science >> Wetenschap > >> Fysica

Cardiale beeldvorming met 3D-cellulaire resolutie met behulp van interferometrie met weinig modi om coronaire hartziekte te diagnosticeren

(a) Het concept van het gebruik van een single-mode-multimode vezelsysteem voor dieptegecodeerde reflectometrie. Het kleurenpatroon komt overeen met verschillende voortplantingsmodi. SMF single-mode vezel, MMF multimode vezel, OSP optische signaalverwerkingseenheid. (b) 3D-weergave van het intensiteitsprofiel in de multimode-vezel die de generatieprocessen met weinig modi van een SMM-vezelsysteem toont. De laterale en axiale afmetingen zijn niet op schaal getekend. De SMF heeft een modusvelddiameter van 5 μm, en de MMF heeft een kerndiameter van 50 m en een lengte van 1,2 mm. Er wordt uitgegaan van een systeemgolflengte van 800 nm. (c) Simulaties van de gerichte veldintensiteitsverdeling in de beeldruimte. De lengte van de afstandhouder is 1,6 mm, en het objectief heeft een brandpuntsafstand van ongeveer 0,5 mm. We gaan uit van een brekingsindex van 1,34 in de beeldruimte. De gefocuste veldintensiteitsverdeling wordt genormaliseerd door de piekintensiteit en weergegeven op de dB-schaal met een dynamisch bereik van 16 dB. Credit:Licht:Wetenschap &Toepassingen, doi:10.1038/s41377-019-0211-5

Een nieuwe beeldvormingstechniek ontwikkeld door Biwei Yin en interdisciplinaire onderzoekers van het Massachusetts General Hospital en de Harvard Medical School in de VS, biedt resolutie op subcellulair niveau om het vasculaire systeem van het hart in beeld te brengen. Als resultaat, hartonderzoekers kunnen met grotere precisie menselijke coronaire hartziekte bestuderen en diagnosticeren. conventioneel, cardiologen gebruiken intravasculaire optische coherentietomografie (OCT) om de opbouw van coronaire plaque te beoordelen, die slagaders kunnen vernauwen om coronaire hartziekte te veroorzaken.

De OCT-techniek is, echter, beperkt door een laterale resolutie van slechts 30 micron (µm), daarom zijn onderzoekers niet in staat om beelden op subcellulair niveau te verkrijgen om de ziekte te begrijpen. Het nieuw ontwikkelde intravasculaire beeldvormingssysteem met enkele modi interferometrie bevat een resolutie van drie micron om beelden te verschaffen van cellulaire en subcellulaire structuren in de slagaderwand. De verbeterde weergave kan gedetailleerde informatie geven over individuele kristallen, gladde spiercellen en ontstekingscellen met grotere precisie tijdens ziektediagnose. Het onderzoekswerk is nu gepubliceerd op Licht:wetenschap en toepassingen .

Optische coherentietopografie (OCT) is een gangbare beeldvormingsmethode die wordt gebruikt om dwarsdoorsnedereflectie te verkrijgen, voornamelijk in klinische omgevingen om een reeks menselijke weefsels, inclusief luminale organen in het lichaam, in beeld te brengen. Intravasculaire OCT (IVOCT) is van belang om toegang te krijgen tot de structuur van coronaire plaques en om percutane coronaire interventie (PCI) te begeleiden tijdens coronaire hartziekte; een van de belangrijkste doodsoorzaken in de wereld. Bio-ingenieurs en cardiologen hebben onlangs geavanceerde IVOCT-technieken gedemonstreerd, zoals multimodale IVOCT om de conventionele vorm te combineren met extra beeldvormings- en detectiemodi, zoals fluorescentie en nabij-infrarood spectroscopie. Aanvullende innovaties zijn onder meer polarisatiegevoelige IVOCT om dubbele breking van weefsel te meten en beeldcontrast te bieden, evenals hartslag IVOCT om kransslagaders in vivo dicht in beeld te brengen zonder bewegingsartefacten te introduceren. De meest uitdagende technische barrière om de laterale resolutie van een OCT-systeem te vergroten, omvat het aanpassen van de scherptediepte (DOF) voor beeldvorming in dwarsdoorsnede. Voorafgaande studies die een verhoogde DOF bereikten, een vormfactor of complexiteit hebben om intraluminale klinische toepassingen voor coronaire beeldvorming te voorkomen.

