Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com.Używasz wersji przeglądarki z ograniczoną obsługą CSS.Aby uzyskać najlepszą jakość, zalecamy użycie zaktualizowanej przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w przeglądarce Internet Explorer).Dodatkowo, aby zapewnić bieżące wsparcie, pokazujemy witrynę bez stylów i JavaScript.
Wyświetla karuzelę z trzema slajdami jednocześnie.Użyj przycisków Poprzedni i Następny, aby przejść przez trzy slajdy jednocześnie, lub użyj przycisków suwaka na końcu, aby przejść przez trzy slajdy jednocześnie.
Konfokalna endoskopia laserowa to nowa metoda biopsji optycznej w czasie rzeczywistym.Obrazy fluorescencyjne o jakości histologicznej można natychmiast uzyskać z nabłonka narządów pustych.Obecnie skanowanie proksymalne wykonuje się za pomocą instrumentów opartych na sondzie, które są powszechnie stosowane w praktyce klinicznej, przy ograniczonej elastyczności w kontroli ostrości.Demonstrujemy zastosowanie parametrycznego skanera rezonansowego zamontowanego na dystalnym końcu endoskopu w celu przeprowadzenia szybkiego odchylenia bocznego.W środku odbłyśnika wytrawiono otwór, który zawija ścieżkę światła.Taka konstrukcja zmniejsza rozmiar instrumentu do 2,4 mm średnicy i 10 mm długości, umożliwiając jego przesuwanie do przodu przez kanał roboczy standardowych endoskopów medycznych.Kompaktowy obiektyw zapewnia rozdzielczość poprzeczną i osiową odpowiednio 1,1 i 13,6 µm.Odległość roboczą 0 µm i pole widzenia 250 µm × 250 µm osiąga się przy częstotliwości odświeżania do 20 Hz.Wzbudzenie przy 488 nm powoduje wzbudzenie fluoresceiny, barwnika zatwierdzonego przez FDA do zapewniania wysokiego kontrastu tkanek.Endoskopy były poddawane bezawaryjnej regeneracji przez 18 cykli, przy użyciu klinicznie zatwierdzonych metod sterylizacji.Podczas rutynowej kolonoskopii uzyskano obrazy fluorescencyjne prawidłowej błony śluzowej okrężnicy, gruczolaków kanalikowych, polipów hiperplastycznych, wrzodziejącego zapalenia okrężnicy i zapalenia okrężnicy Leśniowskiego-Crohna.Można zidentyfikować pojedyncze komórki, w tym kolonocyty, komórki kubkowe i komórki zapalne.Można wyróżnić cechy błony śluzowej, takie jak struktury krypt, jamy krypt i blaszka właściwa.Urządzenie może być stosowane jako uzupełnienie konwencjonalnej endoskopii.
Konfokalna endoskopia laserowa to nowatorska metoda obrazowania opracowywana do użytku klinicznego jako uzupełnienie rutynowej endoskopii1,2,3.Te elastyczne, połączone światłowodem instrumenty można wykorzystać do wykrywania chorób w komórkach nabłonkowych wyścielających narządy puste, takie jak okrężnica.Ta cienka warstwa tkanki jest wysoce aktywna metabolicznie i jest źródłem wielu procesów chorobowych, takich jak rak, infekcje i stany zapalne.Endoskopia może osiągnąć rozdzielczość subkomórkową, zapewniając obrazy in vivo o jakości bliskiej histologicznej w czasie rzeczywistym, co pomaga klinicystom w podejmowaniu decyzji klinicznych.Fizyczna biopsja tkanki niesie ze sobą ryzyko krwawienia i perforacji.Często pobiera się za dużo lub za mało próbek biopsyjnych.Każda usunięta próbka zwiększa koszt operacji.Ocena próbki przez patologa zajmuje kilka dni.W dniach oczekiwania na wyniki patologii pacjenci często odczuwają niepokój.Natomiast innym metodom obrazowania klinicznego, takim jak MRI, CT, PET, SPECT i USG, brakuje rozdzielczości przestrzennej i szybkości czasowej wymaganej do wizualizacji procesów nabłonkowych in vivo z rozdzielczością subkomórkową w czasie rzeczywistym.
Instrument oparty na sondzie (Cellvizio) jest obecnie powszechnie stosowany w klinikach do wykonywania „biopsji optycznej”.Konstrukcja opiera się na przestrzennie spójnej wiązce światłowodowej4, która zbiera i przesyła obrazy fluorescencyjne.Pojedynczy rdzeń światłowodu działa jak „dziura”, która przestrzennie filtruje rozogniskowane światło w celu uzyskania rozdzielczości subkomórkowej.Skanowanie przeprowadza się proksymalnie przy użyciu dużego, nieporęcznego galwanometru.Przepis ten ogranicza możliwości narzędzia kontroli ostrości.Właściwa ocena stopnia zaawansowania wczesnego raka nabłonkowego wymaga wizualizacji pod powierzchnią tkanki w celu oceny inwazji i ustalenia odpowiedniego leczenia.Fluoresceinę, środek kontrastowy zatwierdzony przez FDA, podaje się dożylnie w celu uwypuklenia cech strukturalnych nabłonka. Endomkroskopy te mają średnicę <2,4 mm i można je łatwo przepuszczać przez kanał biopsyjny standardowych endoskopów medycznych. Endomkroskopy te mają średnicę <2,4 mm i można je łatwo przepuszczać przez kanał biopsyjny standardowych endoskopów medycznych. Эти эндомикроскопы имеют размеры <2,4 мм в диаметре i могут быть легко проведены через биопсийный канал standarтных медицинских эндоскопов. Endomkroskopy te mają średnicę <2,4 mm i można je łatwo przeprowadzić przez kanał biopsyjny standardowych endoskopów medycznych.Boroskopy te mają średnicę mniejszą niż 2,4 mm i z łatwością przechodzą przez kanał biopsyjny standardowych boroskopów medycznych.Ta elastyczność pozwala na szeroki zakres zastosowań klinicznych i jest niezależna od producentów endoskopów.Z wykorzystaniem tego urządzenia obrazującego przeprowadzono liczne badania kliniczne, obejmujące wczesne wykrywanie nowotworów przełyku, żołądka, jelita grubego i jamy ustnej.Opracowano protokoły obrazowania i ustalono bezpieczeństwo zabiegu.
Systemy mikroelektromechaniczne (MEMS) to zaawansowana technologia umożliwiająca projektowanie i produkcję niewielkich mechanizmów skanujących stosowanych w dystalnym końcu endoskopów.Pozycja ta (w stosunku do bliższej) pozwala na większą elastyczność w sterowaniu pozycją ogniska5,6.Oprócz odchylenia bocznego mechanizm dystalny może również wykonywać skany osiowe, skany po obiektywne i skany z dostępem swobodnym.Możliwości te umożliwiają bardziej wszechstronne badanie komórek nabłonkowych, w tym obrazowanie w przekroju pionowym7, skanowanie wolne od aberracji w dużym polu widzenia (FOV)8 i lepszą wydajność w podobszarach zdefiniowanych przez użytkownika9.MEMS rozwiązuje poważny problem związany z pakowaniem silnika skanującego w ograniczoną przestrzeń dostępną na drugim końcu instrumentu.W porównaniu do nieporęcznych galwanometrów, MEMS zapewniają doskonałą wydajność przy małych rozmiarach, dużej prędkości i niskim zużyciu energii.Prosty proces produkcyjny można przy niskich kosztach skalować do produkcji masowej.Wiele projektów MEMS zostało już wcześniej zgłoszonych10,11,12.Żadna z technologii nie została jeszcze rozwinięta na tyle, aby umożliwić powszechne zastosowanie kliniczne obrazowania in vivo w czasie rzeczywistym za pośrednictwem kanału roboczego endoskopu medycznego.W tym miejscu naszym celem jest zademonstrowanie zastosowania skanera MEMS na dystalnym końcu endoskopu do pozyskiwania obrazu człowieka in vivo podczas rutynowej endoskopii klinicznej.
