(a) O conceito de usar um sistema de fibra multimodo-modo único para refletometria codificada em profundidade. O padrão de cores corresponde a diferentes modos de propagação. Fibra SMF monomodo, Fibra multimodo MMF, Unidade de processamento de sinal óptico OSP. (b) Renderização 3D do perfil de intensidade dentro da fibra multimodo mostrando os processos de geração de poucos modos de um sistema de fibra SMM. As dimensões lateral e axial não são desenhadas em escala. O SMF tem um diâmetro de campo modal de 5 μm, e o MMF tem um diâmetro de núcleo de 50 μm e um comprimento de 1,2 mm. Um comprimento de onda do sistema de 800 nm é assumido. (c) Simulações da distribuição da intensidade do campo focado no espaço da imagem. O comprimento do espaçador é de 1,6 mm, e a objetiva tem uma distância focal de aproximadamente 0,5 mm. Assumimos um índice de refração de 1,34 no espaço da imagem. A distribuição da intensidade do campo focado é normalizada pela intensidade do pico e exibida na escala de dB com uma faixa dinâmica de 16 dB. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0211-5
Uma nova técnica de imagem desenvolvida por Biwei Yin e pesquisadores interdisciplinares do Massachusetts General Hospital e da Harvard Medical School nos EUA, fornece resolução no nível subcelular para obter imagens do sistema vascular do coração. Como resultado, os pesquisadores do coração podem estudar e diagnosticar a doença arterial coronariana humana com maior precisão. Convencionalmente, cardiologistas empregam tomografia de coerência óptica (OCT) intravascular para avaliar o acúmulo de placa coronariana, que pode estreitar as artérias e causar doença arterial coronariana.
A técnica de OCT é, Contudo, limitado por uma resolução lateral de apenas 30 mícrons (µm), portanto, os pesquisadores são incapazes de obter imagens no nível subcelular para entender a doença. O sistema de imagem intravascular de interferometria de poucos modos recentemente desenvolvido contém uma resolução de três mícrons para fornecer imagens de estruturas celulares e subcelulares na parede da artéria. A visualização aprimorada pode fornecer informações detalhadas sobre cristais individuais, células musculares lisas e células inflamatórias com maior precisão no diagnóstico de doenças. O trabalho de pesquisa agora está publicado em Light:Ciência e Aplicações .
A topografia de coerência óptica (OCT) é um método de imagem convencional usado para obter refletância transversal, principalmente em ambientes clínicos, para obter imagens de uma variedade de tecidos humanos, incluindo órgãos luminais dentro do corpo. OCT intravascular (IVOCT) é de interesse para acessar a estrutura da placa coronária e orientar a intervenção coronária percutânea (ICP) durante a doença arterial coronariana; uma das principais causas de mortalidade no mundo. Bioengenheiros e cardiologistas demonstraram recentemente técnicas avançadas de IVOCT, como IVOCT multimodal para combinar a forma convencional com imagens adicionais e modos de detecção, como espectroscopia de fluorescência e infravermelho próximo. Inovações adicionais incluem IVOCT sensível à polarização para medir a birrefringência do tecido e fornecer contraste de imagem, bem como IVOCT de batimento cardíaco para obter uma imagem densa das artérias coronárias in vivo sem a introdução de artefatos de movimento. A barreira técnica mais desafiadora para aumentar a resolução lateral de um sistema OCT inclui o ajuste da profundidade de foco (DOF) para imagens em corte transversal. Estudos anteriores que alcançaram maior DOF, têm um fator de forma ou complexidade para evitar aplicações clínicas intraluminais para imagens coronárias.
(a) Simulação da intensidade do campo do feixe aberrado quando os espalhadores são posicionados no centro do caminho do feixe. Quatro dispersores foram modelados, denotado como S1 – S4. Os dispersores tinham um diâmetro de 2 μm e um índice de refração de 1,5. A renderização em 3D do campo de feixe e as distribuições de intensidade transversal mostram que a aberração introduzida por um espalhador individual está confinada em cada modo. Z indica a direção de propagação do feixe. Barra de escala:10 μm. (b) Fotografia do cateter coronário de troca rápida de fio-guia 2,6-F concluído. (c) Uma fotografia da extremidade distal do cateter, tomadas usando um microscópio. A sonda de fibra tinha um diâmetro de 500 μm e um comprimento rígido de menos de 4 mm. Barra de escala:500 μm. (d) Fotografia do padrão de anel da luz transmitida através da sonda de fibra óptica do cateter, correspondendo a vários modos de propagação. A tela foi posicionada em um pequeno ângulo em relação à direção de propagação do feixe, mostrando que o espelho cilíndrico direciona o feixe em um ângulo de ~ 8 ° normal à bainha para reduzir a reflexão especular. (e) Simulação da distribuição de intensidade de campo normalizada no eixo com relação à profundidade para o comprimento de onda central e as duas extremidades dos espectros, mostrando que o efeito do deslocamento focal cromático mitigou a descontinuidade da intensidade do campo. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0211-5
No presente trabalho, Yin et al. descreveu um sistema de imagem intravascular baseado em interferometria de poucos modos com DOF estendido para imagem transversal em resolução celular, em uma faixa de profundidade de mais de 1 mm. A tecnologia permitiu que eles observassem estruturas celulares e subcelulares de artérias coronárias humanas intactas ex vivo e in vivo por meio de um sistema flexível, cateter de diâmetro submilimétrico. Os pesquisadores usaram interferometria de baixa coerência que resolve o atraso do comprimento do caminho para decodificar as informações transportadas por cada modo que viaja em um comprimento de caminho óptico diferente na configuração experimental.