(a) Simulatie van de afwijkende bundelveldintensiteit wanneer verstrooiers in het midden van het bundelpad worden geplaatst. Er werden vier verstrooiers gemodelleerd, aangeduid als S1-S4. De verstrooiers hadden een diameter van 2 m en een brekingsindex van 1,5. 3D-weergave van het bundelveld en de transversale intensiteitsverdelingen laten zien dat de aberratie die wordt geïntroduceerd door een individuele verstrooier binnen elke modus wordt beperkt. Z geeft de voortplantingsrichting van de bundel aan. Schaalbalk:10 μm. (b) Foto van de voltooide 2,6-F coronaire katheter met snelle voerdraadwissel. (c) Een foto van het distale uiteinde van de katheter, genomen met behulp van een microscoop. De vezelsonde had een diameter van 500 m en een stijve lengte van minder dan 4 mm. Schaalbalk:500 m. (d) Foto van het ringpatroon van het licht dat wordt doorgelaten door de optische vezels van de katheter, overeenkomend met meerdere voortplantingsmodi. Het scherm stond onder een kleine hoek ten opzichte van de voortplantingsrichting van de bundel, waaruit blijkt dat de cilindrische spiegel de bundel onder een hoek van ~ 8 ° loodrecht op de huls richt om spiegelreflectie te verminderen. (e) Simulatie van de genormaliseerde veldintensiteitsverdeling op de as met betrekking tot diepte voor de centrale golflengte en de twee uiteinden van de spectra, wat aantoont dat het chromatische focale verschuivingseffect de discontinuïteit van de veldintensiteit verzachtte. Credit:Licht:Wetenschap &Toepassingen, doi:10.1038/s41377-019-0211-5

In het huidige werk, Yin et al. beschreef een op interferometrie gebaseerd intravasculair beeldvormingssysteem met enkele modi met uitgebreide DOF voor beeldvorming in dwarsdoorsnede met cellulaire resolutie, over een dieptebereik van meer dan 1 mm. De technologie stelde hen in staat om cellulaire en subcellulaire structuren van intacte menselijke-coronaire slagaders ex vivo en in vivo te observeren via een flexibele, katheter met een diameter van submillimeter. De onderzoekers gebruikten interferometrie met lage coherentie die de vertraging van de padlengte oploste om de informatie te decoderen die werd gedragen door elke modus die met een andere optische padlengte in de experimentele opstelling reisde.

Meerdere voortplantingsmodi kunnen tegelijkertijd een monster op verschillende diepten ondervragen om het in diepte gecodeerde signaal via een gemeenschappelijk kanaal voor verwerking te verzenden. Het proces verhoogde de acquisitiecapaciteit van het reflectometriesysteem zonder extra verlichtings- en detectiekanalen. Om de effecten zichtbaar te maken, Yin et al. simuleerde het gefocusseerde bundelveld op verschillende diepten langs het midden van het bundelpad, waar verstrooiende deeltjes aberratie in het bundelveld introduceerden als veldverstoring. De zelfgenezende (zelfreconstruerende) eigenschap van het voortplantingsproces suggereerde de onafhankelijkheid van elke modus in de verstrooiende media.

(a-c) IVOCT, IVFMI, en histologische beelden die een dwarsdoorsnede van de slagader tonen die afzettingen van cholesterolkristallen bevat. In de standaard IVOCT-afbeelding (a), de sterk verstrooiende structuren zouden worden beschouwd als ophopingen van macrofagen met behulp van de huidige IVOCT-criteria21, terwijl het IVFMI-beeld (b) aantoont dat deze kenmerken kristallen waren, een bevinding die consistent is met de overeenkomstige histologie. (d) Een dwarsdoorsnede van een slagader met meerdere cholesterolkristallen die worden gekenmerkt door reflecties van hun boven- en onderoppervlak. (e) Afbeelding die laat zien dat IVFMI tegelijkertijd kleine kristallen op afstanden dicht bij de huls (een paar honderd micron) en ver van de huls (~ 1 mm) kan oplossen. (F, g) IVFMI en bijbehorende histologische beelden van een verkalkte knobbel, respectievelijk. (h) was in de lengterichting ongeveer 1,3 mm verwijderd van (g), waar trombus werd waargenomen over de verkalkte knobbel. De blauwe pijlen zijn kenmerken die overeenkomen met leukocyten, de gele pijl wijst op trombus, en de groene pijl toont een cel die waarschijnlijk een monocyt/macrofaag is. Een Gaussiaans vervagingsfilter met een straal van 2 m werd toegepast op de IVFMI-afbeeldingen in dwarsdoorsnede. Schaalbalken voor alle afbeeldingen zijn 100 m. Credit:Licht:Wetenschap &Toepassingen, doi:10.1038/s41377-019-0211-5

