(a) Il concetto di utilizzo di un sistema in fibra monomodale-multimodale per la riflettometria codificata in profondità. Il modello di colore corrisponde a diverse modalità di propagazione. Fibra monomodale SMF, Fibra multimodale MMF, Unità di elaborazione del segnale ottico OSP. (b) Rendering 3D del profilo di intensità all'interno della fibra multimodale che mostra i processi di generazione a poche modalità di un sistema in fibra SMM. Le dimensioni laterale e assiale non sono disegnate in scala. L'SMF ha un diametro del campo modale di 5 μm, e l'MMF ha un diametro del nucleo di 50 μm e una lunghezza di 1.2 μm. Si assume una lunghezza d'onda del sistema di 800 nm. (c) Simulazioni della distribuzione dell'intensità del campo focalizzato nello spazio dell'immagine. La lunghezza del distanziale è 1,6 mm, e l'obiettivo ha una distanza focale di circa 0,5 mm. Assumiamo un indice di rifrazione di 1,34 nello spazio dell'immagine. La distribuzione dell'intensità del campo focalizzato è normalizzata dall'intensità di picco e visualizzata sulla scala dB con una gamma dinamica di 16 dB. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0211-5
Una nuova tecnica di imaging sviluppata da Biwei Yin e ricercatori interdisciplinari presso il Massachusetts General Hospital e la Harvard Medical School negli Stati Uniti, fornisce la risoluzione a livello subcellulare per l'immagine del sistema vascolare del cuore. Di conseguenza, i ricercatori del cuore possono studiare e diagnosticare la malattia coronarica umana con maggiore precisione. Convenzionalmente, i cardiologi impiegano la tomografia a coerenza ottica intravascolare (OCT) per valutare l'accumulo di placca coronarica, che può restringere le arterie per causare la malattia coronarica.
La tecnica OCT è, però, limitato da una risoluzione laterale di soli 30 micron (µm) quindi i ricercatori non sono in grado di ottenere immagini a livello subcellulare per comprendere la malattia. Il sistema di imaging intravascolare interferometrico a poche modalità di nuova concezione contiene una risoluzione di tre micron per fornire immagini delle strutture cellulari e subcellulari nella parete dell'arteria. La vista migliorata può fornire informazioni dettagliate sui singoli cristalli, cellule muscolari lisce e cellule infiammatorie con maggiore precisione durante la diagnosi della malattia. Il lavoro di ricerca è ora pubblicato su Luce:scienza e applicazioni .
La topografia a coerenza ottica (OCT) è un metodo di imaging tradizionale utilizzato per ottenere la riflettanza della sezione trasversale principalmente in contesti clinici per l'immagine di una gamma di tessuti umani, compresi gli organi luminali all'interno del corpo. L'OCT intravascolare (IVOCT) è di interesse per accedere alla struttura della placca coronarica e guidare l'intervento coronarico percutaneo (PCI) durante la malattia coronarica; una delle principali cause di mortalità nel mondo. Bioingegneri e cardiologi hanno recentemente dimostrato tecniche IVOCT avanzate, come IVOCT multimodale per combinare la forma convenzionale con ulteriori modalità di imaging e rilevamento, come la fluorescenza e la spettroscopia nel vicino infrarosso. Ulteriori innovazioni includono IVOCT sensibile alla polarizzazione per misurare la birifrangenza tissutale e fornire contrasto di imaging, così come IVOCT del battito cardiaco per visualizzare densamente le arterie coronarie in vivo senza introdurre artefatti da movimento. La barriera tecnica più impegnativa per aumentare la risoluzione laterale di un sistema OCT include la regolazione della profondità di messa a fuoco (DOF) per l'imaging della sezione trasversale. Studi precedenti che hanno ottenuto un aumento della DOF, hanno un fattore di forma o complessità per prevenire applicazioni cliniche intraluminali per l'imaging coronarico.
(a) Simulazione dell'intensità del campo del raggio aberrato quando i diffusori sono posizionati al centro del percorso del raggio. Sono stati modellati quattro diffusori, indicato come S1-S4. I diffusori avevano un diametro di 2 μm e un indice di rifrazione di 1,5. Il rendering 3D del campo del fascio e le distribuzioni di intensità trasversali mostrano che l'aberrazione introdotta da un singolo diffusore è confinata all'interno di ciascuna modalità. Z indica la direzione di propagazione del raggio. Barra della scala:10μm. (b) Fotografia del catetere coronarico per lo scambio rapido del filo guida da 2,6 F completato. (c) Una fotografia dell'estremità distale del catetere, preso usando un microscopio. La sonda in fibra aveva un diametro di 500 μm e una lunghezza rigida inferiore a 4 μm. Barra della scala:500μm. (d) Fotografia del modello ad anello della luce trasmessa attraverso l'ottica della sonda in fibra del catetere, corrispondente a più modalità di propagazione. Lo schermo è stato posizionato con una piccola angolazione rispetto alla direzione di propagazione del fascio, mostrando che lo specchio cilindrico dirige il raggio con un angolo di ~8° normale alla guaina per ridurre la riflessione speculare. (e) Simulazione della distribuzione dell'intensità del campo sull'asse normalizzata rispetto alla profondità per la lunghezza d'onda centrale e le due estremità degli spettri, mostrando che l'effetto di spostamento focale cromatico ha mitigato la discontinuità dell'intensità del campo. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0211-5
Nel presente lavoro, Yin et al. descritto un sistema di imaging intravascolare basato su interferometria a poche modalità con DOF esteso per l'imaging in sezione trasversale a risoluzione cellulare, su un intervallo di profondità superiore a 1 mm. La tecnologia ha permesso loro di osservare le strutture cellulari e subcellulari di arterie umane intatte di dimensioni coronariche ex vivo e in vivo attraverso un flessibile, catetere di diametro submillimetrico. I ricercatori hanno utilizzato l'interferometria a bassa coerenza che ha risolto il ritardo della lunghezza del percorso per decodificare le informazioni trasportate da ciascuna modalità che viaggiava a una lunghezza del percorso ottico diversa nella configurazione sperimentale.