Múltiplos modos de propagação podem interrogar simultaneamente uma amostra em diferentes profundidades para transmitir o sinal codificado em profundidade através de um canal comum para processamento. O processo aumentou a capacidade de aquisição do sistema de refletometria sem iluminação adicional e canais de detecção. Para visualizar os efeitos, Yin et al. simularam o campo de feixe focado em diferentes profundidades ao longo do centro do caminho do feixe, onde o espalhamento de partículas introduziu aberração no campo do feixe como perturbação do campo. A propriedade de autocura (autoconstrução) do processo de propagação sugeria a independência de cada modo na mídia de dispersão.
(a – c) IVOCT, IVFMI, e imagens histológicas mostrando um corte transversal da artéria contendo depósitos de cristais de colesterol. Na imagem IVOCT padrão (a), as estruturas de alta dispersão seriam consideradas acumulações de macrófagos usando os critérios atuais de IVOCT21, enquanto a imagem IVFMI (b) demonstra que essas características eram cristais, um achado que é consistente com a histologia correspondente. (d) Uma seção transversal de uma artéria que tinha múltiplos cristais de colesterol caracterizados por reflexos de suas superfícies superior e inferior. (e) Imagem mostrando que o IVFMI pode resolver pequenos cristais a distâncias próximas à bainha (algumas centenas de mícrons) e longe da bainha (~ 1 mm) simultaneamente. (f, g) IVFMI e imagens histológicas correspondentes de um nódulo calcificado, respectivamente. (h) estava a aproximadamente 1,3 mm de distância longitudinalmente de (g), onde foi observado trombo sobre o nódulo calcificado. As setas azuis são características consistentes com leucócitos, a seta amarela é sugestiva de trombo, e a seta verde mostra uma célula que provavelmente é um monócito / macrófago. Um filtro de desfoque gaussiano com raio de 2 μm foi aplicado às imagens transversais de IVFMI. As barras de escala para todas as imagens são 100 μm. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0211-5
Com base no conceito, a equipe de pesquisa criou um dispositivo de imagem de interferometria de poucos modos intravasculares (IVFMI) com um laser supercontínuo como fonte de luz. Eles usaram um interferômetro de baixa coerência como unidade de processamento de sinal óptico, um cateter para codificação de profundidade e detecção de sinal retroespalhado, bem como optomecânica para digitalização. Usando a configuração, os pesquisadores realizaram uma varredura helicoidal da parede do lúmen para a reconstrução tridimensional (3-D) da artéria. Usando um cateter dentro de uma artéria, eles adquiriram imagens em corte transversal a 17 quadros por segundo. Com uma melhoria de quase 1000 vezes na resolução volumétrica, a equipe de pesquisa resolveu estruturas celulares e subcelulares usando IVFMI (intravascular few-mode interferometry) em contraste com o método convencional de IVOCT (Intravascular OCT).
Por exemplo, quando os cientistas compararam imagens IVOCT e IVFMI padrão correspondentes à mesma seção transversal de uma artéria coronária de cadáver humano, eles podiam distinguir claramente cristais densamente compactados usando apenas IVFMI. Em contraste, as imagens obtidas com a técnica padrão de IVOCT eram desfocadas e globulares, tornando mais provável caracterizá-los erroneamente como acumulações de macrófagos. De forma similar, a equipe de pesquisa observou células musculares lisas usando o cateter IVFMI, que não pôde ser resolvido com o método convencional de IVOCT.
