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Neues Endoskop sieht, was sich dahinter verbirgt
Ein mit einem Infrarotlaser und einem winzigen Spiegel ausgestattetes Endoskop könnte Ärzten eines Tages helfen, frühe Anzeichen von Krebs und anderen Krankheiten zu diagnostizieren und bei Operationen zu helfen. Ein Forscher der University of Florida hat einen Prototyp entwickelt, der Bilder bis zu zwei Millimeter unter der Gewebeoberfläche aufnimmt und hochauflösende, dreidimensionale Bilder mit Videogeschwindigkeit liefert.
Untergrundbereich: Ein neuer Endoskop-Prototyp nimmt Bilder unter der Oberfläche von Organen und Geweben auf. Das Zielfernrohr funktioniert durch einen winzigen Spiegel (oben), der sich dreht und einen Laserstrahl reflektiert, um mikroskopische, dreidimensionale Bilder zu erzeugen. Der aktuelle Prototyp ist schmaler als die Breite eines Centes (unten).
Bei der typischen Endoskopie führen Ärzte eine lange, dünne, mit einer Kamera ausgestattete Faser durch die Atemwege oder den Magen-Darm-Trakt eines Patienten, um Anomalien zu erkennen. Die in Echtzeit auf einem Monitor angezeigten Bilder können Anzeichen von Infektionen, inneren Blutungen, Geschwüren und Tumoren auf Gewebeoberflächen erkennen lassen. Doch heutige Endoskope zeigen nur ein oberflächliches Bild – sie verraten nicht, was sich unter der Oberfläche abspielt, etwa die frühe Tumorentwicklung.
85 Prozent der Krebserkrankungen stammen aus dem Epithel, das etwa zwei Millimeter tief ist, sagt Huikai Xie , außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Informationstechnik und Direktor des Labor für Biophotonik und Mikrosysteme . Zusätzlich zu seinem Potenzial zur Erkennung von frühen Anzeichen von Krebs könnte sich das Oszilloskop als chirurgisches Instrument als nützlich erweisen, das Chirurgen dabei hilft, zu bestimmen, wie tief ein Tumor im Gewebe eingebettet ist. Wenn Sie den Tumor entfernen müssen, fällt es den Chirurgen schwer, zu entscheiden, wann sie aufhören müssen. Mit einem Echtzeit-Tool mit hoher Auflösung sind sie sich sicher.
John Saltzman, Gastroenterologe und Direktor der Endoskopie am Brigham and Women's Hospital, sagt, dass eine solche Technik helfen würde, frühe Anzeichen von Krebs, insbesondere in der Speiseröhre, zu erkennen. Bei einer Erkrankung namens Barett-Ösophagus beispielsweise erfahren die Zellen, die die Speiseröhre auskleiden, eine Veränderung, die das Krebsrisiko erhöht, sagt Saltzman, der nicht an der Forschung beteiligt ist. Diese Technologie wäre für uns von Vorteil, um solche Auffälligkeiten zu erkennen.
Anstelle einer winzigen Kamera an der Spitze ist Xies Endoskop mit einem Infrarot-Scanner und einem winzigen Spiegel ausgestattet, der das Gewebe Schicht für Schicht abtastet, um ein dreidimensionales Bild mit mikroskopischer Auflösung zu erhalten. Die Technik basiert auf einer Methode, die als optische Kohärenztomographie (OCT) bezeichnet wird – wenn ein Laserstrahl durch den Arm eines OCT-Endoskops strahlt, trifft er auf Gewebe und reflektiert einen Teil des Lichts zurück, während der Rest gestreut wird. Unterschiedliche Gewebe, z. B. Krebs im Vergleich zu normalem Gewebe, reflektieren Licht unterschiedlich. Ein Interferometer misst das reflektierte Licht und subtrahiert das Streulicht. Durch Ändern der Länge des Arms ändert sich die Tiefe, in der das Licht direkt zurückreflektiert wird, wodurch Bilder verschiedener Schichten erzeugt werden, die zusammen ein dreidimensionales Bild ergeben. Die Methode ähnelt der Ultraschalltechnologie und wird oft als optischer Ultraschall bezeichnet.
Heute wird OCT in der Optometrie verwendet, um die Netzhaut auf Anzeichen von Glaukom und Makuladegeneration abzubilden. Diese Technologie, die verwendet wird, um außerhalb des Körpers zu scannen, erfordert sperrige Geräte, die viel Strom benötigen. Erst vor kurzem haben Forscher versucht, die Technologie auf einen Mikromaßstab zu verkleinern, der in den menschlichen Körper eingefädelt werden kann. Die Herausforderung bestand darin, die Technologie klein genug zu machen, um durch die menschlichen Atemwege zu passen, während sehr kleine Spannungsmengen verwendet werden, um Infrarotlicht zu scannen.
Xies Prototyp verwendet einen MEMS-basierten (mikroelektromechanischen System) Ansatz, der auf einem winzigen, eins-zu-eins-Millimeter-Spiegel zentriert ist. Xie und seine Studenten entwarfen den Spiegel mit winzigen Aktuatoren oder mechanischen Stützen, die den Spiegel schwenken. Während Infrarotlicht durch das Endoskop strahlt, lenkt der Spiegel das Licht hin und her und beleuchtet eine Gewebescheibe. Das reflektierte Licht reflektiert das Endoskop zurück und wird analysiert und in Echtzeit auf einem Bildschirm dargestellt.
Der Spiegel kann 200 Umdrehungen pro Sekunde in einem 100-Grad-Winkel schwenken, wodurch das Zielfernrohr eine schnelle Echtzeit-Bildgebung ermöglicht. Xie testete das Zielfernrohr an Ratten und machte 3D-Bilder von Ratten- und Mauszungen.
Der Prototyp ist noch zu groß, um ihn am Menschen zu verwenden – er benötigt einen Gesamtdurchmesser von 5 Millimetern, um alle seine Teile zu passen. Xie plant jedoch, das Design weiter zu miniaturisieren und wird das Modell im nächsten Jahr an größeren Tieren wie Schweinen und Ziegen testen. Er hat vor kurzem ein Unternehmen gegründet, WiOptix , und ersucht die National Institutes of Health um Finanzierung, um die Kommerzialisierung der Technologie zu unterstützen.
Eric Seibel , wissenschaftlicher außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Direktor des Labor für Humanphotonik an der University of Washington, sagt, dass Kliniker geschult werden müssten, um OCT-Bilder zu interpretieren, die eher wie Ultraschallbilder aussehen als die visuellen Bilder von Videokameras. Er fügt hinzu, dass diese Größe bestimmen wird, ob OCT-basierte Endoskope funktionieren. [Dieses Design] ist etwas platzsparender, aber immer noch mehr als fünf Millimeter groß, sagt Seibel. Es ist noch nicht ganz da, aber es ist ein Schritt in die richtige Richtung.