Molteplici modalità di propagazione potrebbero interrogare simultaneamente un campione a diverse profondità per trasmettere il segnale codificato in profondità attraverso un canale comune per l'elaborazione. Il processo ha aumentato la capacità di acquisizione del sistema di riflettometria senza ulteriori canali di illuminazione e rilevamento. Per visualizzare gli effetti, Yin et al. simulato il campo del raggio focalizzato a diverse profondità lungo il centro del percorso del raggio, dove le particelle di dispersione hanno introdotto l'aberrazione nel campo del fascio come disturbo di campo. La proprietà autorigenerante (auto-ricostruttiva) del processo di propagazione suggeriva l'indipendenza di ciascun modo nel mezzo di diffusione.
(a-c) IVOCT, FIVMI, e immagini istologiche che mostrano una sezione trasversale dell'arteria contenente depositi di cristalli di colesterolo. Nell'immagine IVOCT standard (a), le strutture ad alta dispersione sarebbero considerate accumuli di macrofagi utilizzando gli attuali criteri IVOCT21, mentre l'immagine IVFMI (b) dimostra che queste caratteristiche erano cristalli, un risultato che è coerente con l'istologia corrispondente. (d) Una sezione trasversale di un'arteria che aveva più cristalli di colesterolo caratterizzati da riflessi dalle loro superfici superiore e inferiore. (e) Immagine che mostra che l'IVFMI potrebbe risolvere piccoli cristalli a distanze vicine alla guaina (un paio di centinaia di micron) e lontane dalla guaina (~ 1 mm) contemporaneamente. (F, g) IVFMI e corrispondenti immagini istologiche di un nodulo calcifico, rispettivamente. (h) era di circa 1,3 mm di distanza longitudinalmente da (g), dove è stato osservato un trombo sopra il nodulo calcifico. Le frecce blu sono caratteristiche che sono coerenti con i leucociti, la freccia gialla è suggestiva di trombo, e la freccia verde mostra una cellula che è probabilmente un monocita/macrofago. Un filtro sfocatura gaussiana con un raggio di 2 μm è stato applicato alle immagini IVFMI trasversali. Le barre di scala per tutte le immagini sono 100 μm. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0211-5
Sulla base del concetto, il team di ricerca ha creato un dispositivo di imaging con interferometria intravascolare a poche modalità (IVFMI) con un laser supercontinuo come sorgente di luce. Hanno usato un interferometro a bassa coerenza come unità di elaborazione del segnale ottico, un catetere per la codifica della profondità e il rilevamento del segnale di retrodiffusione, così come l'optomeccanica per la scansione. Usando la configurazione, i ricercatori hanno condotto una scansione elicoidale della parete del lume per la ricostruzione tridimensionale (3D) dell'arteria. Usando un catetere all'interno di un'arteria hanno acquisito immagini in sezione trasversale a 17 fotogrammi al secondo. Con un miglioramento di quasi 1000 volte nella risoluzione volumetrica, il team di ricerca ha risolto le strutture cellulari e subcellulari utilizzando l'IVFMI (interferometria a poche modalità intravascolare) in contrasto con il metodo IVOCT (OCT intravascolare) convenzionale.
Per esempio, quando gli scienziati hanno confrontato le immagini standard IVOCT e IVFMI corrispondenti alla stessa sezione trasversale di un'arteria coronaria di cadavere umano, potevano distinguere chiaramente i cristalli densamente imballati usando solo IVFMI. In contrasto, le immagini ottenute utilizzando la tecnica IVOCT standard erano sfocate e globulari, rendendo più probabile caratterizzarli erroneamente come accumuli di macrofagi. Allo stesso modo, il team di ricerca ha osservato le cellule muscolari lisce utilizzando il catetere IVFMI, che non è stato possibile risolvere utilizzando il metodo IVOCT convenzionale.
