Эндомикроскопия
Эндомикроскопия — это метод получения гистологических изображений изнутри человеческого тела в режиме реального времени. [1] [2] [3] процесс, известный как «оптическая биопсия». [4] [5] Обычно это относится к флуоресцентной конфокальной микроскопии , хотя многофотонная микроскопия и оптическая когерентная томография также были адаптированы для эндоскопического использования. [6] [7] [8] [9] Коммерчески доступные клинические и доклинические эндомикроскопы могут достигать разрешения порядка микрометра, иметь поле зрения в несколько сотен мкм и совместимы с флуорофорами , которые возбуждаются лазерным светом с длиной волны 488 нм. Основными клиническими применениями в настоящее время являются визуализация краев опухолей головного мозга и желудочно-кишечного тракта , особенно для диагностики и характеристики пищевода Барретта , кист поджелудочной железы и колоректальных поражений. Для эндомикроскопии был разработан ряд доклинических и транснациональных применений, поскольку она позволяет исследователям выполнять визуализацию живых животных. Основные доклинические применения включают желудочно-кишечный тракт , обнаружение границ опухолей, осложнения матки, ишемию, живую визуализацию хрящей и сухожилий, а также визуализацию органоидов.
Принципы
[ редактировать ]Традиционная широкопольная микроскопия, как правило, не подходит для визуализации толстых тканей, поскольку изображения искажаются размытым, не в фокусе фоновым сигналом. [10] В эндомикроскопах оптическое разделение (удаление фоновой интенсивности) осуществляется по конфокальному принципу : каждый кадр изображения собирается поточечно путем быстрого сканирования лазерным пятном по ткани. В настольных конфокальных микроскопах сканирование обычно осуществляется с помощью громоздких гальванометров или резонансных сканирующих зеркал. Эндомикроскопы либо имеют миниатюрную сканирующую головку на дистальном конце зонда для визуализации, либо выполняют сканирование вне пациента и используют пучок волокон для визуализации для передачи изображения сканирования на ткань. [3]
Одноволоконные эндомикроскопы
[ редактировать ]В одноволоконных конфокальных эндомикроскопах кончик оптического волокна используется в качестве пространственного фильтра, что позволяет миниатюризировать микроскоп. Синий лазер с длиной волны 488 нм проходит от источника через оптическое волокно к гибкому ручному зонду. Оптика зонда фокусирует лазер на точку в ткани, вызывая флуоресценцию. Излучаемый свет улавливается оптическим волокном и проходит через оптический фильтр к детектору. Изображение создается путем сканирования сфокусированного пятна по всей плоскости изображения и сбора результатов измерений интенсивности точки. Плоскость изображения в образце можно перемещать вверх и вниз, что позволяет создавать стопки трехмерных изображений. [11] Одноволоконные эндомикроскопы имеют такое же разрешение, как и обычный конфокальный микроскоп. [12]
Эндомикроскопы с пучками волокон
[ редактировать ]Пучки волокон изначально были разработаны для использования в гибких эндоскопах . [13] и с тех пор были адаптированы для использования в эндомикроскопии. [14] [15] [16] Они состоят из большого количества (до десятков тысяч) волоконных сердцевин внутри единой общей оболочки, гибки и имеют диаметры порядка миллиметра. В когерентном пучке волокон относительное положение сердцевин сохраняется вдоль волокна, а это означает, что изображение, проецируемое на один конец пучка, будет передаваться на другой конец без скремблирования. Следовательно, если один конец жгута поместить в фокус настольного конфокального микроскопа, пучок будет действовать как гибкое удлинение и позволит проводить эндоскопические операции.Поскольку свет пропускают только сердцевины, а не оболочка, необходимо применить обработку изображений, чтобы удалить полученный в результате вид сот. [17] Каждое ядро по существу действует как пиксель изображения, поэтому расстояние между ядрами волокна ограничивает разрешение. Добавление микрооптики на дистальном конце пучка позволяет увеличить изображение и, следовательно, получить изображение с более высоким разрешением, но за счет уменьшения поля зрения.
Дистальные сканирующие эндомикроскопы
[ редактировать ]Дистальные сканирующие эндомикроскопы включают в себя миниатюрный аппарат для двумерного сканирования, встроенный в зонд для визуализации. Лазерное возбуждение и обратное флуоресцентное излучение передаются и принимаются от сканирующей головки по оптическому волокну. В большинстве экспериментальных устройств использовались либо MEMS , либо сканирующие зеркала [18] или прямое перемещение волокна с использованием электромагнитного воздействия. [19]
Неконфокальные эндомикроскопы
[ редактировать ]Эндомикроскопы широкого поля (т. е. микроскопы без глубинного сечения) были разработаны для избранных приложений, [20] включая визуализацию клеток ex vivo . [21] Оптическая когерентная томография и многофотонная микроскопия были продемонстрированы эндоскопически. [22] [23] [24] В успешных реализациях использовалось дистальное сканирование, а не пучки волокон из-за проблем с дисперсией и потерей света.
