Imágenes OCT sensibles a la polarización 3D de la organización del colágeno dentro de los sistemas de órganos

Diagrama esquemático del sistema PSOCT generalizado y diagrama de flujo del método PST basado en DDG y sus aplicaciones en tejidos biológicos. El sistema utilizado en este estudio es un sistema PSOCT generalizado con un solo estado de polarización de entrada. El esquema de detección de entrada única permite una configuración del sistema PSOCT ordenada, rentable y flexible. El diagrama de flujo debajo del sistema ilustra las estrategias del método PST basado en DDG para derivar el retardo de fase local y el eje óptico local de las mediciones de PSOCT. Los estados de polarización de salida representados por Q, U y V se reconstruyen mediante el cálculo de los parámetros de Stokes. La trayectoria de los estados de polarización de salida en la esfera de Poincaré se considera como una curva espacial. Luego se aplica DDG a esta curva para proporcionar los vectores TNB de esta curva. Mediante el uso de una operación de rotación 3D, los retrasos de fase locales y la orientación del eje local se pueden obtener y utilizar para visualizar la organización del colágeno en el tejido biológico. Las imágenes de la derecha muestran las aplicaciones de este método: organización del colágeno de un corazón de ratón completo y la piel del rostro de un adulto sano. Un esqueleto de tipo helicoidal típico de las fibras miocárdicas en el corazón y las líneas de tensión de la piel en la piel humana se visualizan claramente usando el método propuesto. Crédito: por Peijun Tang, Mitchell A. Kirby, Nhan Le, Yuandong Li, Nicole Zeinstra, G. Nina Lu, Charles E. Murry, Ying Zheng y Ruikang K. Wang

Es crucial conocer la organización del colágeno 3D dentro de los sistemas de órganos tanto para el diagnóstico de enfermedades, por ejemplo, infarto de corazón, como para la guía quirúrgica, por ejemplo, incisión en la piel. Científicos de la Universidad de Washington, Seattle, informaron sobre un nuevo enfoque de imágenes que utiliza tomografía de coherencia óptica sensible a la polarización para obtener imágenes no invasivas de la organización de colágeno resuelta en profundidad dentro del corazón y la piel humana viva. La técnica abrirá nuevas posibilidades para un diagnóstico clínico más preciso y una cirugía guiada por imágenes.

El colágeno es esencial para la integridad y la estabilidad de los tejidos, y los cambios en su organización intrínseca son las características clave de varias enfermedades importantes, como la formación de cicatrices, el infarto cardíaco y el cáncer. Conocer la organización de los patrones de colágeno no solo es importante para el diagnóstico clínico temprano y preciso, sino que también es valioso en la planificación quirúrgica dermatológica para reducir la cicatrización. Sin embargo, las técnicas de imagen tradicionales, como la microscopía polarizada y la microscopía de segunda generación armónica (SHG), limitan la imagen del colágeno en los estudios de laboratorio. Por ejemplo, la microscopía polarizada solo puede proporcionar imágenes bidimensionales y requiere un procedimiento destructivo para la muestra que debe evitarse en la medida de lo posible en la clínica. Para la técnica de imagen de generación SHG, el campo de visión y la profundidad de la imagen a menudo son demasiado limitados para reconstruir organizaciones de colágeno macroscópicas que revelan la arquitectura funcional de los tejidos. Además, se necesita una alta potencia incidente del láser en las imágenes de SHG para proporcionar suficiente contraste para el colágeno, lo que podría dañar los tejidos vivos objetivo. Todas estas limitaciones dificultan la utilización de la información del colágeno en el diagnóstico clínico.

Como tecnología de imágenes médicas madura, la tomografía de coherencia óptica (OCT) proporciona imágenes tridimensionales (3D) de campo amplio y alta resolución. imágenes de tejidos biológicos vivos sin necesidad de contacto o daño a la muestra. Por lo tanto, es una herramienta ideal de elección para el diagnóstico clínico y la cirugía guiada por imágenes. Sin embargo, la OCT tradicional carece de contraste específico para el colágeno. Dado que el colágeno es altamente birrefringente, se desarrolló una extensión funcional de la tomografía de coherencia óptica (PSOCT) sensible a la polarización para obtener imágenes del material birrefringente en 3D. Sin embargo, el desafío es que el PSOCT tradicional solo proporciona la medición acumulada de información birrefringente dentro de la muestra. Es decir, utilizando el método PSOCT tradicional, la organización del colágeno incrustada profundamente en el tejido no se puede reconstruir correctamente.