Ricostruzione 3-D e corrispondenti immagini in sezione trasversale dei dati IVFMI ottenuti da un'arteria coronaria di cadavere umano. Il lume mostra i singoli macrofagi che risiedono sulla superficie di una placca fibroateromasica. (un, b) Rendering 3D e immagini in sezione trasversale che mostrano una singola cellula (frecce gialle) che sembra trasmigrare attraverso l'endotelio verso un deposito di cristalli intimali (frecce rosse). (C, d) Rendering 3D e immagini in sezione trasversale che mostrano due macrofagi legati alla superficie endoteliale, polarizzati l'uno verso l'altro con pseudopodi estesi (freccia blu). Barre di scala:50 μm. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0211-5.
La sezione trasversale IVFMI di un'arteria ha anche risolto i cristalli di colesterolo che sono tipicamente difficili da visualizzare con metodi convenzionali a causa dei loro notevoli riflessi. Come risultato del DOF esteso abilitato con la configurazione IVFMI, i ricercatori hanno risolto le microstrutture che risiedono da poche centinaia di micron a millimetri di distanza dalla guaina dei cateteri, simultaneamente in una scansione circonferenziale.
Poiché le cellule infiammatorie guidano lo sviluppo delle placche aterosclerotiche, Yin et al. rappresentato cellule muscolari lisce intimali e macrofagi sottoposti a diapedesi mediante IVFMI. Le immagini hanno mostrato dettagli precisi della massa intraluminale, inclusa la presenza di cellule luminose come i leucociti incorporati nella rete di fibrina per formare quello che sembrava essere un trombo. I ricercatori hanno utilizzato i dati IVFMI ottenuti da una parete del lume coronarico di cadavere per ricostruzioni 3-D e hanno anche sviluppato ricostruzioni 3-D dei dati IVFMI ottenuti da un'aorta di coniglio vivente con placca aterosclerotica. Hanno rilevato la placca dalla normale parete dell'arteria osservando la morfologia della superficie rialzata, che proiettava nel lume (spazio all'interno di una struttura tubolare come un'arteria).
Immagini IVFMI di arterie di coniglio acquisite in vivo. (a) Ricostruzione 3D dell'aorta aterosclerotica del coniglio. La freccia bianca indica il filo guida. Le frecce blu e rosse indicano le regioni della placca aterosclerotica. (b) Immagine in sezione trasversale della parete del lume che contiene normale tessuto mediale aortico e la lesione ateromatosa indicata dalla freccia blu in (a). (c) Immagine ingrandita corrispondente alla regione tratteggiata blu in (b). La freccia gialla delimita una regione contenente cellule muscolari lisce incorporate in una rete di collagene in una porzione della normale parete aortica, mentre la freccia verde indica una placca aterosclerotica. (d) Ricostruzione 3D di uno stent impiantato nell'arteria iliaca. Le frecce viola e rosse indicano i montanti dello stent. (e) Un'immagine in sezione trasversale corrispondente alla posizione indicata dalla freccia viola in (d). Le frecce arancioni evidenziano piccoli, punteggiato, caratteristiche altamente diffuse che sono coerenti con le piastrine attorno al puntone dello stent (freccia rossa), con le frecce verdi che indicano la parete dell'arteria. Un filtro sfocatura gaussiana con un raggio di 2 μm è stato applicato alle immagini IVFMI trasversali. Barra della scala:100μm. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0211-5.
Utilizzando immagini trasversali, il team ha osservato una rete di collagene e cellule muscolari lisce nei media normali con maggiore chiarezza. Hanno anche ottenuto dati IVFMI ricostruiti in 3D in un segmento della parete del lume impiantato con uno stent un'ora prima dell'imaging. Il processo IVFMI ha visualizzato i dettagli microstrutturali dei montanti dello stent con dettagli senza precedenti per l'imaging intravascolare. Yin et al. osservato piccolo, alta riflettività, punti di dimensioni micron che circondano alcuni dei montanti dello stent e potrebbero persino identificare i dettagli fini delle piastrine microstrutturali nelle immagini.
In questo modo, Biwei Yin e colleghi hanno sviluppato e dimostrato una tecnica per superare i problemi di implementazione dell'interferometria a pochi modi, aumentare la profondità di fuoco (DOF) di più di un ordine di grandezza. La tecnologia di configurazione ottica ha un ingombro ridotto, capacità di codifica di profondità e stabilità di trasmissione, con importanti applicazioni nell'endomicroscopia risolta in profondità. I risultati hanno confermato il potenziale della nuova tecnologia per acquisire immagini con un buon rapporto segnale-rumore e mostrare microstrutture cellulari e subcellulari ben definite rilevanti per la malattia all'interno delle arterie coronarie di cadavere umano ex vivo e delle arterie di coniglio in vivo.
Il dispositivo è fisicamente e meccanicamente identico ai cateteri coronarici utilizzati per l'imaging IVOCT convenzionale in clinica. Questi risultati indicano la possibilità di tradurre la nuova tecnica IVFMI per l'imaging clinico per visualizzare la patologia coronarica cellulare negli esseri umani presso il laboratorio di cateterizzazione cardiaca. La tecnica può essere utilizzata per visualizzare l'imaging cellulare oltre l'imaging intravascolare per includere organi luminali come il tratto gastrointestinale e i tratti polmonari per aumentare l'accuratezza diagnostica clinica.
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