Opracowano instrument światłowodowy, wykorzystujący skaner MEMS na dystalnym końcu, do zbierania w czasie rzeczywistym obrazów fluorescencyjnych in vivo o podobnych cechach histologicznych.Światłowód jednomodowy (SMF) jest zamknięty w elastycznej rurze polimerowej i wzbudzany przy λex = 488 nm.Taka konfiguracja skraca długość dystalnej końcówki i umożliwia jej wprowadzenie do przodu przez kanał roboczy standardowych endoskopów medycznych.Użyj końcówki, aby wycentrować optykę.Soczewki te zaprojektowano tak, aby osiągały niemal dyfrakcyjną rozdzielczość osiową przy aperturze numerycznej (NA) = 0,41 i odległości roboczej = 0 µm13.Precyzyjne podkładki służą do precyzyjnego ustawienia optyki 14. Skaner jest umieszczony w endoskopie ze sztywną końcówką dystalną o średnicy 2,4 mm i długości 10 mm (ryc. 1a).Wymiary te pozwalają na zastosowanie go w praktyce klinicznej jako akcesorium podczas endoskopii (ryc. 1b).Maksymalna moc padającego lasera na tkankę wynosiła 2 mW.
Konfokalna endoskopia laserowa (CLE) i skanery MEMS.Zdjęcie przedstawiające (a) zapakowany instrument ze sztywną końcówką dystalną o średnicy 2,4 mm i długości 10 mm oraz (b) proste przejście przez kanał roboczy standardowego endoskopu medycznego (Olympus CF-HQ190L).(c) Widok skanera z przodu, przedstawiający reflektor z centralnym otworem 50 µm, przez który przechodzi wiązka wzbudzająca.Skaner zamontowany jest na gimbalu napędzanym zespołem kwadraturowych napędów grzebieniowych.Częstotliwość rezonansowa urządzenia jest określona przez rozmiar sprężyny skrętowej.(d) Widok z boku skanera przedstawiający skaner zamontowany na stojaku z przewodami podłączonymi do kotwic elektrod, które zapewniają punkty połączenia sygnałów napędu i zasilania.
Mechanizm skanujący składa się z reflektora zamontowanego na przegubie Cardana, napędzanego zestawem siłowników kwadraturowych napędzanych grzebieniem, które odchylają wiązkę w bok (płaszczyzna XY) według wzoru Lissajous (ryc. 1c).W środku wytrawiono otwór o średnicy 50 µm, przez który przechodziła wiązka wzbudzająca.Skaner napędzany jest częstotliwością rezonansową konstrukcji, którą można dostroić, zmieniając wymiary sprężyny skrętowej.Na obwodzie urządzenia wygrawerowano kotwice elektrod, zapewniające punkty podłączenia sygnałów zasilania i sterowania (rys. 1d).
System obrazowania jest zamontowany na przenośnym wózku, który można wjechać na salę operacyjną.Graficzny interfejs użytkownika został zaprojektowany tak, aby wspierać użytkowników o minimalnej wiedzy technicznej, takich jak lekarze i pielęgniarki.Ręcznie sprawdź częstotliwość napędu skanera, tryb kształtu wiązki i pole widzenia obrazu.
Całkowita długość endoskopu wynosi około 4 m, aby umożliwić pełne przejście instrumentów przez kanał roboczy standardowego endoskopu medycznego (1,68 m), a dodatkowa długość zapewnia łatwość manewrowania.Na bliższym końcu endoskopu SMF i przewody kończą się złączami, które łączą się z portami światłowodowymi i przewodowymi stacji bazowej.Instalacja składa się z lasera, zespołu filtrującego, wzmacniacza wysokiego napięcia i detektora fotopowielacza (PMT).Wzmacniacz dostarcza sygnały zasilania i napędu do skanera.Jednostka filtra optycznego łączy wzbudzenie lasera z SMF i przepuszcza fluorescencję do PMT.
Endoskopy są poddawane regeneracji po każdym zabiegu klinicznym przy użyciu procesu sterylizacji STERRAD i wytrzymują bezawaryjnie do 18 cykli.W przypadku roztworu OPA po ponad 10 cyklach dezynfekcji nie zaobserwowano żadnych oznak uszkodzeń.Wyniki projektu OPA były lepsze od wyników badania STERRAD, co sugeruje, że żywotność endoskopów można przedłużyć poprzez dezynfekcję wysokiego poziomu, a nie ponowną sterylizację.
Rozdzielczość obrazu określono na podstawie funkcji rozproszenia punktowego przy użyciu kulek fluorescencyjnych o średnicy 0,1 µm.Dla rozdzielczości bocznej i osiowej zmierzono pełną szerokość w połowie maksimum (FWHM) odpowiednio 1, 1 i 13, 6 µm (ryc. 2a, b).
Opcje obrazu.Rozdzielczość poprzeczną (a) i osiową (b) optyki skupiającej charakteryzuje się funkcją rozproszenia punktu (PSF) mierzoną za pomocą fluorescencyjnych mikrosfer o średnicy 0,1 μm.Zmierzona pełna szerokość w połowie maksimum (FWHM) wynosiła odpowiednio 1,1 i 13,6 µm.Wstawka: Pokazano powiększone widoki pojedynczej mikrosfery w kierunku poprzecznym (XY) i osiowym (XZ).(c) Obraz fluorescencyjny uzyskany ze standardowego paska docelowego (USAF 1951) (czerwony owalny), pokazujący, że grupy 7-6 można wyraźnie rozróżnić.(d) Obraz rozproszonych mikrosfer fluorescencyjnych o średnicy 10 µm, pokazujący pole widzenia obrazu 250 µm × 250 µm.PSF w (a, b) zostały zbudowane przy użyciu MATLAB R2019a (https://www.mathworks.com/).(c, d) Obrazy fluorescencyjne zebrano przy użyciu LabVIEW 2021 (https://www.ni.com/).
Obrazy fluorescencyjne z soczewek o standardowej rozdzielczości wyraźnie wyróżniają zbiór kolumn w grupach 7-6, który zachowuje wysoką rozdzielczość boczną (ryc. 2c).Pole widzenia (FOV) o wymiarach 250 µm × 250 µm określono na podstawie obrazów kulek fluorescencyjnych o średnicy 10 µm rozproszonych na szkiełkach nakrywkowych (ryc. 2d).
W systemie obrazowania klinicznego wdrożono zautomatyzowaną metodę kontroli wzmocnienia PMT i korekcji fazy w celu ograniczenia artefaktów ruchowych pochodzących z endoskopów, perystaltyki okrężnicy i oddychania pacjenta.Algorytmy rekonstrukcji i przetwarzania obrazu zostały opisane wcześniej14,15.Wzmocnienie PMT jest kontrolowane przez sterownik proporcjonalno-całkujący (PI), aby zapobiec nasyceniu intensywności16.System odczytuje maksymalną intensywność pikseli dla każdej klatki, oblicza odpowiedzi proporcjonalne i całkowe oraz określa wartości wzmocnienia PMT, aby upewnić się, że intensywność pikseli mieści się w dopuszczalnym zakresie.
Podczas obrazowania in vivo niedopasowanie fazowe pomiędzy ruchem skanera a sygnałem sterującym może powodować rozmycie obrazu.Efekty takie mogą wystąpić na skutek zmian temperatury urządzenia wewnątrz ciała człowieka.Obrazy w świetle białym wykazały, że endoskop miał kontakt z prawidłową błoną śluzową okrężnicy in vivo (ryc. 3a).Na surowych obrazach prawidłowej błony śluzowej okrężnicy można zobaczyć rozmycie niewyrównanych pikseli (ryc. 3b).Po leczeniu z odpowiednim ustawieniem fazy i kontrastu można było wyróżnić subkomórkowe cechy błony śluzowej (ryc. 3c).Aby uzyskać dodatkowe informacje, surowe obrazy konfokalne i przetworzone obrazy w czasie rzeczywistym pokazano na rys. S1, a parametry rekonstrukcji obrazu wykorzystane do przetwarzania w czasie rzeczywistym i przetwarzania końcowego przedstawiono w tabelach S1 i tabeli S2.
