Biomedische ingenieurs aan de Duke University hebben een methode ontwikkeld om de resolutie van optische coherentietomografie (OCT) te verhogen tot een enkele micrometer in alle richtingen, zelfs bij een levende patiënt. De nieuwe techniek, optische coherentie-brekingstomografie (OCRT) genoemd, zou medische beelden kunnen verbeteren die zijn verkregen in de OCT-industrie van miljarden dollars voor medische gebieden variërend van cardiologie tot oncologie.

De resultaten verschijnen in een paper die op 19 augustus online is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfotonica .

"Een historisch probleem met OCT is dat de diepteresolutie doorgaans meerdere keren beter is dan de laterale resolutie, " zei Joseph Izatt, de Michael J. Fitzpatrick Professor of Engineering aan Duke. "Als de lagen van afgebeelde weefsels toevallig horizontaal zijn, dan zijn ze goed gedefinieerd in de scan. Maar om de volledige kracht van OCT uit te breiden voor live-beeldvorming van weefsels door het hele lichaam, een methode voor het overwinnen van de afweging tussen laterale resolutie en diepte van beeldvorming was nodig."

OCT is een beeldvormingstechnologie analoog aan echografie die gebruik maakt van licht in plaats van geluidsgolven. Een sonde schiet een lichtstraal in een weefsel en, gebaseerd op de vertragingen van de lichtgolven als ze terugkaatsen, bepaalt de grenzen van de functies binnen. Om een ​​volledig beeld te krijgen van deze structuren, het proces wordt herhaald op vele horizontale posities over het oppervlak van het weefsel dat wordt gescand.

Omdat OCT een veel betere resolutie van diepte biedt dan laterale richting, het werkt het beste als deze objecten voornamelijk platte lagen bevatten. Wanneer objecten in het weefsel onregelmatige vormen hebben, de gelaatstrekken vervagen en het licht breekt in verschillende richtingen, het verminderen van de beeldkwaliteit.

Eerdere pogingen om OCT-afbeeldingen met een hoge laterale resolutie te maken, waren gebaseerd op holografie - het nauwkeurig meten van het complexe elektromagnetische veld dat door het object wordt teruggekaatst. Hoewel dit is aangetoond, de aanpak vereist dat het monster en het beeldvormingsapparaat tijdens de hele meting perfect stil blijven tot op de nanometerschaal.

"Dit is bereikt in een laboratoriumomgeving, " zei Izat, die ook een aanstelling in oogheelkunde heeft aan de Duke University School of Medicine. "Maar het is heel moeilijk te bereiken in levende weefsels omdat ze leven, ademen, stromen en veranderen."

In de nieuwe krant Izatt en zijn promovendus, Kevin Zhou, een andere aanpak kiezen. In plaats van te vertrouwen op holografie, de onderzoekers combineren OCT-beelden die vanuit meerdere hoeken zijn verkregen om de diepteresolutie uit te breiden naar de laterale dimensie. Elke individuele OCT-afbeelding, echter, wordt vervormd door de breking van het licht door onregelmatigheden in de cellen en andere weefselcomponenten. Om deze gewijzigde paden te compenseren bij het samenstellen van de uiteindelijke afbeeldingen, de onderzoekers moesten nauwkeurig modelleren hoe het licht wordt gebogen terwijl het door het monster gaat.

Om deze rekenkundige prestatie te volbrengen, Izatt en Zhou wendden zich tot hun collega Sina Farsiu, de Paul Ruffin Scarborough Associate Professor of Engineering aan Duke, die een lange geschiedenis heeft in het gebruik van machine learning-tools om betere afbeeldingen te maken voor toepassingen in de gezondheidszorg.

Werken met Farsiu, Zhou ontwikkelde een methode die gebruikmaakt van "op gradiënten gebaseerde optimalisatie" om de brekingsindex binnen de verschillende weefselgebieden af ​​te leiden op basis van de afbeeldingen met meerdere hoeken. Deze benadering bepaalt de richting waarin de gegeven eigenschap - in dit geval de brekingsindex - moet worden aangepast om een ​​beter beeld te creëren. Na vele iteraties, het algoritme maakt een kaart van de brekingsindex van het weefsel die de vervormingen van het licht het beste compenseert. De methode is geïmplementeerd met behulp van TensorFlow, een populaire softwarebibliotheek die door Google is gemaakt voor deep learning-toepassingen.

"Een van de vele redenen waarom ik dit werk opwindend vind, is dat we tools konden lenen van de machine learning-gemeenschap en deze niet alleen konden toepassen op post-process OCT-afbeeldingen, maar ook om ze op een nieuwe manier te combineren en nieuwe informatie te extraheren, " zei Zhou. "Ik denk dat er veel toepassingen zijn van deze deep learning-bibliotheken zoals TensorFlow en PyTorch, buiten de standaardtaken zoals beeldclassificatie en segmentatie."

Voor deze proof-of-concept experimenten, Zhou nam weefselmonsters zoals de blaas of luchtpijp van een muis, plaatste ze in een buis, en roteerde de monsters 360 graden onder een OCT-scanner. Het algoritme heeft met succes een kaart gemaakt van de brekingsindex van elk monster, het verhogen van de laterale resolutie van de scan met meer dan 300 procent terwijl de achtergrondruis in het uiteindelijke beeld wordt verminderd. Terwijl de studie gebruik maakte van monsters die al uit het lichaam waren verwijderd, de onderzoekers geloven dat OCRT kan worden aangepast om in een levend organisme te werken.

"In plaats van het weefsel te roteren, een voor deze techniek ontwikkelde scansonde zou de hoek van de bundel op het weefseloppervlak kunnen roteren, " zei Zhou.

Zhou onderzoekt al in hoeverre een scan van het hoornvlies kan worden verbeterd door de technologie met minder dan een beweging van 180 graden, en de resultaten lijken veelbelovend. Indien succesvol, de techniek zou een zegen kunnen zijn voor veel medische beeldvormingsbehoeften.

"Het vastleggen van afbeeldingen met een hoge resolutie van de conventionele uitstroomweefsels in het oog is een lang gezocht doel in de oogheelkunde, " zei Farsiu, verwijzend naar het drainagesysteem voor kamerwater van het oog. "Het hebben van een OCT-scanner met dit type laterale resolutie zou erg belangrijk zijn voor een vroege diagnose en het vinden van nieuwe therapeutische doelen voor glaucoom."

"OCT heeft al een revolutie teweeggebracht in de oftalmische diagnostiek door niet-invasieve microscopische beeldvorming van het levende menselijke netvlies te bevorderen, " zei Izatt. "Wij geloven dat met verdere vooruitgang zoals OCRT, de grote impact van deze technologie kan niet alleen worden uitgebreid tot aanvullende oogheelkundige diagnostiek, maar voor beeldvorming van pathologieën in weefsels die toegankelijk zijn voor endoscopen, katheters, en bronchoscopen door het hele lichaam."