In een belangrijke stap in de richting van endoscopische diagnose van kanker, onderzoekers hebben een draagbare glasvezelsonde ontwikkeld die kan worden gebruikt om meerdere niet-lineaire beeldvormingstechnieken uit te voeren zonder dat weefselkleuring nodig is. De nieuwe multimodale beeldvormingssonde maakt gebruik van een ultrasnelle laser om niet-lineaire optische effecten in weefsel te creëren die kanker en andere ziekten kunnen onthullen.

Vandaag, kanker wordt meestal gediagnosticeerd door een stukje weefsel te verwijderen met een biopsie en dat weefsel vervolgens naar een speciaal opgeleide patholoog te sturen die het weefsel kleurt en een microscoop gebruikt om kankercellen te zoeken. De mogelijkheid voor artsen om de biopsie over te slaan en een multimodale beeldvormende endoscoop te gebruiken om kanker ter plaatse te diagnosticeren, zou waardevolle tijd besparen en zou chirurgen ook in staat kunnen stellen gemakkelijker onderscheid te maken tussen kankerachtig en gezond weefsel tijdens operaties.

Met de nieuwe sonde beeldvormingstechnieken waarvoor voorheen omvangrijke tafelinstrumenten nodig waren, kunnen worden uitgevoerd met een handapparaat met een diameter van slechts 8 millimeter, ongeveer dezelfde diameter als een balpen. Indien verder geminiaturiseerd, de sonde kan gemakkelijk worden geïntegreerd in een endoscoop voor niet-lineaire multimodale beeldvorming in het lichaam.

"We hopen dat, op een dag, multimodale endoscopische beeldvormingstechnieken kunnen artsen helpen bij het nemen van snelle beslissingen tijdens operaties, zonder de noodzaak om biopsieën te nemen, kleurbehandelingen gebruiken of complexe histopathologische procedures uitvoeren, " zei Jurgen Popp, van het Leibniz Instituut voor Fotonische Technologie in Jena, Duitsland en de hoofdauteur van de krant.

De onderzoekers beschrijven hun nieuwe handheld-sonde in optiek , Het tijdschrift van de Optical Society voor onderzoek met een hoge impact. Het is de eerste geminiaturiseerde sonde voor multimodale biologische beeldvorming die een multicore-beeldvormingsvezel bevat, een type optische vezel bestaande uit enkele duizenden lichtgeleidende elementen. Met deze speciale beeldvezel konden de onderzoekers alle bewegende delen en elektrische stroom buiten de sondekop houden, waardoor de sonde gemakkelijk en veilig in het lichaam te gebruiken is.

De onderzoekers hebben de sonde getest met veel soorten weefselmonsters, maar omdat het momenteel is ontworpen voor vooruitkijken, de primaire toepassingen van de sonde zijn waarschijnlijk huid, hersen- of hoofd-halschirurgie. Ze werken aan de implementatie van een zijaanzichtmodus die kan worden gebruikt om holle organen en slagaders zoals de dikke darm te onderzoeken, blaas of aorta.

Een mini microscoop

"De nieuwe sonde dient als een geminiaturiseerde microscoop die nabij-infraroodlasers gebruikt om weefsel te onderzoeken, " zei Popp. "Verschillende componenten van biologisch weefsel reageren anders op de excitatielasers, en hun unieke reactie geeft ons informatie over de moleculaire samenstelling en morfologie in het weefsel."

De draagbare multimodale beeldsonde kan tegelijkertijd verschillende soorten beelden verkrijgen:coherente anti-stokes Raman-verstrooiing, tweede harmonische generatie en door twee fotonen opgewekte autofluorescentie. Deze niet-lineaire beeldvormingstechnieken zijn nuttig gebleken voor klinische diagnostiek, inclusief het identificeren van kankercellen, maar het was moeilijk om de vereiste instrumenten voor gebruik in het lichaam te miniaturiseren.

De verkleinde grootte van de sonde komt van het gebruik van de gradiëntindex, of GRIJN, lenzen om het laserlicht te focussen. Vergeleken met traditionele sferische lenzen die ingewikkeld gevormde oppervlakken gebruiken om licht te focussen, GRIN-lenzen kunnen heel klein worden gemaakt omdat ze licht focussen door continue brekingsindexveranderingen in het lensmateriaal. Het onderzoeksteam van Popp werkte samen met wetenschappers van Grintech Gmbh die GRIN-lenzen met een diameter van slechts 1,8 millimeter ontwierpen en hielpen bij het incorporeren van de robuuste lensconstructie in een kleine aluminium behuizing.

Endoscopen die zijn ontworpen voor niet-lineaire beeldvorming, gebruiken gewoonlijk bewegende spiegels en elektromechanische apparaten voor punt-voor-punt laserscannen in de sondekop. Door de multicore-beeldvormingsvezel te gebruiken, konden de onderzoekers de grootte van het apparaat verder verkleinen door de laserscan uit de sondekop en weg van de monsterlocatie te verplaatsen. Omdat de vezel duizenden lichtgeleidende elementen bevat, of kernen, behoud de ruimtelijke relatie van het licht tussen de twee uiteinden van de vezel, het scannen kan worden uitgevoerd aan het andere uiteinde van de vezel, waardoor een endoscopische benadering veel gemakkelijker wordt.

"Vergeleken met andere endoscopische niet-lineaire beeldvormingsbenaderingen, onze fibersonde onderscheidt zich door zijn eenvoud, " zei Popp. "Omdat er geen bewegende delen in de sondekop zijn verwerkt, mogelijke uitlijnfouten in de optica zijn beperkt en de totale levensduur van de sonde wordt verlengd."

Multimodale beeldvorming van weefsel

De onderzoekers demonstreerden de unieke mogelijkheden van de multicore-beeldvormingsvezel door het ene uiteinde van de sonde over een monster te bewegen en de verkregen beelden naar het andere uiteinde over te brengen. "Dit is geen triviale taak, aangezien de kernen van de beeldvezel verschillen in grootte en vorm, het belemmeren van efficiënte en homogene koppeling van de excitatielasers, "zei Popp. "Bovendien, we hadden te maken met ongewenste effecten zoals verschillende golflengten die interageren in de vezel en kern-tot-kern lichtkoppeling."

Ze toonden ook aan dat de sonde afzonderlijke coherente anti-stokes Raman-verstrooiing kon verwerven, tweede harmonische generatie en twee-foton-geëxciteerde autofluorescentiebeelden van gezonde menselijke huidweefselmonsters met een resolutie van 2048 bij 2048 pixels voor een gescand gebied van 300 bij 300 micron. Deze resolutie en gezichtsveld is voldoende voor het identificeren van tumorgrenzen, en de sonde kan over het weefseloppervlak worden bewogen om een ​​overzicht van het getroffen gebied te krijgen.

De onderzoekers werken aan het gebruik van algoritmen om de kwaliteit van de multimodale beelden te verbeteren, die korrelig lijken vanwege de structuur van de multicore-beeldvormingsvezel. Als volgende stap, ze zijn van plan de sonde te testen in diermodellen en met patiënten in een klinische setting.