Naukowcy z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu opracowali nowy system pełnopolowej optycznej elastografii koherentnej, który pozwala znacząco przyspieszyć trójwymiarowe obrazowanie właściwości mechanicznych tkanek. Wyniki opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Optica pokazują, że możliwe jest połączenie dużej szybkości akwizycji danych z wysoką stabilnością fazową, niezbędną do czułego pomiaru mikroskopijnych przemieszczeń w tkance. W przyszłości rozwiązanie to może znaleźć zastosowanie m.in. w diagnostyce nowotworowej oraz śródoperacyjnej ocenie marginesów chirurgicznych.
Optyczna elastografia koherentna (OCE) jest techniką obrazowania, która łączy optyczną tomografię koherentną (OCT) z pomiarem deformacji próbki pod wpływem niewielkiego obciążenia mechanicznego. Pozwala to uzyskać informację o właściwościach mechanicznych tkanek, takich jak ich względna sztywność lub podatność na odkształcenie. Tego typu kontrast mechaniczny może dostarczać informacji niedostępnych w standardowych obrazach strukturalnych.
W kontekście zastosowań biomedycznych szczególnie istotne jest obrazowanie trójwymiarowe. W przypadku chorób nowotworowych guzy są często sztywniejsze niż otaczająca je zdrowa tkanka, a ponadto charakteryzują się znaczną niejednorodnością mechaniczną w skali mikroskopowej. Uzyskanie trójwymiarowego obrazu guza w wysokiej rozdzielczości przestrzennej wymaga jednak szybkiego pomiaru dużej objętości próbki przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej czułości obrazowania odkształceń.
Dotychczasowe systemy optycznej elastografii koherentnej najczęściej wykorzystywały skanowanie wiązką światła. Takie podejście umożliwia czułe obrazowanie właściwości mechanicznych, ale w przypadku pomiarów trójwymiarowych czas akwizycji może być istotnym ograniczeniem. Zwiększanie szybkości skanowania wprowadza natomiast dodatkowy szum fazowy, który pogarsza dokładność pomiaru bardzo małych przemieszczeń w tkance.
System opracowany przez naukowców z UMK wykorzystuje podejście pełnopolowe. Zamiast skanować próbkę punkt po punkcie, układ rejestruje sygnał równolegle z całego pola widzenia za pomocą szybkiej kamery. Dzięki zastosowaniu przestrajalnego źródła światła możliwe jest uzyskanie trójwymiarowej informacji optycznej w czasie pojedynczego przemiatania długości fali lasera.
W zaprezentowanym rozwiązaniu szczególny nacisk położono na ograniczenie źródeł szumu fazowego. Zastosowano m.in. konfigurację interferometru o wspólnej drodze optycznej, stabilne przestrajalne źródło światła oraz aktywną redukcję koherencji przestrzennej oświetlenia. Połączenie tych elementów pozwoliło uzyskać wysoką stabilność fazową w pomiarach objętościowych, pomimo znacznego przyspieszenia akwizycji danych.
Opracowany system umożliwia obrazowanie elastograficzne z szybkością 2 objętości na sekundę, przy efektywnej częstości 4,2 miliona A-skanów na sekundę. Autorzy wykazali, że przy porównywalnym poziomie sygnału nowa metoda zapewnia wyższą czułość fazową i wyższą czułość obrazowania odkształceń niż referencyjny skanujący system OCE. Oznacza to, że trójwymiarowe mapy odkształceń można uzyskiwać szybciej, bez utraty jakości kluczowej dla pomiarów elastograficznych.
Działanie systemu zostało zweryfikowane na fantomach silikonowych o kontrolowanych właściwościach optycznych i mechanicznych, a następnie na świeżo wyciętych próbkach ludzkiej tkanki raka piersi. W badaniach tkanek nowotworowych obrazy elastograficzne porównano z klasyczną oceną histopatologiczną. Uzyskane wyniki pokazały, że obszary zawierające złośliwe zmiany nowotworowe charakteryzowały się wyraźnie większą niejednorodnością przestrzenną odkształceń niż fragmenty tkanki łącznej otaczającej guz.
Autorzy podkreślają, że praca ma charakter technologiczny i stanowi etap na drodze do dalszych badań nad zastosowaniem optycznej elastografii koherentnej w diagnostyce nowotworowej. Kolejne kroki obejmują m.in. automatyzację obrazowania dużych wycinków tkanek, badania szerszym materiale klinicznym oraz dalsze przyspieszenie akwizycji i przetwarzania danych.
Badania zostały przeprowadzone przez zespół naukowców z Instytutu Fizyki UMK, Collegium Medicum UMK w Bydgoszczy oraz Centrum Onkologii im. prof. Franciszka Łukaszczyka w Bydgoszczy. Wyniki ukazały się w czasopiśmie Optica, jednym z najbardziej prestiżowych czasopism w dziedzinie optyki i fotoniki (https://doi.org/10.1364/OPTICA.589818).
Skład zespołu:
Instytut Fizyki UMK: Seweryn Morawiec, Matt S. Hepburn, Marta K. Skrok,
Patrycjusz Stremplewski, Maciej Szkulmowski, Brendan F. Kennedy
Collegium Medicum UMK: Mateusz Maniewski, Łukasz Szylberg