Op basis van het begrip, het onderzoeksteam creëerde een intravasculair paar-mode interferometrie (IVFMI) beeldvormingsapparaat met een supercontinuum-laser als lichtbron. Ze gebruikten een interferometer met lage coherentie als optische signaalverwerkingseenheid, een katheter voor dieptecodering en detectie van terugverstrooiingssignalen, evenals optomechanica voor het scannen. Met behulp van de opstelling, de onderzoekers voerden een spiraalvormige scan uit van de lumenwand voor driedimensionale (3D) reconstructie van de slagader. Met behulp van een katheter in een slagader verkregen ze dwarsdoorsnedebeelden met 17 frames per seconde. Met een bijna 1000-voudige verbetering in volumetrische resolutie, het onderzoeksteam loste cellulaire en subcellulaire structuren op met behulp van IVFMI (intravascular few-mode interferometrie) in tegenstelling tot de conventionele IVOCT (Intravascular OCT) methode.

Bijvoorbeeld, toen de wetenschappers standaard IVOCT- en IVFMI-afbeeldingen vergeleken die overeenkwamen met dezelfde dwarsdoorsnede van een kransslagader van een menselijk kadaver, ze konden dicht opeengepakte kristallen duidelijk onderscheiden met alleen IVFMI. In tegenstelling tot, beelden verkregen met de standaard IVOCT-techniek waren wazig en bolvormig, waardoor het waarschijnlijker is dat ze ten onrechte worden gekarakteriseerd als ophopingen van macrofagen. evenzo, het onderzoeksteam observeerde gladde spiercellen met behulp van de IVFMI-katheter, die niet konden worden opgelost met de conventionele IVOCT-methode.

3D-reconstructie en bijbehorende dwarsdoorsnedebeelden van IVFMI-gegevens verkregen uit een kransslagader van een menselijk kadaver. Het lumen toont individuele macrofagen die zich op het oppervlak van een fibroatheromateuze plaque bevinden. (een, b) 3D-weergave en afbeeldingen in dwarsdoorsnede van een individuele cel (gele pijlen) die lijkt te transmigreren door het endotheel naar een afzetting van intimale kristallen (rode pijlen). (C, d) 3D-weergave en afbeeldingen in dwarsdoorsnede die twee macrofagen tonen die aan het endotheeloppervlak zijn vastgemaakt, naar elkaar toe gepolariseerd met verlengde pseudopodia (blauwe pijl). Schaalbalken:50 μm. Credit:Licht:Wetenschap &Toepassingen, doi:10.1038/s41377-019-0211-5.

De IVFMI-dwarsdoorsnede van een slagader loste ook cholesterolkristallen op die doorgaans moeilijk af te beelden zijn met conventionele methoden vanwege hun opmerkelijke reflecties. Als gevolg van de uitgebreide DOF die is ingeschakeld met de IVFMI-configuratie, de onderzoekers losten microstructuren op die een paar honderd micron tot millimeters verwijderd waren van de katheterschede, gelijktijdig in één omtrekscan.

Omdat ontstekingscellen de ontwikkeling van atherosclerotische plaques stimuleren, Yin et al. vertegenwoordigde intimale gladde spiercellen en macrofagen die diapedese ondergaan met behulp van IVFMI. De beelden toonden fijne details van de intraluminale massa, inclusief de aanwezigheid van heldere cellen zoals leukocyten ingebed in het fibrinegaas om wat een trombus leek te vormen. De onderzoekers gebruikten de IVFMI-gegevens die waren verkregen van een coronaire lumenwand van een kadaver voor 3D-reconstructies en ontwikkelden ook 3D-reconstructies van IVFMI-gegevens die waren verkregen van een levende konijnenaorta met atherosclerotische plaque. Ze ontdekten de plaque van de normale slagaderwand door de morfologie van het verhoogde oppervlak te observeren, die uitstak in het lumen (binnenruimte van een buisvormige structuur zoals een slagader).

