демонстрируют, что их биоинспирированная камера может обнаруживать опухоли у животных и полезна для оценки стадии рака груди у людей. Новая камера предлагает очень чувствительное обнаружение флуоресценции даже при стандартном освещении операционной, весит меньше, чем батарея AA, и может быть произведена примерно за 20 долларов.
«Во время операции абсолютно необходимо удалить все раковые ткани, и мы создали платформу визуализации, которая может помочь хирургам сделать это в любой больнице по всему миру, потому что она небольшая, компактная и недорогая», — сказал Груев. «Несмотря на то, что мы обратились к приборостроению, флуоресцентные маркеры, предназначенные для лечения рака и одобренные для использования на людях, необходимы нашей технологии, чтобы найти широкое применение. Некоторые из них сейчас проходят клинические испытания, поэтому мы должны вскоре увидеть прогресс в этой области. "Учиться у природыНовая камера значительно превосходит современные камеры, одобренные Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) для просмотра флуоресцентных маркеров во время операции.
Многим существующим камерам ближнего инфракрасного диапазона не хватает чувствительности для обнаружения маркеров флуоресценции в хирургических условиях, поэтому для просмотра флуоресценции необходимо приглушить свет в комнате.Другая проблема современных инфракрасных формирователей изображения заключается в том, что флуоресцентное изображение не всегда точно совмещено или совмещено с тканью, из которой оно возникает. Это происходит потому, что инструменты, одобренные FDA, используют несколько оптических элементов, таких как светоделители и релейные линзы, для разделения видимых и инфракрасных длин волн, так что каждый из них может быть направлен на отдельные детекторы. Незначительные изменения температуры в комнате могут повлиять на оптику в этих инструментах, вызывая смещения изображений, которые могут привести к тому, что хирург пропустит раковые ткани, при этом без необходимости удаляя проблемы со здоровьем.
«Мы поняли, что проблемы сегодняшних инфракрасных формирователей изображения могут быть смягчены с помощью наноструктур, подобных тем, что есть в морфо-бабочке», — сказала Мисаэль Гарсия, научный сотрудник Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн и ведущий автор статьи. «Их составные глаза содержат фоторецепторы, расположенные рядом друг с другом, так что каждый фоторецептор воспринимает разные длины волн света таким образом, который внутренне регистрируется».В новой камере используется установка, аналогичная глазу бабочки, за счет чередования различных наноразмерных структур с массивом фотодетекторов, что позволяет собирать информацию о цвете и флуоресценции в ближнем инфракрасном диапазоне на одном устройстве формирования изображений. Интеграция детектора и оптики формирования изображений в единый монолитный датчик делает устройство компактным, недорогим и нечувствительным к изменениям температуры.Конструкция уникальным образом решает проблему чувствительности, позволяя каждому пикселю принимать количество фотонов, необходимое для создания изображения.
Создание визуального изображения с длиной волны для просмотра анатомии не займет много времени, так как видимое освещение в лаборатории велико. С другой стороны, поскольку флуоресценция обычно тусклая, требуется больше времени, чтобы собрать достаточное количество фотонов для создания достаточно яркого изображения. Изменяя время экспозиции, чтобы позволить каждому пикселю обнаруживать необходимые фотоны, можно создать яркое флуоресцентное изображение без передержки цветного изображения ткани.Доклинические и клинические испытания
Исследователи протестировали свой новый инструмент на модели мыши, у которой развивается спонтанный рак груди. Это означает, что точное место, где будет расти рак, неизвестно, как и количество раковых клеток. Используя флуоресцентные метки, которые связываются с раковыми клетками, исследователи показали, что их биоинспирированный имидж-сканер позволяет обнаруживать опухоли с точностью и чувствительностью, превосходящей современные инфракрасные камеры, одобренные FDA для хирургии под визуальным контролем.
Исследователи также проверили способность своей инфракрасной камеры определять лимфатические узлы у 11 пациентов с раком груди в Медицинской школе Вашингтонского университета в Сент-Луисе. Поскольку лимфатические узлы являются одним из основных мест распространения рака груди, хирурги проверяют их, чтобы определить стадию рака. Пациентам вводили одобренный FDA флуоресцентный краситель индоцианиновый зеленый, который пассивно накапливается в лимфатических узлах, а затем флуоресцентные изображения с биоинспирированного имидж-сканера отображались либо на экране, либо проецировались на очки, которые носили хирурги.
«Мы показали, что при ярком хирургическом освещении наш инструмент в 1000 раз более чувствителен к флуоресценции, чем тепловизоры, одобренные в настоящее время для хирургии под контролем инфракрасного изображения», — сказал Груев. «Поскольку биоинспирированный имидж-сканер может обнаруживать флуоресценцию глубоко в ткани, он ускоряет процесс идентификации лимфатических узлов и помогает хирургам находить лимфатические узлы, которые нельзя увидеть только зрением».По словам исследователей, биоинспирированный имидж-сканер будет полезен для удаления различных типов рака, включая меланомы, рак простаты и рак головы и шеи. Из-за своего небольшого размера его также можно интегрировать в эндоскоп, например, для поиска рака во время колоноскопии.«Одним из больших преимуществ нашего инструмента является его компактный размер, — сказал Гарсия. «Мы протестировали наш инструмент в больнице, где места было мало, и убедились, что он не мешает хирургическому процессу».
В настоящее время исследователи создают новую компанию для коммерциализации своего биоинспирированного имидж-сканера, а также работают с FDA над разработкой клинического испытания, в котором хирурги могут сравнить клинические решения, принятые с помощью нового имидж-сканера, с теми, которые будут приняты с одобренным FDA. тепловизоры.