(a) El concepto de utilizar un sistema de fibra multimodo monomodo para reflectometría codificada en profundidad. El patrón de color corresponde a diferentes modos de propagación. Fibra monomodo SMF, Fibra multimodo MMF, Unidad de procesamiento de señales ópticas OSP. (b) Representación 3D del perfil de intensidad dentro de la fibra multimodo que muestra los procesos de generación de pocos modos de un sistema de fibra SMM. Las dimensiones laterales y axiales no están dibujadas a escala. El SMF tiene un diámetro de campo modal de 5 μm, y el MMF tiene un diámetro de núcleo de 50 µm y una longitud de 1,2 mm. Se supone una longitud de onda del sistema de 800 nm. (c) Simulaciones de la distribución de la intensidad del campo enfocado en el espacio de la imagen. La longitud del espaciador es de 1,6 mm, y el objetivo tiene una distancia focal de aproximadamente 0,5 mm. Suponemos un índice de refracción de 1,34 en el espacio de la imagen. La distribución de la intensidad del campo enfocado se normaliza mediante la intensidad máxima y se muestra en la escala de dB con un rango dinámico de 16 dB. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0211-5
Una nueva técnica de imágenes desarrollada por Biwei Yin e investigadores interdisciplinarios del Hospital General de Massachusetts y la Escuela de Medicina de Harvard en los EE. UU. proporciona resolución a nivel subcelular para obtener imágenes del sistema vascular del corazón. Como resultado, los investigadores del corazón pueden estudiar y diagnosticar la enfermedad de las arterias coronarias humanas con mayor precisión. Convencionalmente Los cardiólogos emplean la tomografía de coherencia óptica intravascular (OCT) para evaluar la acumulación de placa coronaria. que puede estrechar las arterias y causar una enfermedad de las arterias coronarias.
La técnica OCT es, sin embargo, limitado por una resolución lateral de sólo 30 micrones (µm), por lo que los investigadores no pueden obtener imágenes a nivel subcelular para comprender la enfermedad. El sistema de imágenes intravasculares de interferometría de pocos modos recientemente desarrollado contiene una resolución de tres micrones para proporcionar imágenes de estructuras celulares y subcelulares en la pared arterial. La vista mejorada puede proporcionar información detallada sobre cristales individuales, células de músculo liso y células inflamatorias con mayor precisión durante el diagnóstico de enfermedades. El trabajo de investigación se publica ahora en Luz:ciencia y aplicaciones .
La topografía de coherencia óptica (OCT) es un método de imagen convencional utilizado para obtener reflectancia transversal principalmente en entornos clínicos para obtener imágenes de una variedad de tejidos humanos, incluidos los órganos luminales dentro del cuerpo. La OCT intravascular (IVOCT) es de interés para acceder a la estructura de la placa coronaria y guiar la intervención coronaria percutánea (PCI) durante la enfermedad de las arterias coronarias; una de las principales causas de mortalidad en el mundo. Bioingenieros y cardiólogos han demostrado recientemente técnicas avanzadas de IVOCT, como IVOCT multimodal para combinar la forma convencional con modos de detección e imágenes adicionales, como la espectroscopia de fluorescencia e infrarrojo cercano. Las innovaciones adicionales incluyen IVOCT sensible a la polarización para medir la birrefringencia del tejido y proporcionar contraste de imágenes, así como IVOCT del latido del corazón para obtener imágenes densamente de las arterias coronarias in vivo sin introducir artefactos de movimiento. La barrera técnica más desafiante para aumentar la resolución lateral de un sistema OCT incluye ajustar la profundidad de enfoque (DOF) para imágenes transversales. Estudios anteriores que lograron un mayor DOF, tienen un factor de forma o complejidad para evitar aplicaciones clínicas intraluminales para imágenes coronarias.
