Van de verschillende op optica gebaseerde hulpmiddelen die worden gebruikt in de diagnostiek, is diffuse optica (DO) snel in opkomst als een van de meest aantrekkelijke technologieën. De techniek is gebaseerd op het analyseren hoe licht wordt geabsorbeerd en verstrooid door biologische weefsels, wat verband houdt met de chemische samenstelling en structuur van het weefsel. Een van de belangrijkste voordelen van DO is dat het niet-invasief is (het gebruikt bijna-infraroodlicht met een laag vermogen). Bovendien kan het worden gebruikt om weefsels te onderzoeken tot een diepte van enkele centimeters en kan het zelfs functionele activering en oxygenatie van hersenen of spieren detecteren. DO zal daarom waarschijnlijk een centrale rol spelen bij de diagnose en monitoring van patiënten, zowel in het ziekenhuis als thuis.

Maar zelfs wanneer dezelfde DO-principes worden gebruikt om een ​​bepaalde ziekte te bestuderen of te diagnosticeren, gebruiken klinieken en laboratoria over de hele wereld enorm verschillende platforms en technieken. Dit vormt een uitdaging bij het beoordelen van hun prestaties, wat nodig is om defecte apparatuur te identificeren, ontwikkelingen in DO-technologie te benchmarken, een gemeenschappelijke basis te leggen voor het vergelijken van technieken en instrumenten en betrouwbaar hergebruik en interpretatie van gegenereerde open gegevens mogelijk te maken.

Gelukkig maakt een samenwerking tussen 12 Europese instellingen - in het kader van het Horizon 2020 Marie Skłodowska-Curie Innovative Training Network "BitMap", geleid door Hamid Dehghani, University of Birmingham van de Europese Unie, grote vorderingen bij het realiseren van prestatiebeoordeling en standaardisatie (PAS ) op het gebied van DO. Gebruikmakend van meer dan twee decennia van gezamenlijke onderzoeksinspanningen, is het initiatief gecentreerd rond drie protocollen die eerder zijn ontwikkeld voor het beoordelen van de prestaties van DO-instrumenten. Dit initiatief voorziet in drie hoofdacties:actie 1 betreft het verzamelen van experimentele gegevens, actie 2 richt zich op het beschikbaar stellen van deze gegevens als open data en actie 3 draait om een ​​gemeenschappelijke analyse van de gegevens met dezelfde tools en technieken.

Een studie gepubliceerd in het Journal of Biomedical Optics (JBO) presenteert de resultaten die zijn verkregen in de context van actie 1. De BitMap-oefening die in dit document wordt gepresenteerd, is de grootste multi-laboratoriumvergelijking van DO-instrumenten, die 12 instellingen en 28 systemen omvat. Door deze vergelijking wil de studie de cultuur van PAS in de DO-gemeenschap en daarbuiten versterken en een gemeenschappelijke methodologie voorstellen die in andere omgevingen kan worden toegepast. Een interessant resultaat van dit specifieke werk is de opvatting van eenvoudige numerieke waarden, synthetische indicatoren genaamd, voor elk van de gebruikte tests. Deze indicatoren zorgen voor een gemakkelijke vergelijking tussen het gamma van ingeschreven instrumenten.

Het vergelijken van de prestaties van verschillende DO-instrumenten is lastig. De onderzoekers kwamen overeen met drie internationaal goedgekeurde protocollen (BIP, MEDPHOT en NEUROPT) om elk DO-systeem uit te dagen. Het BIP-protocol diende om de meest elementaire optische prestaties van elk instrument te karakteriseren, terwijl het MEDPHOT-protocol karakteriseerde hoe goed elk instrument homogene optische eigenschappen kon herstellen, d.w.z. absorptie en verminderde verstrooiingscoëfficiënten. Ten slotte testte het NEUROPT-protocol hoe goed elk systeem inhomogeniteiten in een monster kon detecteren door zich te concentreren op maatregelen met betrekking tot contrast. Bovendien waren de onderzoekers het eens over drie verschillende fantoomkits, die elk speciaal op maat waren gemaakt voor een van de protocollen (een "fantoom" verwijst naar een kunstmatige structuur, meestal gebruikt voor kalibratie en testen, die bepaalde eigenschappen van menselijk weefsel nabootst).

De experimenten bestonden uit het uitvoeren van een assortiment relevante tests van elk protocol op zijn respectievelijke fantoomkit, met behulp van elk van de DO-instrumenten. De onderzoekers vergeleken vervolgens de resultaten van deze experimenten om te begrijpen welke instrumenten en technieken het beste presteerden, hoe reproduceerbaar de resultaten waren en hoeveel variabiliteit er was tussen metingen die met verschillende systemen werden gedaan. Ze ontdekten een aanzienlijk verschil in hardwareprestaties tussen verschillende systemen, waardoor ze een aantal kritieke problemen konden identificeren met betrekking tot prestatiebeoordeling in DO.

De onderzoekers zijn van plan om de volledige dataset die via actie 1 is verzameld, in te zetten in een open datarepository (actie 2). Dit zou hen en anderen helpen om specifieke aspecten van de DO-systemen te analyseren en te vergelijken (actie 3). Een van de uiteindelijke doelstellingen van het project is het identificeren en verminderen van onzekerheden en meetartefacten voor elk instrument en elke analysemethode, om zo hun volledige potentieel te ontsluiten.

"Great advances in physics derived from precise measurements of specific physical quantities—planet orbits, speed of light, particle masses, etc. Photon migration through the human body is complicated by the biological variability, but not the basic physics underlying it all," says senior author Antonio Pifferi, Politecnico di Milano, Italy. "We can disentangle the uncertainties and artifacts produced by the instruments and analysis tools from the biological variability, with great benefit for clinical use."

These efforts will open doors to a powerful and reliable DO technology, enabling more accurate and convenient diagnostics. + Verder verkennen

NIST 'how-to' website documents procedures for nano-EHS research and testing