Przetwarzanie obrazu.(a) Szerokokątny obraz endoskopowy przedstawiający endoskop (E) umieszczony w kontakcie z prawidłową (N) błoną śluzową okrężnicy w celu zebrania obrazów fluorescencyjnych in vivo po podaniu fluoresceiny.(b) Błądzenie w osiach X i Y podczas skanowania może spowodować rozmycie źle ustawionych pikseli.W celach demonstracyjnych do oryginalnego obrazu stosowane jest duże przesunięcie fazowe.(c) Po korekcji fazy po obróbce można ocenić szczegóły błony śluzowej, w tym struktury krypt (strzałki), z centralnym światłem (l) otoczonym blaszką właściwą (lp).Można wyróżnić pojedyncze komórki, w tym kolonocyty (c), komórki kubkowe (g) i komórki zapalne (strzałki).Zobacz dodatkowy film 1. (b, c) Obrazy przetworzone przy użyciu LabVIEW 2021.
Obrazy fluorescencji konfokalnej uzyskano in vivo w przypadku kilku chorób okrężnicy, aby wykazać szerokie zastosowanie kliniczne tego instrumentu.Najpierw wykonuje się obrazowanie szerokokątne przy użyciu światła białego w celu wykrycia rażąco nieprawidłowej błony śluzowej.Następnie endoskop wprowadza się przez kanał roboczy kolonoskopu i styka się z błoną śluzową.
Endoskopia szerokiego pola, endomikroskopia konfokalna i obrazy histologiczne (H&E) są pokazane w przypadku neoplazji okrężnicy, w tym gruczolaka kanalikowego i polipa hiperplastycznego. Endoskopia szerokiego pola, endomikroskopia konfokalna i obrazy histologiczne (H&E) są pokazane w przypadku neoplazji okrężnicy, w tym gruczolaka kanalikowego i polipa hiperplastycznego. Широкопольная эндоскопия, конфокальная эндомикроскопия и гистологические (H&E) изображения показаны дл я неоплазии толстой кишки, включая тубулярную аденому и гиперпластический полип. Endoskopia okrężnicy, endomikroskopia konfokalna i obrazowanie histologiczne (H&E) są wskazane w przypadku neoplazji okrężnicy, w tym gruczolaka kanalikowego i polipa rozrostowego.显示结肠肿瘤(包括管状腺瘤和增生性息肉）的广角内窥镜检查、共聚焦显微内窥镜检查和组织学(H&E) 图像。共设计脚肠化(图像管状躰化和增生性息肉)的广角内刵霱录共共共光在微微全在圕别具和结Zdjęcie 果学(H&E). Широкопольная эндоскопия, конфокальная микроэндоскопия и гистологические (H&E) изображения, показываю щие опухоли толстой кишки, включая тубулярные аденомы и гиперпластические полипы. Endoskopia szerokiego pola, mikroendoskopia konfokalna i obrazy histologiczne (H&E) ukazujące nowotwory okrężnicy, w tym gruczolaki kanalikowe i polipy hiperplastyczne.Gruczolaki rurkowe wykazały utratę prawidłowej architektury krypt, zmniejszenie wielkości komórek kubkowych, zniekształcenie światła krypt i pogrubienie blaszki właściwej (ryc. 4a-c).Polipy hiperplastyczne wykazywały gwiaździstą architekturę krypt, kilka komórek kubkowych, szczelinowe światło krypt i nieregularne krypty blaszkowate (ryc. 4d-f).
Obraz grubej skóry błony śluzowej in vivo. Przedstawiono reprezentatywne obrazy endoskopii w świetle białym, endoskopu konfokalnego i histologiczne (H&E) dla (ac) gruczolaka, (df) polipa hiperplastycznego, (gi) wrzodziejącego zapalenia jelita grubego i (jl) zapalenia jelita grubego Leśniowskiego-Crohna. Przedstawiono reprezentatywne obrazy endoskopii w świetle białym, endoskopu konfokalnego i histologiczne (H&E) dla (ac) gruczolaka, (df) polipa hiperplastycznego, (gi) wrzodziejącego zapalenia jelita grubego i (jl) zapalenia jelita grubego Leśniowskiego-Crohna. Типичные изображения эндоскопии в белом свете, конфокального эндомикроскопа и гистологии (H&E) показаны для (ac) аденомы, (df) гиперпластического полипа, (gi) язвенного колита и (jl) колита Крона. Przedstawiono typowe obrazy endoskopii w świetle białym, endoskopu konfokalnego i obrazy histologiczne (H&E) dla (ac) gruczolaka, (df) polipa hiperplastycznego, (gi) wrzodziejącego zapalenia jelita grubego i (jl) zapalenia jelita grubego Leśniowskiego-Crohna.显示了(ac) 腺瘤、(df) 增生性息肉、(gi) 溃疡性结肠炎和(jl) 克罗恩结肠炎的代表性白光内窥镜检查、共聚焦内窥镜检查和组织学( H&E) 图像。 Pokazuje (ac) 躰真、(df) 增生性息肉、(gi) 苏盖性红肠炎和(jl) 克罗恩红肠炎的体育性白光内肠肠炎性、共公司内肠肠炎性和电视学(H&E ) obraz. Представлены репрезентативные эндоскопия в белом свете, конфокальная эндоскопия и гистология (ac) аденомы, ( df) гиперпластического полипоза, (gi) язвенного колита и (jl) колита Крона (H&E). Przedstawiono reprezentatywną endoskopię w świetle białym, endoskopię konfokalną i histologię (ac) gruczolaka, (df) polipowatości rozrostowej, (gi) wrzodziejącego zapalenia jelita grubego i (jl) zapalenia jelita grubego Leśniowskiego-Crohna (H&E).(B) przedstawia obraz konfokalny uzyskany in vivo z gruczolaka kanalikowego (TA) przy użyciu endoskopu (E).Ta zmiana przedrakowa wykazuje utratę normalnej architektury krypty (strzałka), zniekształcenie światła krypty (l) i stłoczenie blaszki właściwej krypty (lp).Można również zidentyfikować kolonocyty (c), komórki kubkowe (g) i komórki zapalne (strzałki).smt.Film uzupełniający 2. (e) pokazuje obraz konfokalny uzyskany z polipa hiperplastycznego (HP) in vivo.Ta łagodna zmiana ma architekturę krypty gwiaździstej (strzałka), światło krypty przypominające szczelinę (l) i blaszkę właściwą o nieregularnym kształcie (lp).Można również zidentyfikować kolonocyty (c), kilka komórek kubkowych (g) i komórki zapalne (strzałki).smt.Dodatkowe wideo 3. (h) pokazuje obrazy konfokalne uzyskane we wrzodziejącym zapaleniu jelita grubego (UC) in vivo.Ten stan zapalny charakteryzuje się zniekształconą architekturą krypt (strzałka) i widocznymi komórkami kubkowymi (g).Pióra fluoresceiny (f) są wytłaczane z komórek nabłonkowych, co odzwierciedla zwiększoną przepuszczalność naczyń.W blaszce właściwej (lp) widoczne są liczne komórki zapalne (strzałki).smt.Dodatkowe wideo 4. (k) przedstawia obraz konfokalny uzyskany in vivo z obszaru zapalenia jelita grubego Leśniowskiego-Crohna (CC).Ten stan zapalny charakteryzuje się zniekształconą architekturą krypt (strzałka) i widocznymi komórkami kubkowymi (g).Pióra fluoresceiny (f) są wytłaczane z komórek nabłonkowych, co odzwierciedla zwiększoną przepuszczalność naczyń.W blaszce właściwej (lp) widoczne są liczne komórki zapalne (strzałki).smt.Film uzupełniający 5. (b, d, h, l) Obrazy przetworzone przy użyciu LabVIEW 2021.
Pokazano podobny zestaw obrazów zapalenia okrężnicy, w tym wrzodziejącego zapalenia jelita grubego (UC) (ryc. 4g-i) i zapalenia okrężnicy Leśniowskiego-Crohna (ryc. 4j-l).Uważa się, że reakcję zapalną charakteryzują zniekształcone struktury krypt z wystającymi komórkami kubkowymi.Fluoresceina jest wyciskana z komórek nabłonkowych, co odzwierciedla zwiększoną przepuszczalność naczyń.W blaszce właściwej widoczna jest duża liczba komórek zapalnych.
