Рак желудочно-кишечного тракта остаётся одной из самых распространённых форм рака. Хотя эндоскопия за последние два десятилетия стала краеугольным камнем скрининга и диагностики рака, из-за ограничений видимости эта процедура по-прежнему пропускает около 8–11% опухолей. Исследователи разработали прототип системы визуализации, которая может значительно улучшить возможности врачей по выявлению раковых тканей во время эндоскопических процедур.

Новый подход, описанный в журнале Journal of Medical Imaging , сочетает светодиоды (СД) с технологией гиперспектральной визуализации для создания подробных карт свойств тканей, которые невидимы для обычных эндоскопических камер.

В отличие от стандартной эндоскопии, которая получает изображения с использованием широких каналов красного, зелёного и синего, гиперспектральная визуализация регистрирует данные в нескольких узких диапазонах длин волн, включая свет за пределами видимого спектра. Это позволяет системе выявлять биохимические изменения в раковой ткани , которые формируют чёткие спектральные сигнатуры.

Тестирование концепции светодиодной матрицы

Исследовательская группа под руководством доктора Баовея Фэя, профессора и заведующего кафедрой системной биологии имени Сесила Х. и Иды Грин в Лаборатории количественной биовизуализации Техасского университета в Далласе (UT Dallas), разработала и протестировала прототип системы , построенной на основе матрицы из 18 светодиодов, каждый из которых излучает свет с разной длиной волны в диапазоне от 405 до 910 нанометров. Система использует монохромную камеру для получения изображений, когда каждый светодиод последовательно освещает целевую ткань, создавая полный набор гиперспектральных данных.

Исследователи оценили свою систему на основе светодиодов, визуализируя образцы нормальных и раковых тканей, удалённых во время операции. Они изучили, как различные условия визуализации влияют на качество гиперспектральных данных, и сравнили полученные результаты с результатами, полученными с помощью эталонной гиперспектральной камеры, используемой в качестве золотого стандарта.

Многообещающие результаты для медицинского применения

Прототип на основе светодиодов успешно зарегистрировал гиперспектральные сигнатуры различных типов тканей, предоставив данные, сопоставимые с данными эталонной системы. Исследователи обнаружили, что их подход позволяет достичь скорости визуализации более 10 наборов гиперспектральных данных в секунду, что приближается к скорости в режиме реального времени, необходимой для практических эндоскопических процедур.

«Наше исследование демонстрирует возможность использования спектральной светодиодной матрицы в качестве источника освещения для высокоскоростной и высококачественной гиперспектральной съемки», — прокомментировала Наэме Модир, докторант Техасского университета в Далласе и первый автор исследования. «Наши результаты свидетельствуют о том, что системы на основе светодиодов могут открыть новые возможности для приложений гиперспектральной съемки», — отметила она.

Преимущества по сравнению с существующими технологиями

Светодиодный подход обладает рядом потенциальных преимуществ по сравнению с существующими системами гиперспектральной эндоскопии. Традиционные гиперспектральные эндоскопы часто требуют использования волоконно-оптических жгутов для передачи света через рабочий канал эндоскопа, что ограничивает пространство для других медицинских инструментов. Новая конструкция размещает светодиоды непосредственно на конце эндоскопа, оставляя рабочий канал свободным для хирургических инструментов или других процедур.

Система также позволяет врачам индивидуально регулировать интенсивность каждого светодиода в зависимости от расстояния до целевой ткани. Этот контроль в режиме реального времени помогает предотвратить такие проблемы, как перенасыщение сенсора из-за чрезмерного освещения или зашумленность изображений из-за недостаточного освещения. Кроме того, поскольку ткань подвергается воздействию каждой длины волны лишь в течение короткого времени, такой подход может снизить потенциальный вред от длительного воздействия света по сравнению с системами, использующими белый свет широкого спектра.

Технические инновации и будущие приложения

Исследователи разработали свою систему, использующую сканирование по длинам волн, при котором светодиоды последовательно освещают ткань на разных длинах волн. Этот метод позволяет сбалансировать скорость с высоким спектральным разрешением. Этот подход отличается от других методов гиперспектральной визуализации, которые либо жертвуют скоростью ради разрешения, либо разрешением ради скорости.

Технология микросветодиодов делает систему практичной для медицинского применения. Эти микроскопические светодиоды с площадью основания менее 400 квадратных микрометров могут быть установлены на печатной плате, окружающей камеру на кончике эндоскопа. Компактная конструкция позволяет интегрировать десятки светодиодов без значительного увеличения габаритов эндоскопа.

Возможность настраивать спектральные диапазоны, используемые для визуализации, представляет собой ещё одно преимущество. Врачи потенциально могут выбирать определённые комбинации длин волн, оптимизированные для выявления определённых видов рака или других патологий тканей, что повышает точность диагностики при сохранении высокой скорости визуализации.

Путь вперед

«Хотя прототип демонстрирует техническую осуществимость гиперспектральной эндоскопии на основе светодиодов, потребуются дополнительные разработки, прежде чем технология попадёт в клиническую практику», — отмечает Модир. «Мы установили, что этот подход позволяет получать высококачественные гиперспектральные данные с приемлемой для практики скоростью визуализации, что, как мы надеемся, заложит основу для будущих медицинских приложений».

Исследование представляет собой значительный шаг к повышению эффективности эндоскопического скрининга рака. Благодаря потенциальному сокращению числа пропущенных опухолей и возможности оценки тканей в режиме реального времени на более обширных участках, светодиодная гиперспектральная визуализация может помочь врачам быстрее и точнее ставить диагнозы, одновременно сокращая необходимость в ненужном удалении тканей и патологических исследованиях.