Mikroendoskop zrewolucjonizuje obrazowanie medyczne

Mikroendoskop to najnowsze dzieło naukowców z Uniwersytetu Stanforda. Urządzenie może zrewolucjonizować diagnostykę obrazową. Składa się ono bowiem z pojedynczego włókna światłowodu, jest więc niezwykle cienkie, a przy tym zapewnia czterokrotnie lepszą rozdzielczość niż obecnie stosowane endoskopy. Stosowanie mikroendoskopu będzie nie tylko łatwiejsze, bezpieczniejsze i mniej nieprzyjemne dla pacjenta, ale pozwoli obrazować te obszary organizmu, które są niedostępne dla tradycyjnych urządzeń, a przy tym zapewni znacznie lepszy obraz niż można uzyskać obecnie.

Mikroendoskop został zbudowany przez zespół pracujący pod kierunkiem profesora Josepha Kahna. Już możliwości prototypu są niezwykłe. Można dzięki niemu obserwować obiekty o wielkości 2,5 mikrometra, a uczeni twierdzą, że łatwo będzie im poprawić rozdzielczość tak, by mikroendoskop pozwalał na dojrzenie struktur o wielkości zaledwie 0,3 mikrometra. Dla porównania, współczesne endoskopy o wysokiej rozdzielczości pozwalają na obserwację 10-mikrometrowych obiektów. Gołym okiem możemy zauważyć obiekty o wielkości około 125 mikrometrów.

Profesor Kahn jest specjalistą od komunikacji światłowodowej. Endoskopią zainteresowal się przed dwoma laty, gdy z wraz z kolegą z pracy, Olavem Solgaardem, rozmawiali o biofotonice, czyli nauce zajmującej się wykorzystaniem światła do badania systemów biologicznych. Olav chciał się dowiedzieć, czy można wysłać światło przez włókno o grubości ludzkiego włosa, oświetlić nim wybrany punkt wewnątrz ciała, przeskanować go i nagrać obraz żywej tkanki - wspomina Kahn.

Szansą na stworzenie takiego urządzenia były światłowody wielomodowe. Głównym problemem zaś - rozpraszanie światła. W czasie podróży przez włókno, światło mogło tak się rozproszyć, że obraz stałby się nieczytelny. Kahn wykorzystał ciekłokrystaliczny modulator przestrzenny światła, a następnie, wraz ze swoim studentem Rezą Nasirim Mahalatim, stworzył specjalny algorytm, który uczył modulator, w jaki sposób "układać" rozproszone światło. Kahn miał doświadczenie z podobnymi sztuczkami. Przed laty uczony pobił rekord świata w światłowodowej transmisji danych używając podobnej techniki do "ułożenia" rozproszonego światła zawierającego przesyłane informacje.

Prace nad mikroendoskopem ruszyły z kopyta, gdy Mahalati wspomniał o pracach innego inżyniera ze Stanforda, Johna Pauly'ego, który wykorzystał technikę losowego próbkowania do olbrzymiego przyspieszenia nagrywania obrazu z rezonansu magnetycznego. To był strzał w dziesiątkę. Byliśmy na dobrym tropie i narodził się rekordowy mikroendoskop - mówi Kahn.

W nowym endoskopie przestrzenny modulator wysyła światło według losowo wybranego wzorca. Światło odbija się od obserwowanego obiektu i wraca światłowodem do kompuptera. Ten mierzy odbite światło i wykorzystuje wcześniej wspomniany algorytm Mahalatiego i Ruo Yu Gu do odtworzenia obrazu.

Kahna zaskoczyła niezwykła rozdzielczość urządzenia. Rozdzielczość dotychczasowych endoskopów składających się z pojedynczego włókna była ograniczona liczbą modów światła. Tutaj mamy do czynienia z jej czterokrotym poprawieniem - mówi uczony. To jednak niejedyna zadziwiająca właściwość urządzenia. To oznacza, że w jakiś sposób otrzymujemy więcej informacji, niż, zgodnie z prawami fizyki, może przejść przez włókno. Wydaje się to niemożliwe - dodaje Kahn.

Naukowcy przez kilka tygodni szukali wyjaśnienia tego fenomenu. W końcu wpadli na prawidłowe rozwiązanie. Losowo wysyłane impulsy światła mieszają mody tak, że czterokrotnie zwiększa się ich liczba, co pozwala na przesłanie czterokrotnie więcej informacji. Podczas wcześniejszych badań nie zauważono tego mieszania. Użyty przez nas niekonwencjonalny algorytm rekonstrukcji obrazu był kluczowy dla ujawnienia ukrytych szczegółów - wyjaśnia Kahn.

Uczeni stworzyli prototypowy mikroendoskop. Głównym ograniczeniem w miniaturyzacji urządzenia jest konieczność utrzymania go wyprostowanego. Zgięcie wielomodowego włókna oznacza, że światło ulega tak dużemu rozproszeniu, iż obraz staje się nieczytelny. Dlatego też włókno umieszczono w cienkiej igle, która zapobiega zginaniu.

Mikroendoskop ze Stanforda wyraźnie rózni się od innych tego typu urządzeń. Inne sztywne endoskopy, używane często podczas zabiegów chirurgicznych, korzystają z dość dużych soczewek, zapewniająch odpowiednio ostry obraz. Z kolei endoskopy, które można zginać - wykorzystywane np. podczas kolonoskopii - składają się zwykle z dziesiątków tysięcy włókien, z których każde przekazuje jeden piksel obrazu. Oba typy endoskopów są grube i mają dość organiczoną rozdzielczość.

Kahn nie jest pierwszym, który stworzył endoskop z pojedynczego włókna światłowodu. Jednak dzięki olbrzymiej rozdzielczości możliwe jest wyprodukowanie endoskopu o średnicy 1/5 milimetra, który przekaże obraz o rozdzielczości 80 000 pikseli i pozwoli zauważyć skruktury wielkości 0,3 mikrometra. Obecnie istniejące najlepsze konkurencyjne rozwiązania mają średnicę 1/2 milimetra, generują obraz o rozdzielczości 10 000 pikseli, umożliwiając obserwowanie obiektów wielkości około 3 mikrometrów.

mikroendoskop Joseph Kahn Reza Nasiri Mahalati Ruo Yu Gu obrazowanie rozdzielczość