Zademonstrowaliśmy zastosowanie kliniczne elastycznego, konfokalnego endoskopu laserowego ze sprzężeniem światłowodowym, który wykorzystuje umieszczony dystalnie skaner MEMS do akwizycji obrazu in vivo.Przy częstotliwości rezonansowej można uzyskać częstotliwość odświeżania do 20 Hz, korzystając z trybu skanowania Lissajous o dużej gęstości, aby zredukować artefakty spowodowane ruchem.Ścieżka optyczna jest zagięta, aby zapewnić rozszerzenie wiązki i aperturę numeryczną wystarczającą do osiągnięcia rozdzielczości bocznej 1,1 µm.Fluorescencyjne obrazy o jakości histologicznej uzyskano podczas rutynowej kolonoskopii prawidłowej błony śluzowej okrężnicy, gruczolaków kanalikowych, polipów rozrostowych, wrzodziejącego zapalenia okrężnicy i zapalenia okrężnicy Leśniowskiego-Crohna.Można zidentyfikować pojedyncze komórki, w tym kolonocyty, komórki kubkowe i komórki zapalne.Można wyróżnić cechy błony śluzowej, takie jak struktury krypt, jamy krypt i blaszka właściwa.Precyzyjny sprzęt jest poddawany mikroobróbce, aby zapewnić precyzyjne ustawienie poszczególnych elementów optycznych i mechanicznych w instrumencie o średnicy 2,4 mm i długości 10 mm.Konstrukcja optyczna zmniejsza długość sztywnej końcówki dystalnej na tyle, aby umożliwić bezpośrednie przejście przez kanał roboczy o standardowym rozmiarze (średnica 3,2 mm) w endoskopach medycznych.Dlatego niezależnie od producenta urządzenie może być powszechnie stosowane przez lekarzy w miejscu zamieszkania.Wzbudzenie przeprowadzono przy λex = 488 nm w celu wzbudzenia fluoresceiny, barwnika zatwierdzonego przez FDA, w celu uzyskania wysokiego kontrastu.Narzędzie poddano bezproblemowej rekonwalescencji przez 18 cykli, stosując klinicznie przyjęte metody sterylizacji.
Dwa inne projekty instrumentów zostały zweryfikowane klinicznie.Cellvizio (Mauna Kea Technologies) to konfokalny endoskop laserowy (pCLE) oparty na sondzie, który wykorzystuje wiązkę wielomodowych, spójnych kabli światłowodowych do gromadzenia i przesyłania obrazów fluorescencyjnych1.Lustro galvo umieszczone na stacji bazowej wykonuje skanowanie boczne na końcu proksymalnym.Skrawki optyczne zbierane są w płaszczyźnie poziomej (XY) na głębokości od 0 do 70 µm.Dostępne są zestawy mikrosond o średnicy od 0,91 (igła 19 G) do 5 mm.Osiągnięto rozdzielczość poprzeczną od 1 do 3,5 µm.Obrazy zbierano z częstotliwością odświeżania od 9 do 12 Hz z jednowymiarowym polem widzenia od 240 do 600 µm.Platformę stosowano klinicznie w różnych obszarach, w tym w drogach żółciowych, pęcherzu, okrężnicy, przełyku, płucach i trzustce.Firma Optiscan Pty Ltd opracowała endoskopowy konfokalny endoskop laserowy (eCLE) z silnikiem skanującym wbudowanym w rurkę wprowadzającą (koniec dystalny) profesjonalnego endoskopu (EC-3870K, Pentax Precision Instruments) 17 .Sekcję optyczną wykonano za pomocą światłowodu jednomodowego, natomiast skanowanie boczne przeprowadzono za pomocą mechanizmu wspornikowego poprzez kamerton rezonansowy.Do wytworzenia przemieszczenia osiowego używany jest siłownik ze stopu z pamięcią kształtu (Nitinol).Całkowita średnica modułu konfokalnego wynosi 5 mm.Do ustawiania ostrości używana jest soczewka GRIN o aperturze numerycznej NA = 0,6.Obrazy poziome uzyskano z rozdzielczością boczną i osiową odpowiednio 0,7 i 7 µm, przy częstotliwości odświeżania 0,8–1,6 Hz i polu widzenia 500 µm × 500 µm.
Demonstrujemy subkomórkową rozdzielczość obrazowania fluorescencyjnego in vivo z organizmu ludzkiego za pomocą endoskopu medycznego przy użyciu skanera MEMS na końcu dystalnym.Fluorescencja zapewnia wysoki kontrast obrazu, a ligandy wiążące się z celami na powierzchni komórki można znakować fluoroforami, aby zapewnić tożsamość molekularną i poprawić diagnostykę chorób18.Opracowywane są także inne techniki optyczne do mikroendoskopii in vivo. OCT wykorzystuje krótką długość koherencji z szerokopasmowego źródła światła do zbierania obrazów w płaszczyźnie pionowej o głębokości > 1 mm19. OCT wykorzystuje krótką długość koherencji z szerokopasmowego źródła światła do zbierania obrazów w płaszczyźnie pionowej o głębokości > 1 mm19. ОКТ использует короткую длину когерентности широкополосного источника света для сбора изображений вертикал ьной плоскости с глубиной >1 мм19. OCT wykorzystuje krótką długość koherencji szerokopasmowego źródła światła do akwizycji obrazów w płaszczyźnie pionowej o głębokości > 1 mm19. OCT 使用宽带光源的短相干长度来收集垂直平面中深度> 1 mm19 的图像.1 mm19 的图像. ОКТ использует короткую длину когерентности широкополосного источника света для сбора изображений на глуби не >1 мм19 в вертикальной плоскости. OCT wykorzystuje krótką długość koherencji szerokopasmowego źródła światła do pozyskiwania obrazów > 1 mm19 w płaszczyźnie pionowej.Jednak to podejście o niskim kontraście opiera się na zbieraniu światła rozproszonego wstecz, a rozdzielczość obrazu jest ograniczona przez artefakty plamkowe.Endoskopia fotoakustyczna generuje obrazy in vivo w oparciu o szybką termoelastyczną ekspansję w tkance po absorpcji impulsu laserowego generującego fale dźwiękowe20. Podejście to wykazało głębokość obrazowania > 1 cm w ludzkiej okrężnicy in vivo w celu monitorowania terapii. Podejście to wykazało głębokość obrazowania > 1 cm w ludzkiej okrężnicy in vivo w celu monitorowania terapii. Этот подход продемонстрировал глубину визуализации > 1 cm в толстой кишке человека in vivo для мониторинга терапии. Podejście to wykazało głębokość obrazowania > 1 cm w ludzkiej okrężnicy in vivo w celu monitorowania terapii.这种方法已经证明在体内人结肠中成像深度> 1 厘米以监测治疗。这种方法已经证明在体内人结肠中成像深度> 1 Этот подход был продемонстрирован на глубине изображения > 1 см в толстой кишке человека in vivo для мониторинга т erapi. Podejście to wykazano przy obrazowaniu okrężnicy ludzkiej na głębokości > 1 cm in vivo w celu monitorowania terapii.Kontrast jest wytwarzany głównie przez hemoglobinę w układzie naczyniowym.Endoskopia wielofotonowa generuje obrazy fluorescencyjne o wysokim kontraście, gdy dwa lub więcej fotonów NIR uderza jednocześnie w biocząsteczki tkanki21. Dzięki temu podejściu można osiągnąć głębokość obrazowania > 1 mm przy niskiej fototoksyczności. Dzięki temu podejściu można osiągnąć głębokość obrazowania > 1 mm przy niskiej fototoksyczności. Этот подход может обеспечить глубину изображения > 1 мм с низкой фототоксичностью. Dzięki takiemu podejściu można uzyskać głębokość obrazu > 1 mm przy niskiej fototoksyczności.这种方法可以实现>1 毫米的成像深度,光毒性低。这种方法可以实现>1 毫米的成像深度,光毒性低。 Этот подход может обеспечить глубину изображения > 1 мм с низкой фототоксичностью. Dzięki takiemu podejściu można uzyskać głębokość obrazu > 1 mm przy niskiej fototoksyczności.Wymagane są impulsy lasera femtosekundowego o dużej intensywności, a metoda ta nie została udowodniona klinicznie podczas endoskopii.