IVFMI-beelden van in vivo verworven konijnenslagaders. (a) 3D-reconstructie van atherosclerotische konijnenaorta. De witte pijl geeft de begeleidingsdraad aan. De blauwe en rode pijlen geven atherosclerotische plaquegebieden aan. (b) Dwarsdoorsnede-afbeelding van de lumenwand die normaal aorta-mediaweefsel bevat en de atheromateuze laesie aangegeven door de blauwe pijl in (a). (c) Vergrote afbeelding die overeenkomt met het blauwe gestippelde gebied in (b). De gele pijl markeert een gebied met gladde spiercellen die zijn ingebed in een collageennetwerk in een deel van de normale aortawand, terwijl de groene pijl een atherosclerotische plaque aangeeft. (d) 3D-reconstructie van een stent geïmplanteerd in de iliacale slagader. De paarse en rode pijlen geven stentsteunen aan. (e) een dwarsdoorsnede-afbeelding die overeenkomt met de locatie die wordt aangegeven door de paarse pijl in (d). Oranje pijlen markeren kleine, puntig, sterk verstrooiende kenmerken die consistent zijn met bloedplaatjes rond de stentsteun (rode pijl), met de groene pijlen die de slagaderwand aangeven. Een Gaussiaans vervagingsfilter met een straal van 2 m werd toegepast op de IVFMI-afbeeldingen in dwarsdoorsnede. Schaalbalk:100 m. Credit:Licht:Wetenschap &Toepassingen, doi:10.1038/s41377-019-0211-5.

Met behulp van transversale afbeeldingen, het team observeerde een netwerk van collageen en gladde spiercellen in de normale media met verbeterde helderheid. Ze verkregen ook 3D-gereconstrueerde IVFMI-gegevens op een segment van de lumenwand waarin een stent was geïmplanteerd een uur voorafgaand aan de beeldvorming. Het IVFMI-proces visualiseerde microstructurele details van de stentsteunen met ongekende details voor intravasculaire beeldvorming. Yin et al. klein waargenomen, hoge reflectiviteit, stippen ter grootte van een micron rond enkele van de stentsteunen en zouden zelfs de fijne details van microstructurele bloedplaatjes in de afbeeldingen kunnen identificeren.

Op deze manier, Biwei Yin en collega's ontwikkelden en demonstreerden een techniek om de problemen van het implementeren van interferometrie met weinig modi te overwinnen, om de scherptediepte (DOF) met meer dan een orde van grootte te vergroten. De optische configuratietechnologie heeft een kleine footprint, dieptecoderingsvermogen en transmissiestabiliteit, met belangrijke toepassingen in diepte-opgeloste endommicroscopie. De resultaten bevestigden het potentieel van de nieuwe technologie om beelden te verkrijgen met een goede signaal-ruisverhouding en om goed gedefinieerde ziekterelevante cellulaire en subcellulaire microstructuren te tonen in de kransslagaders van menselijke kadavers ex vivo en konijnenslagaders in vivo.

Het apparaat is fysiek en mechanisch identiek aan coronaire katheters die worden gebruikt voor conventionele IVOCT-beeldvorming in de kliniek. Deze bevindingen wijzen op de mogelijkheid om de nieuwe IVFMI-techniek voor klinische beeldvorming te vertalen naar cellulaire coronaire pathologie bij mensen in het hartkatheterisatielab. De techniek kan worden gebruikt om cellulaire beeldvorming te bekijken die verder gaat dan intravasculaire beeldvorming om luminale organen zoals het maagdarmkanaal en de longkanalen te omvatten om de klinische diagnostische nauwkeurigheid te vergroten.

Vis die geluidsgolven verstrooit, heeft invloed op de aquacultuur

Deze oplossing voor economische theorie verandert alles, van gokken tot Ponzi-schema's

Hoofdlijnen

Wetenschap

Elektronica
Biologie
Zonsverduistering
Wiskunde
French | Spanish | Portuguese | Swedish | German | Dutch | Danish | Norway | Italian |