Коммерческие продукты
[ редактировать ]Разработаны четыре продукта эндомикроскопа: флуоресцентный эндомикроскоп in vivo - FIVE2 ( OptiScan Imaging Ltd , Мельбурн, Австралия), разработанный для доклинических исследований, нейрохирургический прибор Convivo ( Carl Zeiss Meditech AG , Йена, Германия), Pentax ISC-1000. /EC3870CIK эндоскоп ( Pentax / Hoya , Токио, Япония), в настоящее время снятый с некоторых рынков, и Cellvizio ( Mauna Kea Technologies , Париж, Франция). Устройство Pentax Medical было упаковано в эндоскоп, который использовал электромагнитное сканирование одного волокна OptiScan для выполнения конфокального сканирования на дистальном кончике устройства. Это обеспечивает субмикрометровое разрешение в большом поле зрения и до миллиона пикселей на кадр. Оригинальный инструмент Pentax имел переменную частоту кадров до 1,6 кадров в секунду и динамическую регулировку рабочего расстояния пользователем в диапазоне глубин от поверхности до 250 мкм. [19] Второе поколение сканеров OptiScan имеет регулируемую частоту кадров от 0,8 до 3,5 кадров в секунду, поле зрения 475 мкм и диапазон глубины поверхности до 400 мкм. Устройство Cellvizio от Мауна-Кеа оснащено внешним блоком лазерного сканирования и предлагает набор датчиков на основе пучков волокон с разрешением, полем зрения и рабочим расстоянием, оптимизированными для различных применений. Эти датчики совместимы со стандартными инструментальными каналами эндоскопов и имеют частоту кадров 12 Гц. [16]
Приложения
[ редактировать ]Большинство клинических испытаний были сосредоточены на применении в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ), в частности на выявлении и характеристике предраковых поражений. OptiScan FIVE2 сертифицирован по стандарту ISO 13485:2016 в соответствии с 21CFR820 и правилами ЕС по медицинскому оборудованию для установки сканера в медицинские устройства, а Cellvizio от Mauna Kea имеет разрешение Управления по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) 510 (k) и европейский знак CE. для клинического применения в желудочно-кишечном и легочном путях. [3] Исследования показали широкий спектр потенциальных применений, в том числе в мочевыводящих путях, [5] голова и шея, [25] яичники, [26] и легкие. [27] Обычно используемые флуоресцентные красители включают акрифлавин местного применения и флуоресцеин натрия , вводимый внутривенно . [3] [28]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Полл, П.Е. и др., Конфокальная лазерная эндомикроскопия: учебник для патологов. Архив патологии и лабораторной медицины, 2011. 135: с. 1343-8.
- ^ Лю, JTC и др., Обзорная статья: Современные тенденции в визуализации II Патология в местах оказания медицинской помощи с помощью миниатюрных микроскопов. Патология, 2011. 34: с. 81-98.
- ^ Jump up to: а б с д Джаббур, Дж. М. и др., Конфокальная эндомикроскопия: приборы и медицинское применение. Анналы биомедицинской инженерии, 2011.
- ^ Ньютон, Р.К. и др., Прогресс в направлении оптической биопсии: предоставление микроскопа пациенту. Лунг, 2011. 189: с. 111-9.
- ^ Jump up to: а б Сонн, Га и др., Оптическая биопсия неоплазии мочевого пузыря человека с помощью конфокальной лазерной эндомикроскопии in vivo. Журнал урологии, 2009. 182: с. 1299-305.
- ^ Тирни, Дж. Дж. и др., Эндоскопическая оптическая биопсия in vivo с оптической когерентной томографией. Наука, 1997. 276: с. 2037-2039 гг.
- ^ Зиск, А.М. и др., Оптическая когерентная томография: обзор клинических разработок от скамьи до постели. Журнал биомедицинской оптики, 2012. 12: с. 051403.
- ^ Юнг, Дж. К. и др., Визуализация мозга млекопитающих in vivo с использованием одно- и двухфотонной флуоресцентной микроэндоскопии. Журнал нейрофизиологии, 2004. 92: с. 3121-33.
- ^ Мяинг, М.Т. и др., Волоконно-оптический сканирующий двухфотонный флуоресцентный эндоскоп. Письма об оптике, 2006. 31: с. 1076-78.
