Onderzoekers hebben aangetoond dat bestaande optische vezeltechnologie kan worden gebruikt om microscopische 3D-beelden van weefsel in het lichaam te maken, de weg vrijmaakt voor 3D optische biopsieën.

In tegenstelling tot normale biopsieën waarbij weefsel wordt geoogst en naar een laboratorium wordt gestuurd voor analyse, Met optische biopsieën kunnen clinici levend weefsel in het lichaam in realtime onderzoeken.

Deze minimaal invasieve benadering maakt gebruik van ultradunne micro-endoscopen om in het lichaam te kijken voor diagnose of tijdens operaties, maar produceert normaal gesproken alleen tweedimensionale beelden.

Onderzoek geleid door RMIT University in Melbourne, Australië, heeft nu het 3D-potentieel van de bestaande micro-endoscooptechnologie onthuld.

Gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , de ontwikkeling is een cruciale eerste stap naar 3D optische biopsieën, diagnose en precisiechirurgie te verbeteren.

Hoofdauteur Dr. Antony Orth zei dat de nieuwe techniek een lichtveldbeeldvormingsbenadering gebruikt om microscopische beelden in stereovisie te produceren, vergelijkbaar met de 3D-films die u bekijkt met een 3D-bril.

"Stereovisie is het natuurlijke formaat voor het menselijk zicht, waarbij we vanuit twee verschillende gezichtspunten naar een object kijken en deze in onze hersenen verwerken om diepte waar te nemen, " zei Orth, een Research Fellow in het RMIT-knooppunt van het ARC Center of Excellence for Nanoscale BioPhotonics (CNBP).

"We hebben laten zien dat het mogelijk is om iets soortgelijks te doen met de duizenden kleine optische vezels in een micro-endoscoop.

"Het blijkt dat deze optische vezels van nature beelden vastleggen vanuit meerdere perspectieven, geeft ons dieptewaarneming op microschaal.

"Onze aanpak kan al die microscopische beelden verwerken en de gezichtspunten combineren om een ​​diepte-gerenderde visualisatie te leveren van het weefsel dat wordt onderzocht - een beeld in drie dimensies."

Hoe het werkt

Uit het onderzoek bleek dat glasvezelbundels 3D-informatie doorgeven in de vorm van een lichtveld.

De uitdaging voor de onderzoekers was toen om de geregistreerde informatie te benutten, ontcijfer het en produceer een beeld dat logisch is.

Hun nieuwe techniek overwint niet alleen die uitdagingen, het werkt zelfs wanneer de optische vezel buigt en buigt - essentieel voor klinisch gebruik in het menselijk lichaam.

De aanpak is gebaseerd op principes van lichtveldbeeldvorming, waar traditioneel meerdere camera's bekijken dezelfde scène vanuit iets verschillende perspectieven.

Lichtveldbeeldvormingssystemen meten de hoek van de stralen die elke camera raken, het vastleggen van informatie over de hoekverdeling van licht om een ​​"multi-viewpoint-beeld" te creëren.

Maar hoe leg je deze hoekinformatie vast via een optische vezel?

"De belangrijkste observatie die we hebben gedaan, is dat de hoekverdeling van licht subtiel verborgen is in de details van hoe deze optische vezelbundels licht doorlaten, ' zei Orth.

"De vezels 'herinneren' zich in wezen hoe licht in eerste instantie naar binnen werd gestuurd - het lichtpatroon aan de andere kant hangt af van de hoek waaronder licht de vezel binnenkwam."

Met dit in gedachten, RMIT-onderzoekers en collega's ontwikkelden een wiskundig raamwerk om de outputpatronen te relateren aan de lichtstraalhoek.

"Door de hoek te meten van de stralen die het systeem binnenkomen, we kunnen de 3D-structuur van een microscopisch fluorescerend monster achterhalen met alleen de informatie in een enkele afbeelding, "Professor Brant Gibson, hoofdonderzoeker en adjunct-directeur van de CNBP, zei.

"Dus die optische vezelbundel werkt als een geminiaturiseerde versie van een lichtveldcamera.

"Het opwindende is dat onze aanpak volledig compatibel is met de optische vezelbundels die al in klinisch gebruik zijn, dus het is mogelijk dat 3D optische biopsieën eerder vroeger dan later werkelijkheid worden."

Naast medische toepassingen, het ultradunne lichtveldbeeldvormingsapparaat zou mogelijk kunnen worden gebruikt voor in vivo 3D-fluorescentiemicroscopie in biologisch onderzoek.