Onderzoekers hebben een verbeterde versie van optische coherentietomografie (OCT) ontwikkeld die biomedische monsters kan afbeelden met een hoger contrast en een hogere resolutie over een breder 3D-beeldveld dan voorheen mogelijk was. De nieuwe 3D-microscoop zou nuttig kunnen zijn voor biomedisch onderzoek en uiteindelijk nauwkeurigere medische diagnostische beeldvorming mogelijk maken.

In Optica tijdschrift beschrijven de onderzoekers van Duke University de nieuwe techniek, die ze 3D optische coherentie-brekingstomografie (3D OCRT) noemen. Met behulp van verschillende biologische monsters laten ze zien dat 3D OCRT zeer gedetailleerde beelden produceert die kenmerken onthullen die moeilijk waar te nemen zijn met traditionele OCT.

OCT gebruikt licht om 3D-beelden met een hoge resolutie te leveren zonder dat er contrastmiddelen of labels nodig zijn. Hoewel het vaak wordt gebruikt voor oogheelkundige toepassingen, kan de beeldvormingsmethode ook worden gebruikt om veel andere delen van het lichaam in beeld te brengen, zoals de huid en in de oren, mond, slagaders en het maagdarmkanaal.

"OCT is een volumetrische beeldvormingstechniek die veel wordt gebruikt in de oogheelkunde en andere takken van de geneeskunde", zegt eerste auteur Kevin C. Zhou. "We hebben een nieuwe en opwindende uitbreiding ontwikkeld, met nieuwe hardware in combinatie met een nieuw computationeel 3D-beeldreconstructie-algoritme om een ​​aantal bekende beperkingen van de beeldtechniek aan te pakken."

"We stellen ons voor dat deze benadering wordt toegepast in een breed scala aan biomedische beeldvormingstoepassingen, zoals in vivo diagnostische beeldvorming van het menselijk oog of de huid", zei Joseph A. Izatt, co-leider van het onderzoeksteam. "De hardware die we hebben ontworpen om de techniek uit te voeren, kan ook gemakkelijk worden geminiaturiseerd tot kleine sondes of endoscopen om toegang te krijgen tot het maagdarmkanaal en andere delen van de lichaam."

Meer zien met OCT

Hoewel OCT nuttig is gebleken, zowel in klinische toepassingen als in biomedisch onderzoek, is het moeilijk om OCT-beelden met hoge resolutie over een breed gezichtsveld in alle richtingen tegelijkertijd te verkrijgen vanwege fundamentele beperkingen die worden opgelegd door optische bundelvoortplanting. Een andere uitdaging is dat OCT-afbeeldingen hoge niveaus van willekeurige ruis bevatten, spikkel genoemd, die biomedisch belangrijke details kan verdoezelen.

Om deze beperkingen aan te pakken, gebruikten de onderzoekers een optisch ontwerp met een parabolische spiegel. Dit type spiegel wordt vaak aangetroffen in niet-beeldvormende toepassingen, zoals zaklampen, waar het de gloeilamp omringt om het licht in één richting te richten. De onderzoekers gebruikten een optische opstelling waarbij licht de andere kant op werd gestuurd, waarbij het monster werd geplaatst waar de gloeilamp in een zaklamp zou zijn.

Dit ontwerp maakte het mogelijk om het monster vanuit meerdere aanzichten over een zeer breed scala aan hoeken af ​​te beelden. Ze ontwikkelden een geavanceerd algoritme om de weergaven te combineren tot één hoogwaardig 3D-beeld dat corrigeert voor vervormingen, ruis en andere onvolkomenheden.

"Het werk gepubliceerd in Optica breidt ons eerdere onderzoek uit door aanzienlijke technische uitdagingen te overwinnen, zowel in de hardware als de software, om OCRT in 3D te laten werken en het breder toepasbaar te maken", zei medeleider van het onderzoeksteam, Sina Farsiu. "Omdat ons systeem tientallen tot honderden genereert van gigabytes aan gegevens, moesten we een nieuw algoritme ontwikkelen op basis van moderne rekenhulpmiddelen die recentelijk volwassen zijn geworden binnen de machine learning-gemeenschap."

Een breder beeld krijgen

De onderzoekers toonden de veelzijdigheid en brede toepasbaarheid van de methode aan door deze te gebruiken om verschillende biologische monsters af te beelden, waaronder een zebravis en fruitvlieg, belangrijke modelorganismen voor gedrags-, ontwikkelings- en neurobiologische studies. Ze beeldden ook muisweefselmonsters van de luchtpijp en de slokdarm af om het potentieel voor medische diagnostische beeldvorming aan te tonen. Met 3D OCRT verkregen ze 3D-zichtvelden tot ±75° zonder het monster te verplaatsen.

"Naast het verminderen van ruisartefacten en het corrigeren voor monster-geïnduceerde vervormingen, is OCRT inherent in staat om op rekenkundige wijze contrast te creëren van weefseleigenschappen die minder zichtbaar zijn in traditionele OCT," zei Zhou. "We laten bijvoorbeeld zien dat het gevoelig is voor georiënteerde structuren zoals vezelachtig weefsel."

De onderzoekers onderzoeken nu manieren om het systeem te verkleinen en sneller te maken voor live-beeldvorming door gebruik te maken van recente ontwikkelingen in snellere OCT-systeemtechnologieën en vorderingen in diep leren die de gegevensverwerking kunnen versnellen of verbeteren. + Verder verkennen

Machine learning verhoogt de resolutie van oogbeeldvormingstechnologie