W tym prototypie skaner wykonuje jedynie odchylenie boczne, więc część optyczna znajduje się w płaszczyźnie poziomej (XY).Urządzenie może pracować z większą częstotliwością odświeżania (20 Hz) niż zwierciadła galwaniczne (12 Hz) w systemie Cellvizio.Zwiększ częstotliwość klatek, aby zredukować artefakty związane z ruchem, i zmniejsz częstotliwość klatek, aby wzmocnić sygnał.Aby złagodzić duże artefakty ruchowe spowodowane ruchami endoskopowymi, ruchami oddechowymi i motoryką jelit, potrzebne są szybkie i zautomatyzowane algorytmy.Wykazano, że parametryczne skanery rezonansowe osiągają przemieszczenia osiowe przekraczające setki mikronów22. Obrazy można zbierać w płaszczyźnie pionowej (XZ), prostopadłej do powierzchni błony śluzowej, aby zapewnić taki sam obraz, jak w przypadku histologii (H&E). Obrazy można zbierać w płaszczyźnie pionowej (XZ), prostopadłej do powierzchni błony śluzowej, aby zapewnić taki sam obraz, jak w przypadku histologii (H&E). Изображения могут быть получены в вертикальной плоскости (XZ), перпендикулярной поверхности слизистой об олочки, чтобы обеспечить такое же изображение, как при гистологии (H&E). Obrazy można wykonywać w płaszczyźnie pionowej (XZ) prostopadłej do powierzchni błony śluzowej, aby uzyskać taki sam obraz jak w histologii (H&E).可以在垂直于粘膜表面的垂直平面(XZ) 中收集图像,以提供与组织学(H&E) 相同的视图。可以在垂直于粘膜表面的垂直平面(XZ) 中收集图像,以提供与组织学(H&E) Изображения могут быть получены в вертикальной плоскости (XZ), перпендикулярной поверхности слизистой об олочки, чтобы обеспечить такое же изображение, как при гистологическом исследовании (H&E). Obrazy można wykonywać w płaszczyźnie pionowej (XZ) prostopadłej do powierzchni błony śluzowej, aby uzyskać taki sam obraz jak w badaniu histologicznym (H&E).Skaner można ustawić w pozycji poobiektywowej, gdzie wiązka oświetlająca opada wzdłuż głównej osi optycznej, co zmniejsza wrażliwość na aberracje8.Prawie ograniczone przez dyfrakcję objętości ogniskowe mogą różnić się w dowolnie dużych polach widzenia.Można wykonać skanowanie z dostępem swobodnym w celu odchylenia reflektorów do pozycji zdefiniowanych przez użytkownika9.Pole widzenia można zmniejszyć, aby wyróżnić dowolne obszary obrazu, poprawiając stosunek sygnału do szumu, kontrast i liczbę klatek na sekundę.Skanery można produkować masowo przy użyciu prostych procesów.Na każdej płytce krzemowej można wykonać setki urządzeń, aby zwiększyć produkcję w celu zapewnienia taniej produkcji masowej i szerokiej dystrybucji.
Złożona droga światła zmniejsza rozmiar sztywnej końcówki dystalnej, co ułatwia użycie endoskopu jako akcesorium podczas rutynowej kolonoskopii.Na pokazanych obrazach fluorescencyjnych można dostrzec subkomórkowe cechy błony śluzowej, umożliwiające odróżnienie gruczolaków kanalikowych (przednowotworowych) od polipów hiperplastycznych (łagodnych).Wyniki te sugerują, że endoskopia może zmniejszyć liczbę niepotrzebnych biopsji23.Można zmniejszyć ogólne powikłania związane z zabiegiem chirurgicznym, zoptymalizować odstępy między monitorowaniem i zminimalizować analizę histologiczną drobnych zmian.Pokazujemy także obrazy in vivo pacjentów z nieswoistymi zapaleniami jelit, w tym wrzodziejącym zapaleniem jelita grubego (UC) i zapaleniem jelita grubego Leśniowskiego-Crohna.Konwencjonalna kolonoskopia w świetle białym zapewnia makroskopowy obraz powierzchni błony śluzowej z ograniczoną możliwością dokładnej oceny gojenia błony śluzowej.Endoskopię można zastosować in vivo do oceny skuteczności terapii biologicznych, takich jak przeciwciała anty-TNF24.Dokładna ocena in vivo może również zmniejszyć lub zapobiec nawrotom choroby i powikłaniom, takim jak operacja, a także poprawić jakość życia.W badaniach klinicznych związanych ze stosowaniem endoskopów zawierających fluoresceinę in vivo25 nie zgłoszono żadnych poważnych działań niepożądanych. Moc lasera na powierzchni błony śluzowej została ograniczona do <2 mW, aby zminimalizować ryzyko urazu termicznego i spełnić wymagania FDA dotyczące nieistotnego ryzyka26 zgodnie z 21 CFR 812. Moc lasera na powierzchni błony śluzowej została ograniczona do <2 mW, aby zminimalizować ryzyko urazu termicznego i spełnić wymagania FDA dotyczące nieistotnego ryzyka26 zgodnie z 21 CFR 812. Мощность лазера на поверхности слизистой оболочки была ограничена до <2 мВт, чтобы свести к минимуму риск ческого повреждения i соответствовать требованиям FDA относительно незначительного риска26 согласно 21 CFR 812. Moc lasera na powierzchni błony śluzowej ograniczono do <2 mW, aby zminimalizować ryzyko uszkodzenia termicznego i spełnić wymagania FDA dotyczące znikomego ryzyka26 zgodnie z 21 CFR 812.粘膜表面的激光功率限制在<2 mW, 以最大限度地降低热损伤风险,并满足FDA 21 CFR 812 对非重大风险26 的要求.Moc maksymalna<2 mW Мощность лазера на поверхности слизистой оболочки была ограничена до <2 мВт, чтобы свести к минимуму риск ческого повреждения i соответствовать требованиям FDA 21 CFR 812 относительно незначительного риска26. Moc lasera na powierzchni błony śluzowej ograniczono do <2 mW, aby zminimalizować ryzyko uszkodzenia termicznego i spełnić wymagania FDA 21 CFR 812 dotyczące znikomego ryzyka26.
Konstrukcja przyrządu może być modyfikowana w celu poprawy jakości obrazu.Dostępna jest specjalna optyka redukująca aberrację sferyczną, poprawiającą rozdzielczość obrazu i zwiększającą odległość roboczą.SIL można dostroić, aby lepiej dopasować współczynnik załamania światła tkanki (~1,4), aby poprawić sprzężenie światła.Częstotliwość napędu można regulować, aby zwiększyć kąt boczny skanera i poszerzyć pole widzenia obrazu.Aby złagodzić ten efekt, można użyć automatycznych metod usuwania klatek obrazu ze znacznym ruchem.W celu zapewnienia wysokiej wydajności pełnoklatkowej korekcji w czasie rzeczywistym zostanie wykorzystana programowalna przez użytkownika matryca bramek (FPGA) z szybkim gromadzeniem danych.Aby uzyskać większą użyteczność kliniczną, zautomatyzowane metody muszą korygować przesunięcie fazowe i artefakty ruchowe w celu interpretacji obrazu w czasie rzeczywistym.Można zastosować monolityczny 3-osiowy parametryczny skaner rezonansowy w celu wprowadzenia skanowania osiowego 22 . Urządzenia te zostały opracowane w celu osiągnięcia niespotykanego dotąd przemieszczenia pionowego > 400 µm poprzez dostrojenie częstotliwości napędu w trybie charakteryzującym się mieszaną dynamiką zmiękczania/usztywniania27. Urządzenia te zostały opracowane w celu osiągnięcia niespotykanego dotąd przemieszczenia pionowego > 400 µm poprzez dostrojenie częstotliwości napędu w trybie charakteryzującym się mieszaną dynamiką zmiękczania/usztywniania27. Эти устройства были разработаны для достижения беспрецедентного вертикального смещения > 400 мкм путем настро йки частоты возбуждения в режиме, который характеризуется смешанной динамикой смягчения/жесткости27. Urządzenia te zostały zaprojektowane w celu osiągnięcia niespotykanego dotąd przemieszczenia pionowego > 400 µm poprzez ustawienie częstotliwości napędu w trybie charakteryzującym się mieszaną dynamiką miękką/twardą27.这些设备的开发是为了通过在具有混合软化/硬化动力学的状态下调整驱动频率来实现前所未Średnica >400 µm 的垂直位移27.这些 设备 的 开发 是 为了 在 具有 混合 软化 硬化 硬化 学 学 状态 下 调整 驱动频率 来 实Średnica > 400 µm Średnica 27。 Эти устройства были разработаны для достижения беспрецедентных вертикальных смещений >400 мкм путем настрой ки частоты срабатывания в режиме со смешанной кинетикой размягчения/затвердевания27. Urządzenia te zostały zaprojektowane tak, aby osiągać niespotykane dotąd przemieszczenia pionowe > 400 µm poprzez regulację częstotliwości wyzwalania w trybie mieszanej kinetyki zmiękczania/utwardzania27.W przyszłości pionowe obrazowanie poprzeczne może pomóc w ocenie stopnia zaawansowania wczesnego raka (T1a).Można zastosować pojemnościowy obwód czujnikowy do śledzenia ruchu skanera i korygowania przesunięcia fazowego 28 .Automatyczna kalibracja fazy przy użyciu obwodu czujnika może zastąpić ręczną kalibrację przyrządu przed użyciem.Niezawodność przyrządu można poprawić, stosując bardziej niezawodne techniki uszczelniania przyrządów w celu zwiększenia liczby cykli przetwarzania.Technologia MEMS obiecuje przyspieszyć wykorzystanie endoskopów do wizualizacji nabłonka narządów pustych, diagnozowania chorób i monitorowania leczenia w sposób minimalnie inwazyjny.W miarę dalszego rozwoju ta nowa metoda obrazowania może stać się niedrogim rozwiązaniem, które można stosować jako uzupełnienie endoskopów medycznych do natychmiastowego badania histologicznego i ostatecznie może zastąpić tradycyjną analizę patologiczną.