- ^ Уилсон, Т., Оптические срезы во флуоресцентной микроскопии. Журнал микроскопии, 2011. 242: с. 111-6.
- ^ Гласс, Монти; Даббс, Тим (20 февраля 1992 г.). «Одномодовые волокна, используемые в качестве отверстий конфокального микроскопа» . Прикладная оптика . 31 (6): 705–706. Бибкод : 1992ApOpt..31..705D . дои : 10.1364/AO.31.000705 . ISSN 2155-3165 . ПМИД 20720673 .
- ^ Гласс, Монти; Даббс, Тим (1 июня 1992 г.). «Волоконно-оптический конфокальный микроскоп: FOCON» . Прикладная оптика . 31 (16): 3030–3035. Бибкод : 1992ApOpt..31.3030D . дои : 10.1364/AO.31.003030 . ISSN 2155-3165 . ПМИД 20725247 .
- ^ HHHopkins и NSKapany, Гибкий фиброскоп, использующий статическое сканирование. Природа, 1954. 187: с. 39-40.
- ^ Гмитро, А.Ф. и Д. Азиз, Конфокальная микроскопия с помощью оптоволоконного пучка изображений. Письма об оптике, 1993. 18: с. 565-567.
- ^ Махлуф, Х. и др., Мультиспектральный конфокальный микроэндоскоп для визуализации in vivo и in situ. Журнал биомедицинской оптики, 2008. 13: с. 044016.
- ^ Jump up to: а б Гуалэр, Г.Л. и др. На пути к оптической биопсии с помощью интегрированного оптоволоконного конфокального флуоресцентного микроскопа. в MICCAI 2004. 2004.
- ^ Перчант, А., Г.Л. Гуалэр и Ф. Берье, Метод обработки изображения, полученного через направляющую, состоящую из множества оптических волокон. 2011.
- ^ Дикеншитс, Д.Л., Г.С. Кино и Л. Феллоу, Сканирующий конфокальный оптический микроскоп с кремниевой микромашиной. Сканирование, 1998. 7: с. 38-47.
- ^ Jump up to: а б Полглас, А.Л., В.Дж. Макларен и С.А. Скиннер, Флуоресцентный конфокальный эндомикроскоп для микроскопии in vivo верхних и нижних отделов желудочно-кишечного тракта. Желудочно-кишечная эндоскопия, 2005. 62.
- ^ Пирс, MC и др., Недорогая эндомикроскопия пищевода и толстой кишки. Am J Gastroenterol, 2012. 2011: с. 1722-1724.
- ^ Пирс, М., Д. Ю и Р. Ричардс-Кортум, Волоконно-оптическая микроэндоскопия высокого разрешения для визуализации клеток in situ. Журнал визуализированных экспериментов: JoVE, 2011: с. 8-11.
- ^ Хуо, Л. и др., Резонансный волоконно-оптический сканирующий эндоскоп прямого обзора с соответствующей скоростью сканирования для 3D-ОКТ. Оптика экспресс, 2010. 18: с. 14375-84.
- ^ Чжан, Ю. Ю. и др., Компактный оптоволоконный сканирующий эндомикроскоп ГВГ и его применение для визуализации ремоделирования шейки матки во время беременности. Труды Национальной академии наук, 2012. 109: P. 12878-83.
- ^ Си, Дж. Ф. и др., Интегрированная мультимодальная платформа эндомикроскопии для одновременной оптической когерентности на лице и двухфотонной флуоресцентной визуализации. Письма об оптике, 2012. 37: с. 362-44.
- ^ Хаксель, Б. Р. и др., Конфокальная эндомикроскопия: новое применение для визуализации слизистой оболочки полости рта и ротоглотки у человека. Европейский архив оториноларингологии – Хирургия головы и шеи, 2010. 267: с. 443-8.
- ^ Танбакути, Аа и др., Визуализация ткани яичника in vivo с использованием нового конфокального микролапароскопа. Американский журнал акушерства и гинекологии, 2010. 202: с. 90.е1-9.
- ^ Муфти Н. и др., Волоконно-оптическая микроэндоскопия для доклинического изучения динамики бактериальной инфекции. Биомедицинская оптика экспресс, 2011. 2: с. 1121-34.
- ^ Шарман MJ и др. Экзогенный флуорофор флуоресцеин позволяет оценить состояние слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта in vivo с помощью конфокальной эндомикроскопии: оптимизация внутривенного дозирования на модели собаки. Журнал ветеринарной фармакологии и терапии, 2012. DOI: 10.1111/jvp.12031.