(a) Simulación de la intensidad del campo de haz aberrado cuando los dispersores se colocan en el centro de la trayectoria del haz. Se modelaron cuatro dispersores, denotado como S1 – S4. Los dispersores tenían un diámetro de 2 µm y un índice de refracción de 1,5. La representación 3D del campo del haz y las distribuciones de intensidad transversal muestran que la aberración introducida por un dispersor individual está confinada dentro de cada modo. Z indica la dirección de propagación del haz. Barra de escala:10 μm. (b) Fotografía del catéter coronario de intercambio rápido de alambre guía de 2.6 F completado. (c) Una fotografía del extremo distal del catéter, tomado con un microscopio. La sonda de fibra tenía un diámetro de 500 µm y una longitud rígida de menos de 4 mm. Barra de escala:500 μm. (d) Fotografía del patrón de anillo de la luz transmitida a través de la fibra óptica de la sonda del catéter, correspondiente a múltiples modos de propagación. La pantalla se colocó en un ángulo pequeño con respecto a la dirección de propagación del haz, mostrando que el espejo cilíndrico dirige el rayo en un ángulo de ~ 8 ° normal a la vaina para reducir la reflexión especular. e) Simulación de la distribución de intensidad de campo en el eje normalizada con respecto a la profundidad para la longitud de onda central y los dos extremos de los espectros. mostrando que el efecto de cambio focal cromático mitiga la discontinuidad de la intensidad del campo. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0211-5
En el presente trabajo, Yin y col. describió un sistema de imágenes intravasculares basado en interferometría de pocos modos con DOF extendido para imágenes transversales con resolución celular, en un rango de profundidad de más de 1 mm. La tecnología les permitió observar estructuras celulares y subcelulares de arterias intactas de tamaño coronario humano ex vivo e in vivo a través de un sistema flexible, catéter de diámetro submilimétrico. Los investigadores utilizaron interferometría de baja coherencia que resolvió el retardo de la longitud de la ruta para decodificar la información transportada por cada modo que viaja a una longitud de ruta óptica diferente en la configuración experimental.
Múltiples modos de propagación podrían interrogar simultáneamente una muestra a diferentes profundidades para transmitir la señal codificada en profundidad a través de un canal común para su procesamiento. El proceso aumentó la capacidad de adquisición del sistema de reflectometría sin canales adicionales de iluminación y detección. Para visualizar los efectos, Yin y col. simuló el campo de haz enfocado a diferentes profundidades a lo largo del centro de la trayectoria del haz, donde las partículas dispersas introdujeron aberraciones en el campo del haz como perturbación del campo. La propiedad de autocuración (autoreconstrucción) del proceso de propagación sugirió la independencia de cada modo en los medios de dispersión.
(a – c) IVOCT, IVFMI, e imágenes histológicas que muestran una sección transversal de la arteria que contiene depósitos de cristales de colesterol. En la imagen estándar IVOCT (a), las estructuras de alta dispersión se considerarían acumulaciones de macrófagos utilizando los criterios actuales de IVOCT21, mientras que la imagen IVFMI (b) demuestra que estas características eran cristales, un hallazgo que es consistente con la histología correspondiente. (d) Una sección transversal de una arteria que tenía múltiples cristales de colesterol caracterizados por reflejos de sus superficies superior e inferior. (e) Imagen que muestra que IVFMI podría resolver pequeños cristales a distancias cercanas a la vaina (un par de cientos de micrones) y lejos de la vaina (~ 1 mm) simultáneamente. (F, g) IVFMI e imágenes histológicas correspondientes de un nódulo calcificado, respectivamente. (h) estaba aproximadamente a 1,3 mm longitudinalmente de (g), donde se observó trombo sobre el nódulo calcificado. Las flechas azules son características que son compatibles con los leucocitos, la flecha amarilla sugiere trombo, y la flecha verde muestra una célula que probablemente sea un monocito / macrófago. Se aplicó un filtro de desenfoque gaussiano con un radio de 2 μm a las imágenes de IVFMI transversales. Las barras de escala para todas las imágenes son 100 μm. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0211-5
Basado en el concepto, El equipo de investigación creó un dispositivo de imágenes intravascular de interferometría de pocos modos (IVFMI) con un láser supercontinuo como fuente de luz. Utilizaron un interferómetro de baja coherencia como unidad de procesamiento de señales ópticas, un catéter para codificación de profundidad y detección de señal de retrodispersión, así como optomecánica para escanear. Usando la configuración, los investigadores realizaron una exploración helicoidal de la pared de la luz para la reconstrucción tridimensional (3-D) de la arteria. Usando un catéter dentro de una arteria, adquirieron imágenes transversales a 17 fotogramas por segundo. Con una mejora de casi 1000 veces en la resolución volumétrica, El equipo de investigación resolvió las estructuras celulares y subcelulares utilizando IVFMI (interferometría intravascular de pocos modos) en contraste con el método convencional IVOCT (Intravascular OCT).
Por ejemplo, cuando los científicos compararon imágenes estándar IVOCT e IVFMI correspondientes a la misma sección transversal de una arteria coronaria de un cadáver humano, pudieron distinguir claramente los cristales densamente empaquetados utilizando solo IVFMI. A diferencia de, Las imágenes obtenidas con la técnica IVOCT estándar eran borrosas y globulares, lo que hace que sea más probable caracterizarlos erróneamente como acumulaciones de macrófagos. Similar, el equipo de investigación observó células de músculo liso usando el catéter IVFMI, que no se pudo resolver con el método convencional IVOCT.