Reconstrução 3-D e imagens transversais correspondentes de dados de IVFMI obtidos de uma artéria coronária de cadáver humano. O lúmen mostra macrófagos individuais residindo na superfície de uma placa fibroateromatosa. (uma, b) Renderização 3D e imagens em corte transversal mostrando uma célula individual (setas amarelas) que parece estar transmigrando através do endotélio em direção a um depósito de cristais da íntima (setas vermelhas). (c, d) Renderização 3D e imagens em corte transversal mostrando dois macrófagos amarrados à superfície endotelial, polarizados um em direção ao outro com pseudópodes estendidos (seta azul). Barras de escala:50 μm. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0211-5.
A seção transversal de IVFMI de uma artéria também resolveu os cristais de colesterol que são tipicamente difíceis de obter imagens usando métodos convencionais devido aos seus reflexos notáveis. Como resultado do DOF estendido habilitado com a configuração do IVFMI, os pesquisadores resolveram microestruturas residindo a algumas centenas de mícrons a milímetros de distância da bainha do cateter, simultaneamente em uma varredura circunferencial.
Uma vez que as células inflamatórias impulsionam o desenvolvimento de placas ateroscleróticas, Yin et al. representou células do músculo liso da íntima e macrófagos submetidos a diapedese usando IVFMI. As imagens mostraram detalhes finos da massa intraluminal, incluindo a presença de células brilhantes, como leucócitos incorporados na malha de fibrina para formar o que parecia ser um trombo. Os pesquisadores usaram os dados de IVFMI obtidos da parede do lúmen coronário de um cadáver para reconstruções 3-D e também desenvolveram reconstruções 3-D de dados de IVFMI obtidos de uma aorta de coelho viva com placa aterosclerótica. Eles detectaram a placa da parede arterial normal, observando a morfologia da superfície elevada, que se projeta no lúmen (dentro do espaço de uma estrutura tubular, como uma artéria).
Imagens de IVFMI de artérias de coelhos adquiridas in vivo. (a) Reconstrução 3D da aorta aterosclerótica de coelho. A seta branca indica o fio-guia. As setas azuis e vermelhas indicam regiões da placa aterosclerótica. (b) Imagem em corte transversal da parede do lúmen que contém tecido normal da média da aorta e a lesão ateromatosa indicada pela seta azul em (a). (c) Imagem ampliada correspondendo à região tracejada em azul em (b). A seta amarela demarca uma região contendo células musculares lisas incorporadas em uma rede de colágeno em uma porção da parede aórtica normal, enquanto a seta verde indica uma placa aterosclerótica. (d) reconstrução 3D de um stent implantado na artéria ilíaca. As setas roxas e vermelhas indicam as hastes do stent. (e) Uma imagem em corte transversal correspondente ao local indicado pela seta roxa em (d). Setas laranja destacam minúsculo, punctate, características altamente dispersas que são consistentes com as plaquetas ao redor da haste do stent (seta vermelha), com as setas verdes indicando a parede da artéria. Um filtro de desfoque gaussiano com raio de 2 μm foi aplicado às imagens transversais de IVFMI. Barra de escala:100 μm. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0211-5.
Usando imagens transversais, a equipe observou uma rede de colágeno e células musculares lisas na mídia normal com maior clareza. Eles também obtiveram dados de IVFMI reconstruídos em 3-D em um segmento da parede do lúmen implantado com um stent uma hora antes da imagem. O processo de IVFMI visualizou detalhes microestruturais das hastes do stent com detalhes sem precedentes para imagens intravasculares. Yin et al. observado pequeno, alta refletividade, pontos de tamanho mícron ao redor de algumas das hastes do stent e poderiam até mesmo identificar os detalhes finos das plaquetas microestruturais nas imagens.
Desta maneira, Biwei Yin e colegas desenvolveram e demonstraram uma técnica para superar os problemas de implementação da interferometria de poucos modos, para aumentar a profundidade de foco (DOF) em mais de uma ordem de magnitude. A tecnologia de configuração óptica ocupa pouco espaço, capacidade de codificação de profundidade e estabilidade de transmissão, com importantes aplicações em endomicroscopia resolvida em profundidade. Os resultados confirmaram o potencial da nova tecnologia para adquirir imagens com uma boa relação sinal-ruído e mostrar microestruturas celulares e subcelulares relevantes para a doença bem definidas em artérias coronárias de cadáveres humanos ex vivo e artérias de coelho in vivo.
O dispositivo é física e mecanicamente idêntico aos cateteres coronários usados para imagens convencionais de IVOCT na clínica. Esses achados indicam a possibilidade de traduzir a nova técnica de IVFMI para imagens clínicas para visualizar a patologia coronária celular em humanos no laboratório de cateterismo cardíaco. A técnica pode ser usada para visualizar imagens celulares além da imagem intravascular para incluir órgãos luminais, como o trato gastrointestinal e o trato pulmonar, para aumentar a precisão do diagnóstico clínico.
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