Symulacje śledzenia promieni przeprowadzono przy użyciu oprogramowania do projektowania optycznego ZEMAX (wersja 2013) w celu określenia parametrów optyki skupiającej.Kryteria projektowe obejmują prawie dyfrakcyjną rozdzielczość osiową, odległość roboczą = 0 µm i pole widzenia (FOV) większe niż 250 × 250 µm2.Do wzbudzenia przy długości fali λex = 488 nm wykorzystano włókno jednomodowe (SMF).Dublety achromatyczne stosuje się w celu zmniejszenia wariancji kolekcji fluorescencji (ryc. 5a).Wiązka przechodzi przez SMF o średnicy pola modowego 3,5 µm i bez obcięcia przechodzi przez środek reflektora o średnicy apertury 50 µm.Należy używać twardej soczewki immersyjnej (półkulistej) o wysokim współczynniku załamania światła (n = 2,03), aby zminimalizować aberrację sferyczną wiązki padającej i zapewnić pełny kontakt z powierzchnią błony śluzowej.Optyka skupiająca zapewnia łącznie NA = 0,41, gdzie NA = nsinα, n to współczynnik załamania światła tkanki, α to maksymalny kąt zbieżności wiązki.Rozdzielczość poprzeczna i osiowa ograniczona dyfrakcją wynosi odpowiednio 0,44 i 6,65 µm, przy użyciu NA = 0,41, λ = 488 nm i n = 1,3313.Uwzględniono wyłącznie dostępne na rynku soczewki o średnicy zewnętrznej (OD) ≤ 2 mm.Ścieżka optyczna jest załamana, a wiązka opuszczająca SMF przechodzi przez centralny otwór skanera i jest odbijana przez nieruchome lustro (o średnicy 0,29 mm).Taka konfiguracja skraca długość sztywnego końca dalszego, aby ułatwić przejście endoskopu do przodu przez standardowy kanał roboczy endoskopów medycznych (o średnicy 3,2 mm).Dzięki tej funkcji można go łatwo używać jako akcesorium podczas rutynowej endoskopii.
Składany światłowód i opakowanie endoskopu.(a) Wiązka wzbudzająca opuszcza OBC i przechodzi przez centralny otwór skanera.Wiązka jest rozszerzana i odbijana od nieruchomego okrągłego lustra z powrotem do skanera w celu odchylenia bocznego.Optyka ogniskująca składa się z pary achromatycznych soczewek dubletowych i solidnej soczewki immersyjnej (półkulistej), zapewniającej kontakt z powierzchnią błony śluzowej.ZEMAX 2013 (https://www.zemax.com/) do projektowania optyki i symulacji śledzenia promieni.(b) Pokazuje lokalizację różnych elementów instrumentu, w tym światłowodu jednomodowego (SMF), skanera, lusterek i soczewek.Do modelowania 3D opakowania endoskopu wykorzystano program Solidworks 2016 (https://www.solidworks.com/).
Jako „dziurę” do przestrzennego filtrowania rozogniskowanego światła zastosowano SMF (#460HP, Thorlabs) o średnicy pola modowego 3,5 µm przy długości fali 488 nm (ryc. 5b).SMF są zamknięte w elastycznych rurkach polimerowych (#Pebax 72D, Nordson MEDICAL).Aby zapewnić wystarczającą odległość pomiędzy pacjentem a systemem obrazowania, stosuje się długość około 4 metrów.Do skupiania wiązki i zbierania fluorescencji zastosowano parę 2 mm achromatycznych soczewek dubletowych pokrytych MgF2 (#65568, #65567, Edmund Optics) i niepowlekaną półkulistą soczewkę 2 mm (#90858, Edmund Optics).Włóż rurkę końcową ze stali nierdzewnej (długość 4 mm, średnica zewnętrzna 2,0 mm, średnica wewnętrzna 1,6 mm) pomiędzy żywicę a rurę zewnętrzną, aby odizolować wibracje skanera.Aby chronić instrument przed płynami ustrojowymi i procedurami manipulacyjnymi, należy stosować kleje medyczne.Aby zabezpieczyć złącza, użyj rurki termokurczliwej.
Kompaktowy skaner wykonany jest na zasadzie rezonansu parametrycznego.Wytrawić otwór o średnicy 50 µm w środku reflektora, aby przepuszczać wiązkę wzbudzającą.Za pomocą zestawu kwadraturowych napędów grzebieniowych rozszerzona wiązka jest odchylana poprzecznie w kierunku ortogonalnym (płaszczyzna XY) w trybie Lissajous.Do generowania sygnałów analogowych do sterowania skanerem wykorzystano płytkę do gromadzenia danych (#DAQ PCI-6115, NI).Zasilanie zapewniał wzmacniacz wysokiego napięcia (#PDm200, PiezoDrive) za pomocą cienkich przewodów (#B4421241, MWS Wire Industries).Wykonaj okablowanie na tworniku elektrody.Skaner działa na częstotliwościach bliskich 15 kHz (szybka oś) i 4 kHz (wolna oś), aby osiągnąć FOV do 250 µm × 250 µm.Wideo można nagrywać z częstotliwością 10, 16 lub 20 Hz.Te szybkości klatek są wykorzystywane do dopasowania częstotliwości powtarzania wzorca skanowania Lissajous, która zależy od wartości częstotliwości wzbudzenia X i Y skanera29.Szczegóły dotyczące kompromisów pomiędzy liczbą klatek na sekundę, rozdzielczością pikseli i gęstością wzoru skanowania przedstawiono w naszej poprzedniej pracy14.
