De diagnose van ziekten op basis van interne organen is vaak afhankelijk van biopsiemonsters die zijn verzameld in getroffen regio's. Maar het verzamelen van dergelijke monsters is zeer foutgevoelig vanwege het onvermogen van de huidige endoscopische beeldvormingstechnieken om de plaatsen van de ziekte nauwkeurig te visualiseren. De conventionele optische elementen in katheters die worden gebruikt om toegang te krijgen tot moeilijk bereikbare delen van het lichaam, zoals het maagdarmkanaal en de longen, zijn gevoelig voor aberraties die de volledige mogelijkheden van optische beeldvorming belemmeren.

Nutsvoorzieningen, experts in endoscopische beeldvorming in het Massachusetts General Hospital (MGH) en pioniers van platte metalens-technologie aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), hebben samengewerkt om een ​​nieuwe klasse van endoscopische beeldvormende katheters te ontwikkelen - nano-optische endoscopen genaamd - die de beperkingen van de huidige systemen overwinnen.

Het onderzoek is beschreven in Natuurfotonica .

"Klinische acceptatie van veel geavanceerde endoscopische microscopiemodaliteiten is belemmerd vanwege de moeilijkheid om miniatuurkatheters te ontwerpen die dezelfde beeldkwaliteit bereiken als omvangrijke desktopmicroscopen, " zei Melissa Suter, een assistent-professor geneeskunde aan MGH en Harvard Medical School (HMS) en co-senior auteur van het artikel. "Het gebruik van nano-optische katheters die metalenses in hun ontwerp opnemen, zal waarschijnlijk het landschap van het ontwerp van optische katheters veranderen, resulterend in een dramatische verbetering van de kwaliteit, oplossing, en functionaliteit van endoscopische microscopie. Dit zal uiteindelijk de klinische bruikbaarheid vergroten door een meer verfijnde beoordeling van de cel- en weefselmicrostructuur bij levende patiënten mogelijk te maken."

"Metalenses op basis van platte optica zijn een baanbrekende nieuwe technologie omdat de controle van beeldvervormingen die nodig zijn voor beeldvorming met hoge resolutie eenvoudig is in vergelijking met conventionele optica, waarvoor meerdere complex gevormde lenzen nodig zijn, " zei Federico Capasso, de Robert L. Wallace Professor of Applied Physics en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering bij SEAS en co-senior auteur van het artikel. "Ik ben ervan overtuigd dat dit zal leiden tot een nieuwe klasse van optische systemen en instrumenten met een breed scala aan toepassingen op veel gebieden van wetenschap en technologie"

"De veelzijdigheid en ontwerpflexibiliteit van de nano-optische endoscoop verhoogt de endoscopische beeldvormingsmogelijkheden aanzienlijk en zal waarschijnlijk van invloed zijn op diagnostische beeldvorming van interne organen, " zei Hamid Pahlevaninezhad, Instructeur in de geneeskunde bij MGH en HMS en co-eerste auteur van het artikel. "We hebben een voorbeeld van dergelijke mogelijkheden gedemonstreerd om beeldvorming met hoge resolutie te bereiken met een sterk uitgebreide scherptediepte."

Om de beeldkwaliteit van de nano-optische endoscoop aan te tonen, de onderzoekers beeldden vruchtvlees af, luchtwegen van varkens en schapen, en menselijk longweefsel. Het team toonde aan dat de nano-optische endoscoop diep in het weefsel kan worden afgebeeld met een aanzienlijk hogere resolutie dan de huidige ontwerpen van beeldvormende katheters.

De beelden van de nano-optische endoscoop tonen duidelijk celstructuren in vruchtvlees en weefsellagen en fijne klieren in de bronchiale mucosa van varkens en schapen. In het menselijk longweefsel, konden de onderzoekers duidelijk structuren identificeren die overeenkomen met fijne, onregelmatige klieren die wijzen op de aanwezigheid van adenocarcinoom, de meest prominente vorm van longkanker.

"Momenteel, we zijn overgeleverd aan materialen waar we geen controle over hebben om lenzen met hoge resolutie te ontwerpen voor beeldvorming, " zei Yao-Wei Huang, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en co-eerste auteur van het artikel. "Het belangrijkste voordeel van de metalens is dat we de specificaties ervan kunnen ontwerpen en aanpassen om sferische aberraties en astigmatisme te overwinnen en een zeer fijne focus van het licht te bereiken. Als resultaat, we bereiken een zeer hoge resolutie met uitgebreide scherptediepte zonder de noodzaak van complexe optische componenten."

Volgende, onderzoekers willen andere toepassingen voor de nano-optische endoscoop verkennen, inclusief een polarisatiegevoelige nano-optische endoscoop, die kunnen contrasteren tussen weefsels met sterk georganiseerde structuren, zoals gladde spieren, collageen en bloedvaten.