Трехмерная микроскопическая визуализация тканей в реальном времени может стать революцией в таких областях медицины, как диагностика рака, минимально инвазивная хирургия и офтальмология. Исследователи из Университета Иллинойса разработали метод вычислительной коррекции аберраций в оптической томографии, который позволяет сфокусировать будущее медицинской визуализации.

Вычислительный метод может обеспечить более быструю, менее дорогостоящую визуализацию тканей с более высоким разрешением для более широкого круга пользователей. Группа описывает свой метод на этой неделе в раннем онлайн-выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences.

"Вычислительные методы позволяют вам выйти за рамки того, что может сделать одна оптическая система, чтобы в конечном итоге получить изображения наилучшего качества и трехмерные наборы данных", - сказал Стивен Эди, научный сотрудник Института передовых наук и технологий Бекмана в США. I. "Это было бы очень полезно для приложений визуализации в реальном времени, таких как хирургия с наведением изображения".

Аберрации, такие как астигматизм или искажение, препятствуют получению изображений с высоким разрешением. Они превращают объекты, которые должны выглядеть как тонкие точки, в капли или полосы. Чем выше разрешение, тем серьезнее становится проблема. Это особенно сложно при визуализации тканей, когда точность жизненно важна для правильного диагноза.

Адаптивная оптика может исправлять аберрации в изображении. Он широко используется в астрономии для коррекции искажений при прохождении звездного света через атмосферу. Сложная система зеркал сглаживает рассеянный свет до того, как он попадает в объектив. Ученые-медики начали применять аппаратные средства адаптивной оптики в микроскопах, надеясь улучшить визуализацию клеток и тканей.

"Это та же задача, но вместо того, чтобы делать снимки через атмосферу, мы делаем снимки через ткань, и вместо того, чтобы делать снимки звезды, мы делаем снимки клетки", - сказал Стивен Боппарт, профессор электротехники и вычислительной техники, биоинженерии и внутренней медицины в Университете Калифорнии. "Но многие оптические проблемы те же".

К сожалению, адаптивная оптика на аппаратной основе сложна, утомительна в настройке и чрезвычайно дорога. Они могут фокусироваться только в одной фокальной плоскости одновременно, поэтому для томографии - например, трехмерных моделей, построенных на основе секционных изображений, как при компьютерной томографии, - зеркала необходимо отрегулировать и отсканировать новое изображение для каждой фокальной плоскости. Кроме того, сложные корректирующие системы непрактичны для портативных устройств, таких как хирургические зонды или сканеры сетчатки.

Таким образом, вместо использования аппаратных средств для коррекции профиля света до того, как он попадет в объектив, команда из Иллинойса использует компьютерное программное обеспечение для поиска и исправления аберраций после получения изображения. Группа Боппарта объединилась со Скоттом Карни, профессором электротехники и вычислительной техники и главой группы оптических наук в Институте Бекмана, для разработки метода, называемого вычислительной адаптивной оптикой. Они продемонстрировали технику на фантомах на основе геля, пронизанных микрочастицами, а также на легочной ткани крысы. Они сканируют образец ткани с помощью интерферометрического микроскопа, который представляет собой оптическое устройство формирования изображения, использующее два луча света. Компьютер собирает все данные, а затем корректирует изображения на всех глубинах в объеме. Размытые полосы становятся точками, из шума выделяются особенности, и пользователи могут изменять параметры щелчком мыши.

"Возможность исправления аберраций всего объема помогает нам получать изображение с высоким разрешением в любом месте этого объема", - сказал Эди. "Теперь вы можете видеть структуры тканей, которые раньше были вообще не очень четкими".

Компьютерная адаптивная оптика может быть применена к любому типу интерферометрических изображений, таких как оптическая когерентная томография, и вычисления могут выполняться на обычном настольном компьютере, что делает его доступным для многих больниц и клиник.

Далее исследователи работают над усовершенствованием алгоритмов и изучением приложений. Они объединяют свою вычислительную адаптивную оптику с графическими процессорами, рассчитывая на применение в реальном времени in vivo для хирургии, минимально инвазивной биопсии и многого другого.

Например, вычислительная адаптивная оптика может быть очень полезна для офтальмологов. Ранее группа Боппарта разработала различные портативные оптические томографические устройства для получения изображений внутри глаза, в частности для сканирования сетчатки. Аберрации очень распространены в человеческом глазу, что затрудняет получение четких изображений. Но оборудование для адаптивной оптики слишком дорого или слишком сложно для большинства практикующих офтальмологов. Благодаря вычислительному решению гораздо больше офтальмологов смогут более эффективно обследовать и лечить своих пациентов.

"Эффективность поразительна", - сказал Боппарт. "Из-за аберраций человеческого глаза, когда вы смотрите на сетчатку без адаптивной оптики, вы просто видите вариации светлых и темных областей, которые представляют палочки и колбочки. Но когда вы используете адаптивную оптику, вы видите палочки и колбочки как отдельные объекты ".

Кроме того, возможность корректировать данные после сбора позволяет исследователям разрабатывать микроскопические системы, которые максимально поглощают свет, вместо того, чтобы беспокоиться о минимизации аберраций. Это может привести к получению более качественных данных для лучшей визуализации изображений.