«Вместо того, чтобы соединить коммерчески доступную оптику и датчики, чтобы построить камеру для управляемой изображением хирургии, мы обратились к визуальным системам природы для вдохновения», заявил лидер исследовательской группы Виктор Груев из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне. «morpho бабочка, глаза которой содержат наноструктуры, что смысл многоспектральная информация, может приобрести и почти инфракрасную и цветную информацию одновременно».В Optica, журнале Оптического Общества для высокого исследования воздействия, исследователи демонстрируют, что их биовдохновленная камера может диагностировать опухоли у животных и полезна для оценки стадии рака молочной железы у людей. Новая камера предлагает очень чувствительное обнаружение флюоресценции даже при стандартном освещении операционной, взвешивает меньше, чем батарея AA и может быть произведена приблизительно за 20$.«Во время операции обязательно, чтобы вся злокачественная ткань была удалена, и мы создали платформу отображения, которая могла помочь хирургам сделать это в любой больнице во всем мире, потому что это маленькое, компактное и недорогое», сказал Груев. «Хотя мы обратились к стороне инструментовки, флуоресцентные маркеры, предназначенные для рака, и одобрили для использования у людей, необходимы для нашей технологии, чтобы найти широко распространенное применение.
Несколько из них находятся в клинических испытаниях теперь, таким образом, мы должны видеть прогресс этой области скоро».Приобретение знаний из природыНовая камера значительно улучшает сегодняшние камеры, которые одобрены американским Управлением по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) для просмотра флуоресцентных маркеров во время операции.
Много существующих почти инфракрасных камер испытывают недостаток в чувствительности, чтобы обнаружить маркеры флюоресценции при хирургическом окружении, таким образом, огни помещения должны быть затемнены, чтобы рассмотреть флюоресценцию.Другая проблема с сегодняшними инфракрасными блоками формирования изображений состоит в том, что изображение флюоресценции не всегда точно выравнивается, или coregistered, с тканью, которой это является результатом. Это происходит, потому что FDA – одобренные инструменты используют многократные оптические элементы, такие как разделители луча и линзы реле, чтобы отделить видимые и инфракрасные длины волны, так, чтобы каждого можно было послать, чтобы отделить датчики.
Небольшие изменения температуры в комнате могут затронуть оптику в этих инструментах, вызывающих некоаксиальности изображения, которые могли заставить хирурга пропускать злокачественную ткань, излишне удаляя здоровую проблему.«Мы поняли, что проблемы с сегодняшними инфракрасными блоками формирования изображений могли быть смягчены при помощи наноструктур, подобных тем у morpho бабочки», сказал Миссаль Гарсия, постдокторский исследователь в Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне и ведущий автор статьи. «Их сложные глаза содержат фоторецепторы, расположенные друг рядом с другом таким образом, что каждый фоторецептор чувства различные длины волны света способом, который является свойственно coregistered».
Новая камера использует установку, подобную глазу бабочки, переплетая различные наноразмерные структуры со множеством фотодатчиков, позволяя коллекцию цветной и почти инфракрасной информации о флюоресценции об одном устройстве отображения. Интеграция датчика и оптики отображения в единственный монолитный датчик сохраняет устройство маленьким, недорогим и нечувствительным к изменениям температуры.Дизайн исключительно решает проблему чувствительности, позволяя каждому пикселю взять в количестве фотонов, должен был создать изображение. Не занимает много времени создавать изображение визуальной длины волны для просмотра анатомии, так как видимое освещение в лаборатории высоко.
С другой стороны, потому что флюоресценция типично тускла, занимает больше времени собрать достаточное число фотонов, чтобы создать достаточно яркое изображение. Изменяя выдержку, чтобы позволить каждому пикселю обнаруживать фотоны этому нужно, яркое изображение флюоресценции может быть создано, не слишком долго подвергая цветное изображение ткани.Преклиническое и клиническое тестирование
Исследователи проверили свой новый инструмент на модели мыши, которая заболевает непосредственным раком молочной железы. Это означает, что точное местоположение, где рак вырастет, неизвестно, как количество раковых клеток. Используя флуоресцентные этикетки, которые связывают с раковыми клетками, исследователи показали, что их биовдохновленный блок формирования изображений позволил диагностику опухоли с точностью и чувствительностью превосходные современные инфракрасные камеры, одобренные FDA для управляемой изображением хирургии.
Исследователи также проверили способность своей инфракрасной камеры определить лимфатические узлы в 11 пациентах с раком молочной железы в Вашингтонской Университетской Медицинской школе в Сент-Луисе. Поскольку лимфатические узлы – одно из основных мест, где рак молочной железы распространяется, хирурги проверяют их, чтобы определить стадию рака. Пациенты были введены с одобренной FDA indocyanine зеленой флуоресцентной краской, которая накапливается пассивно в лимфатических узлах, и затем изображения флюоресценции от биовдохновленного блока формирования изображений показывались или на экране или проецировались на защитные очки, которые носят хирурги.«Мы показали, что под яркими хирургическими огнями, наш инструмент был в 1000 раз более чувствителен к флюоресценции, чем блоки формирования изображений, в настоящее время одобряемые для инфракрасной управляемой изображением хирургии», сказал Груев. «Поскольку биовдохновленный блок формирования изображений может показать флюоресценцию, которая глубока в ткани, это ускорило процесс идентификации лимфатического узла и помогло хирургам найти лимфатические узлы, которые не могли быть замечены одним только зрением».
По словам исследователей, биовдохновленный блок формирования изображений был бы полезен для удаления различных типов раковых образований, включая меланомы, рак простаты и раковые образования в голове и шее. Из-за его небольшого размера это могло также быть интегрировано в эндоскоп, чтобы искать рак во время колоноскопии, например.«Одно большое преимущество нашего инструмента – свой компактный размер», сказал Гарсия. «Мы проверили наш инструмент в больнице, где пространство было трудно и видело, что не нарушало хирургический технологический процесс».
Исследователи теперь создают компанию по запуску, чтобы коммерциализировать их биовдохновленный блок формирования изображений и также работают с FDA, чтобы проектировать клиническое испытание, в котором хирурги могут сравнить клинические решения, принятые с новым блоком формирования изображений с теми, которые были бы сделаны с одобренными FDA блоками формирования изображений.