Laser na ciele stałym (#OBIS 488 LS, koherentny) zapewnia λex = 488 nm w celu wzbudzenia fluoresceiny w celu uzyskania kontrastu obrazu (ryc. 6a).Pigtaile optyczne podłącza się do zespołu filtrującego za pomocą złączy FC/APC (strata 1,82 dB) (rys. 6b).Wiązka jest odchylana przez lustro dichroiczne (#WDM-12P-111-488/500:600, Oz Optics) w SMF przez kolejne złącze FC/APC.Zgodnie z 21 CFR 812 moc padająca na tkankę jest ograniczona do maksymalnie 2 mW, aby spełnić wymagania FDA dotyczące znikomego ryzyka.Fluorescencję przepuszczano przez lustro dichroiczne i długi filtr transmisyjny (#BLP01-488R, Semrock).Fluorescencję transmitowano do detektora z fotopowielaczem (PMT) (#H7422-40, Hamamatsu) poprzez złącze FC/PC, stosując światłowód wielomodowy o długości ~1 m i średnicy rdzenia 50 µm.Sygnały fluorescencyjne wzmacniano za pomocą szybkiego wzmacniacza prądowego (nr 59-179, Edmund Optics).Do gromadzenia danych w czasie rzeczywistym i przetwarzania obrazu opracowano specjalne oprogramowanie (LabVIEW 2021, NI).Ustawienia mocy lasera i wzmocnienia PMT ustala mikrokontroler (#Arduino UNO, Arduino) za pomocą specjalnej płytki drukowanej.SMF i przewody kończą się złączami i łączą się z portami światłowodowymi (F) i przewodowymi (W) stacji bazowej (rysunek 6c).System obrazowania znajduje się na przenośnym wózku (rysunek 6d). Aby ograniczyć prąd upływowy do wartości <500 µA, zastosowano transformator izolacyjny. Aby ograniczyć prąd upływowy do wartości <500 µA, zastosowano transformator izolacyjny. Для ограничения тока утечки до <500 мкА использовался изолирующий трансформатор. Aby ograniczyć prąd upływowy do <500 µA, zastosowano transformator izolujący.使用隔离变压器将泄漏电流限制在<500 μA. <500 µA. Используйте изолирующий трансформатор, чтобы ограничить ток утечки do <500 мкА. Użyj transformatora izolującego, aby ograniczyć prąd upływowy do <500µA.
systemu wizualizacji.(a) PMT, laser i wzmacniacz znajdują się w stacji bazowej.(b) W zestawie filtrów laser (niebieski) przesuwa się po kablu światłowodowym przez złącze FC/APC.Wiązka jest odchylana przez zwierciadło dichroiczne (DM) do światłowodu jednomodowego (SMF) za pośrednictwem drugiego złącza FC/APC.Fluorescencja (kolor zielony) przechodzi przez DM i filtr długoprzepustowy (LPF) do PMT za pośrednictwem światłowodu wielomodowego (MMF).(c) Bliższy koniec endoskopu jest podłączony do portów światłowodowych (F) i przewodowych (W) stacji bazowej.(d) Endoskop, monitor, stacja bazowa, komputer i transformator izolujący na przenośnym wózku.(a, c) Do modelowania 3D systemu obrazowania i komponentów endoskopu wykorzystano Solidworks 2016.
Rozdzielczość poprzeczną i osiową optyki ogniskującej zmierzono na podstawie funkcji rozproszenia punktowego mikrosfer fluorescencyjnych (#F8803, Thermo Fisher Scientific) o średnicy 0,1 µm.Zbierać obrazy, przesuwając mikrosfery w poziomie i w pionie w krokach co 1 µm, stosując stolik liniowy (# M-562-XYZ, DM-13, Newport).Stos obrazów przy użyciu ImageJ2 do pozyskiwania obrazów przekrojowych mikrosfer.
Do gromadzenia danych w czasie rzeczywistym i przetwarzania obrazu opracowano specjalne oprogramowanie (LabVIEW 2021, NI).Na ryc.7 przedstawia przegląd procedur używanych do obsługi systemu.Interfejs użytkownika składa się z akwizycji danych (DAQ), panelu głównego i panelu sterownika.Panel gromadzenia danych współdziała z panelem głównym w celu gromadzenia i przechowywania nieprzetworzonych danych, wprowadzania niestandardowych ustawień gromadzenia danych oraz zarządzania ustawieniami sterownika skanera.Panel główny umożliwia użytkownikowi wybór żądanej konfiguracji korzystania z endoskopu, w tym sygnału sterującego skanerem, szybkości klatek wideo i parametrów akwizycji.Panel ten umożliwia także użytkownikowi wyświetlanie i kontrolowanie jasności i kontrastu obrazu.Wykorzystując surowe dane jako dane wejściowe, algorytm oblicza optymalne ustawienie wzmocnienia dla PMT i automatycznie dostosowuje ten parametr za pomocą systemu kontroli ze sprzężeniem zwrotnym proporcjonalno-całkującym (PI)16.Płyta kontrolera współdziała z płytą główną i płytką gromadzenia danych w celu kontrolowania mocy lasera i wzmocnienia PMT.
Architektura oprogramowania systemowego.Interfejs użytkownika składa się z modułów (1) akwizycji danych (DAQ), (2) panelu głównego i (3) panelu kontrolera.Programy te działają współbieżnie i komunikują się ze sobą za pośrednictwem kolejek komunikatów.Kluczem jest MEMS: system mikroelektromechaniczny, TDMS: przepływ danych technicznych, PI: całka proporcjonalna, PMT: fotopowielacz.Pliki obrazów i wideo zapisywane są odpowiednio w formatach BMP i AVI.
Algorytm korekcji fazy służy do obliczenia rozproszenia intensywności pikseli obrazu przy różnych wartościach fazy w celu określenia maksymalnej wartości użytej do wyostrzenia obrazu.W przypadku korekcji w czasie rzeczywistym zakres skanowania fazowego wynosi ±2,86° ze stosunkowo dużym krokiem 0,286°, aby skrócić czas obliczeń.Ponadto użycie części obrazu o mniejszej liczbie próbek dodatkowo skraca czas obliczania klatki obrazu z 7,5 sekundy (1 Mpróbka) do 1,88 sekundy (250 Kpróbek) przy 10 Hz.Te parametry wejściowe wybrano tak, aby zapewnić odpowiednią jakość obrazu przy minimalnym opóźnieniu podczas obrazowania in vivo.Obrazy na żywo i filmy są zapisywane odpowiednio w formatach BMP i AVI.Surowe dane są przechowywane w formacie Technical Data Management Flow Format (TMDS).
Przetwarzanie końcowe obrazów in vivo w celu poprawy jakości za pomocą LabVIEW 2021. Dokładność jest ograniczona w przypadku stosowania algorytmów korekcji fazy podczas obrazowania in vivo ze względu na wymagany długi czas obliczeń.Używane są tylko ograniczone obszary obrazu i numery próbek.Ponadto algorytm nie działa dobrze w przypadku obrazów z artefaktami ruchu lub niskim kontrastem i prowadzi do błędów w obliczeniach fazy30.Poszczególne klatki o wysokim kontraście i bez artefaktów ruchu zostały ręcznie wybrane w celu dokładnego dostrojenia fazy przy zakresie skanowania fazy wynoszącym ±0,75° w krokach co 0,01°.Wykorzystano cały obszar obrazu (np. 1 Mpróbkę obrazu zarejestrowanego przy 10 Hz).Tabela S2 szczegółowo opisuje parametry obrazu wykorzystywane do przetwarzania w czasie rzeczywistym i przetwarzania końcowego.Po korekcji fazy stosuje się filtr medianowy w celu dalszej redukcji szumów obrazu.Jasność i kontrast są dodatkowo poprawiane poprzez rozciąganie histogramu i korekcję gamma31.
Badania kliniczne zostały zatwierdzone przez Komisję Rewizyjną Instytucji Medycznych stanu Michigan i zostały przeprowadzone w Departamencie Procedur Medycznych.Badanie to zostało zarejestrowane online na stronie ClinicalTrials.gov (NCT03220711, data rejestracji: 18.07.2017).Kryteria włączenia obejmowały pacjentów (w wieku od 18 do 100 lat) z wcześniej planowaną planową kolonoskopią, zwiększonym ryzykiem raka jelita grubego i chorobą zapalną jelit w wywiadzie.Od każdego uczestnika, który zgodził się wziąć udział, uzyskano świadomą zgodę.Kryteriami wykluczenia były pacjentki w ciąży, ze znaną nadwrażliwością na fluoresceinę lub poddawane aktywnej chemioterapii lub radioterapii.Badanie to obejmowało kolejnych pacjentów zaplanowanych na rutynową kolonoskopię i było reprezentatywne dla populacji Michigan Medical Center.Badanie przeprowadzono zgodnie z Deklaracją Helsińską.