Reconstrucción tridimensional e imágenes de sección transversal correspondientes de los datos del IVFMI obtenidos de una arteria coronaria de un cadáver humano. La luz muestra macrófagos individuales que residen en la superficie de una placa fibroateromatosa. (a, b) Representación 3D e imágenes de corte transversal que muestran una célula individual (flechas amarillas) que parece transmigrar a través del endotelio hacia un depósito de cristales de la íntima (flechas rojas). (C, d) Representación 3D e imágenes transversales que muestran dos macrófagos atados a la superficie endotelial, polarizados uno hacia el otro con pseudópodos extendidos (flecha azul). Barras de escala:50 μm. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0211-5.
La sección transversal de IVFMI de una arteria también resolvió los cristales de colesterol que suelen ser difíciles de obtener con métodos convencionales debido a sus notables reflejos. Como resultado del DOF extendido habilitado con la configuración de IVFMI, los investigadores resolvieron microestructuras que se encuentran a unos pocos cientos de micrones o milímetros de la vaina del catéter, simultáneamente en una exploración circunferencial.
Dado que las células inflamatorias impulsan el desarrollo de placas ateroscleróticas, Yin y col. representó células de músculo liso de la íntima y macrófagos sometidos a diapédesis utilizando IVFMI. Las imágenes mostraban un fino detalle de la masa intraluminal, incluyendo la presencia de células brillantes como leucocitos incrustados en la malla de fibrina para formar lo que parecía ser un trombo. Los investigadores utilizaron los datos del IVFMI obtenidos de la pared de la luz coronaria de un cadáver para reconstrucciones en 3D y también desarrollaron reconstrucciones en 3D de los datos del IVFMI obtenidos de una aorta de conejo vivo con placa aterosclerótica. Detectaron la placa de la pared de la arteria normal al observar la morfología de la superficie elevada, que se proyecta en el lumen (espacio interior de una estructura tubular como una arteria).
Imágenes de IVFMI de arterias de conejo adquiridas in vivo. (a) Reconstrucción 3D de aorta aterosclerótica de conejo. La flecha blanca indica el cable guía. Las flechas azul y roja indican regiones de placa aterosclerótica. (b) Imagen de sección transversal de la pared de la luz que contiene tejido de la media aórtica normal y la lesión ateromatosa indicada por la flecha azul en (a). (c) Imagen ampliada correspondiente a la región de trazos azules en (b). La flecha amarilla delimita una región que contiene células de músculo liso incrustadas en una red de colágeno en una porción de la pared aórtica normal. mientras que la flecha verde indica una placa aterosclerótica. (d) Reconstrucción 3D de un stent implantado en la arteria ilíaca. Las flechas violeta y roja indican puntales de stent. (e) Una imagen de sección transversal correspondiente a la ubicación indicada por la flecha violeta en (d). Las flechas naranjas resaltan diminuto, punteado características de alta dispersión que son consistentes con las plaquetas alrededor del puntal del stent (flecha roja), con las flechas verdes que indican la pared de la arteria. Se aplicó un filtro de desenfoque gaussiano con un radio de 2 μm a las imágenes de IVFMI transversales. Barra de escala:100 μm. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0211-5.
Usando imágenes transversales, el equipo observó una red de colágeno y células de músculo liso en el medio normal con mayor claridad. También obtuvieron datos de IVFMI reconstruidos en 3-D en un segmento de la pared del lumen implantado con un stent una hora antes de la obtención de imágenes. El proceso IVFMI visualizó el detalle microestructural de los puntales del stent con un detalle sin precedentes para la obtención de imágenes intravasculares. Yin y col. observado pequeño, alta reflectividad, puntos del tamaño de una micra que rodean algunos de los puntales del stent e incluso podrían identificar los detalles finos de las plaquetas microestructurales en las imágenes.
De este modo, Biwei Yin y sus colegas desarrollaron y demostraron una técnica para superar los problemas de implementación de interferometría de pocos modos, para aumentar la profundidad de enfoque (DOF) en más de un orden de magnitud. La tecnología de configuración óptica ocupa poco espacio, capacidad de codificación de profundidad y estabilidad de transmisión, con importantes aplicaciones en endomicroscopía de resolución profunda. Los resultados confirmaron el potencial de la nueva tecnología para adquirir imágenes con una buena relación señal / ruido y mostrar microestructuras celulares y subcelulares relevantes para la enfermedad bien definidas dentro de las arterias coronarias de cadáveres humanos ex vivo y arterias de conejo in vivo.
El dispositivo es física y mecánicamente idéntico a los catéteres coronarios que se utilizan para la obtención de imágenes IVOCT convencionales en la clínica. Estos hallazgos indican la posibilidad de traducir la nueva técnica IVFMI para imágenes clínicas para ver la patología coronaria celular en humanos en el laboratorio de cateterismo cardíaco. La técnica se puede usar para ver imágenes celulares más allá de las imágenes intravasculares para incluir órganos luminales como el tracto gastrointestinal y los tractos pulmonares para aumentar la precisión del diagnóstico clínico.
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