En un nuevo artículo publicado en Light Science & Application, un equipo de científicos, dirigido por el profesor Ruikang K Wang del Departamento de Bioingeniería de la Universidad de Washington, EE. UU., y sus colaboradores han desarrollado un enfoque novedoso que utiliza PSOCT para obtener imágenes no invasivas de la organización del colágeno resuelta en profundidad dentro de los corazones de roedores y la piel humana viva. Su método permite a los científicos o médicos «ver» la organización del colágeno en 3D dentro de un tejido vivo sin aplicar ningún «efecto secundario» a la muestra. Más interesante aún, este método solo requiere un único estado de polarización de entrada para reconstruir la arquitectura de colágeno resuelta en profundidad, lo que permite un diseño de sistema PSOCT rentable, flexible y ordenado, que es extremadamente atractivo para la traducción clínica. Al proporcionar un contraste 3D de campo amplio para el tejido específico de forma no invasiva, este método informado abrirá nuevas posibilidades para un diagnóstico clínico más preciso y una cirugía guiada por imágenes, dirigida a la medicina de precisión.

Este método, llamado polarización El método de rastreo de estado (PST), utilizó la trayectoria de los estados de polarización de salida en la esfera de Poincaré para extraer la información birrefringente local en cada profundidad de la muestra. Al aplicar de manera innovadora el análisis de geometría diferencial discreta (DDG) a la trayectoria, el retardo de fase local y la orientación del eje local en cada profundidad de la muestra se pueden adquirir utilizando un solo estado de polarización de entrada. Los científicos resumen los propósitos de su desarrollo: «Desarrollamos el método PST basado en DDG para enfrentar los desafíos de: (1) una demanda clínica de un método no invasivo que pueda resolver la información birrefringente local dentro de un tejido vivo; y ( 2) el deseo de que un método y un dispositivo puedan cumplir con los requisitos para la traducción clínica».

Debido a que el colágeno fibroso muestra una anisotropía óptica intrínseca, el mapeo de la orientación del eje local puede visualizar la organización del colágeno al revelar la dirección del colágeno. alineación. Los autores utilizaron con éxito este método para reconstruir la típica estructura de fibras miocárdicas helicoidales de un corazón completo de ratón, observar la desorganización de las fibras miocárdicas dentro de un corazón de rata con infarto y visualizar la arquitectura macroscópica de las líneas de tensión de la piel en un sistema PSOCT generalizado con un solo estado de polarización de entrada. «Todos estos hallazgos son extremadamente valiosos en numerosas aplicaciones clínicas, por ejemplo, en la detección temprana del infarto agudo de miocardio, el seguimiento de la remodelación del injerto en el tratamiento terapéutico del infarto cardíaco, la evaluación de la formación de cicatrices y la cirugía plástica guiada por imágenes, etc. Además, la importante simplificación del sistema de imagen PSOCT facilita la traducción clínica de esta técnica de imagen, lo que proporcionaría una nueva matriz de información diagnóstica”, añaden.

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Los investigadores utilizan el aprendizaje profundo para mejorar las herramientas de diagnóstico del cáncer Más información: Peijun Tang et al, tomografía de coherencia óptica sensible a la polarización con entrada única para obtener imágenes de organizaciones de colágeno resueltas en profundidad, Light : Ciencia y Aplicaciones (2021). DOI: 10.1038/s41377-021-00679-3 Información de la revista: Light: Science & Applications

Proporcionado por la Academia de Ciencias de China Cita: OCT sensible a la polarización 3D imágenes de la organización del colágeno dentro de los sistemas de órganos (29 de noviembre de 2021) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-11-3d-polarization-sensitive-oct-imaging-collagen.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.