I ricercatori hanno sviluppato una versione migliorata della tomografia a coerenza ottica (OCT) in grado di visualizzare campioni biomedici con contrasto e risoluzione più elevati su un campo visivo 3D più ampio di quanto fosse possibile in precedenza. Il nuovo microscopio 3D potrebbe essere utile per la ricerca biomedica e alla fine consentire un imaging diagnostico medico più accurato.

In Ottica rivista, i ricercatori della Duke University descrivono la nuova tecnica, che chiamano tomografia a rifrazione a coerenza ottica 3D (OCRT 3D). Utilizzando vari campioni biologici, mostrano che l'OCRT 3D produce immagini altamente dettagliate che rivelano caratteristiche difficili da osservare con l'OCT tradizionale.

OCT utilizza la luce per fornire immagini 3D ad alta risoluzione senza richiedere agenti di contrasto o etichette. Sebbene sia comunemente usato per applicazioni oftalmiche, il metodo di imaging può essere utilizzato anche per visualizzare molte altre parti del corpo come la pelle e l'interno delle orecchie, della bocca, delle arterie e del tratto gastrointestinale.

"L'OCT è una tecnica di imaging volumetrico ampiamente utilizzata in oftalmologia e in altri rami della medicina", ha affermato il primo autore Kevin C. Zhou. "Abbiamo sviluppato una nuova ed entusiasmante estensione, caratterizzata da un nuovo hardware combinato con un nuovo algoritmo di ricostruzione dell'immagine 3D computazionale per affrontare alcune ben note limitazioni della tecnica di imaging".

"Prevediamo che questo approccio venga applicato in un'ampia varietà di applicazioni di imaging biomedico, come in vivo diagnostica per immagini dell'occhio o della pelle umana", ha affermato il co-leader del team di ricerca Joseph A. Izatt. "L'hardware che abbiamo progettato per eseguire la tecnica può anche essere facilmente miniaturizzato in piccole sonde o endoscopi per accedere al tratto gastrointestinale e ad altre parti del corpo."

Vedere di più con OCT

Sebbene l'OCT si sia dimostrato utile sia nelle applicazioni cliniche che nella ricerca biomedica, è difficile acquisire immagini OCT ad alta risoluzione su un ampio campo visivo in tutte le direzioni contemporaneamente a causa delle limitazioni fondamentali imposte dalla propagazione del raggio ottico. Un'altra sfida è che le immagini OCT contengono alti livelli di rumore casuale, chiamato macchiolina, che può oscurare dettagli importanti dal punto di vista biomedico.

Per affrontare queste limitazioni, i ricercatori hanno utilizzato un design ottico che incorporava uno specchio parabolico. Questo tipo di specchio si trova comunemente in applicazioni non di imaging, come le torce elettriche, dove circonda la lampadina per dirigere la luce in una direzione. I ricercatori hanno utilizzato una configurazione ottica in cui la luce veniva inviata nella direzione opposta, con il campione posizionato dove sarebbe stata la lampadina in una torcia.

Questo design ha permesso di visualizzare il campione da più viste su un'ampia gamma di angoli. Hanno sviluppato un sofisticato algoritmo per combinare le viste in un'unica immagine 3D di alta qualità che corregge distorsioni, rumore e altre imperfezioni.

"Il lavoro pubblicato su Optica si estende sulla nostra ricerca precedente superando sfide ingegneristiche significative, sia nell'hardware che nel software, per consentire a OCRT di funzionare in 3D e renderlo più ampiamente applicabile", ha affermato Sina Farsiu, co-leader del team di ricerca. "Perché il nostro sistema genera da decine a centinaia di gigabyte di dati, abbiamo dovuto sviluppare un nuovo algoritmo basato su moderni strumenti computazionali maturati di recente all'interno della comunità del machine learning."

Ottenere una visuale più ampia

I ricercatori hanno dimostrato la versatilità e l'ampia applicabilità del metodo utilizzandolo per visualizzare vari campioni biologici tra cui un pesce zebra e un moscerino della frutta, che sono importanti organismi modello per studi comportamentali, dello sviluppo e neurobiologici. Hanno anche ripreso campioni di tessuto murino della trachea e dell'esofago per dimostrare il potenziale dell'imaging diagnostico medico. Con 3D OCRT, hanno acquisito campi visivi 3D fino a ±75° senza spostare il campione.

"Oltre a ridurre gli artefatti di rumore e correggere le distorsioni indotte dal campione, l'OCRT è intrinsecamente in grado di creare in modo computazionale contrasto dalle proprietà dei tessuti che sono meno visibili nell'OCT tradizionale", ha affermato Zhou. "Ad esempio, dimostriamo che è sensibile alle strutture orientate come il tessuto fibroso."

I ricercatori stanno ora esplorando modi per ridurre il sistema e renderlo più veloce per l'imaging dal vivo, sfruttando i recenti sviluppi nelle tecnologie dei sistemi OCT più veloci e i progressi nell'apprendimento profondo che possono accelerare o migliorare l'elaborazione dei dati. + Esplora ulteriormente

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