Przed zabiegiem należy skalibrować endoskop przy użyciu kulek fluorescencyjnych o średnicy 10 µm (nr F8836, Thermo Fisher Scientific) zamontowanych w silikonowych formach.Półprzezroczysty silikonowy uszczelniacz (#RTV108, Momentive) wlano do plastikowej formy o pojemności 8 cm3, wydrukowanej w 3D.Upuść kulki fluorescencyjne wody na silikon i pozostaw do wyschnięcia ośrodka wodnego.
Całą okrężnicę badano przy użyciu standardowego kolonoskopu medycznego (Olympus, CF-HQ190L) z oświetleniem światłem białym.Po ustaleniu przez endoskopistę obszaru rzekomej choroby obszar ten przemywa się 5-10 ml 5% kwasu octowego, a następnie sterylną wodą w celu usunięcia śluzu i zanieczyszczeń.Dawkę 5 ml 5 mg/ml fluoresceiny (Alcon, Fluorescite) wstrzyknięto dożylnie lub rozpylono miejscowo na błonę śluzową przy użyciu standardowej kaniuli (M00530860, Boston Scientific), która została przepuszczona przez kanał roboczy.
Użyj irygatora, aby wypłukać nadmiar barwnika lub zanieczyszczeń z powierzchni błony śluzowej.Wyjmij cewnik nebulizujący i przeprowadź endoskop przez kanał roboczy, aby uzyskać obrazy przedśmiertne.Aby ustawić końcówkę dystalną w obszarze docelowym, należy zastosować naprowadzanie endoskopowe o szerokim polu widzenia. Całkowity czas potrzebny na zebranie obrazów konfokalnych wyniósł <10 minut. Całkowity czas potrzebny na zebranie obrazów konfokalnych wyniósł <10 minut. Общее время, затраченное на сбор конфокальных изображений, составило <10 min. Całkowity czas potrzebny na zebranie obrazów konfokalnych wyniósł <10 minut.Całkowity czas akwizycji obrazów konfokalnych był krótszy niż 10 minut.Endoskopowy film w świetle białym został przetworzony przy użyciu systemu obrazowania Olympus EVIS EXERA III (CLV-190) i zarejestrowany przy użyciu rejestratora wideo Elgato HD.Użyj LabVIEW 2021 do nagrywania i zapisywania filmów z endoskopii.Po zakończeniu obrazowania endoskop usuwa się, a tkankę do uwidocznienia wycina się za pomocą kleszczy biopsyjnych lub pętli. Tkanki poddano rutynowej histologii (H&E) i ocenił biegły patolog przewodu pokarmowego (HDA). Tkanki poddano rutynowej histologii (H&E) i ocenił biegły patolog przewodu pokarmowego (HDA). Ткани были обработаны для обычной гистологии (H&E) и оценены экспертом-патологом желудочно-кишечного traktor (HDA). Tkanki poddano rutynowej histologii (H&E) i ocenił biegły patolog przewodu pokarmowego (HDA).对组织进行常规组织学(H&E) 处理,并由专家GI 病理学家(HDA) 进行评估。对组织进行常规组织学(H&E) 处理,并由专家GI 病理学家(HDA) 进行评估。 Ткани были обработаны для обычной гистологии (H&E) и оценены экспертом-патологом желудочно-кишечного traktor (HDA). Tkanki poddano rutynowej histologii (H&E) i ocenił biegły patolog przewodu pokarmowego (HDA).Właściwości spektralne fluoresceiny potwierdzono za pomocą spektrometru (USB2000+, Ocean Optics), jak pokazano na rysunku S2.
Endoskopy są sterylizowane po każdym użyciu przez człowieka (ryc. 8).Procedury czyszczenia przeprowadzono pod kierunkiem i za zgodą Departamentu Kontroli Zakażeń i Epidemiologii Centrum Medycznego Michigan oraz Centralnej Jednostki Przetwarzania Sterylnej. Przed badaniem narzędzia zostały przetestowane i zatwierdzone pod kątem sterylizacji przez Advanced Sterilization Products (ASP, Johnson & Johnson), podmiot komercyjny świadczący usługi w zakresie zapobiegania infekcjom i walidacji sterylizacji. Przed badaniem narzędzia zostały przetestowane i zatwierdzone pod kątem sterylizacji przez Advanced Sterilization Products (ASP, Johnson & Johnson), podmiot komercyjny świadczący usługi w zakresie zapobiegania infekcjom i walidacji sterylizacji. Перед исследованием инструменты были протестированы i одобрены для стерилизации компанией Advanced Sterilization Products (ASP, Johnson & Johnson), коммерч еской организацией, предоставляющей услуги по профилактике inфекций i проверке стерилизации. Przed badaniem narzędzia zostały przetestowane i zatwierdzone do sterylizacji przez Advanced Sterilization Products (ASP, Johnson & Johnson), organizację komercyjną świadczącą usługi zapobiegania infekcjom i weryfikacji sterylizacji. Перед исследованием инструменты были стерилизованы i проверены Advanced Sterylization Products (ASP, Johnson & Johnson), коммерческой организацией, котора я предоставляет услуги по профилактике inфекций i проверке стерилизации. Narzędzia zostały wysterylizowane i sprawdzone przed badaniem przez Advanced Sterilization Products (ASP, Johnson & Johnson), organizację komercyjną świadczącą usługi w zakresie zapobiegania infekcjom i weryfikacji sterylizacji.
Recykling narzędzi.(a) Endoskopy umieszcza się na tacach po każdej sterylizacji, stosując proces przetwarzania STERRAD.b) SMF i przewody są zakończone odpowiednio złączami światłowodowymi i elektrycznymi, które są zamykane przed ponownym przetwarzaniem.
Czyść endoskopy w następujący sposób: (1) przetrzyj endoskop niestrzępiącą się szmatką nasączoną enzymatycznym środkiem czyszczącym od części proksymalnej do dystalnej;(2) Zanurz urządzenie w roztworze detergentu enzymatycznego z dodatkiem wody na 3 minuty.niestrzępiąca się tkanina.Złącza elektryczne i światłowodowe są zakryte i usunięte z rozwiązania;(3) Endoskop owija się i umieszcza na tacy na narzędzia w celu sterylizacji przy użyciu STERRAD 100NX, plazmy gazowej nadtlenku wodoru.środowisko o stosunkowo niskiej temperaturze i niskiej wilgotności.
Zbiory danych wykorzystane i/lub przeanalizowane w bieżącym badaniu są dostępne u odpowiednich autorów na uzasadnione żądanie.
Pilonis, ND, Januszewicz, W. i di Pietro, M. Konfokalna endomikroskopia laserowa w endoskopii żołądkowo-jelitowej: aspekty techniczne i zastosowania kliniczne. Pilonis, ND, Januszewicz, W. i di Pietro, M. Konfokalna endomikroskopia laserowa w endoskopii żołądkowo-jelitowej: aspekty techniczne i zastosowania kliniczne.Pilonis, ND, Januszewicz, V. i di Pietro, M. Konfokalna endomikroskopia laserowa w endoskopii przewodu pokarmowego: aspekty techniczne i zastosowanie kliniczne. Pilonis, ND, Januszewicz, W. i di Pietro, M. 胃肠内窥镜检查中的共聚焦激光内窥镜检查:技术方面和临床应用. Pilonis, ND, Januszewicz, W. i di Pietro, M. Streszczenie: Aspekty techniczne i zastosowania kliniczne.Pilonis, ND, Januszewicz, V. i di Pietro, M. Konfokalna endoskopia laserowa w endoskopii przewodu pokarmowego: aspekty techniczne i zastosowania kliniczne.tłumaczenie heparyna żołądkowo-jelitowa.7, 7 (2022).
Al-Mansour, MR i in.Analiza bezpieczeństwa i skuteczności konfokalnej endomikroskopii laserowej SAGES TAVAC.Operacja.Endoskopia 35, 2091–2103 (2021).
Fugazza, A. i in.Konfokalna endoskopia laserowa w chorobach przewodu pokarmowego i trzustki i dróg żółciowych: przegląd systematyczny i metaanaliza.Nauka Biomedyczna.Zbiornik.wewnętrzne 2016, 4638683 (2016).