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Die konfokale Laserendoskopie ist eine neue Methode der optischen Echtzeitbiopsie.Vom Epithel von Hohlorganen können sofort Fluoreszenzbilder von histologischer Qualität gewonnen werden.Derzeit wird das Scannen proximal mit sondenbasierten Instrumenten durchgeführt, die in der klinischen Praxis häufig verwendet werden, wobei die Flexibilität bei der Fokussteuerung begrenzt ist.Wir demonstrieren die Verwendung eines parametrischen Resonanzscanners, der am distalen Ende eines Endoskops montiert ist, um eine seitliche Hochgeschwindigkeitsablenkung durchzuführen.In die Mitte des Reflektors wurde ein Loch geätzt, um den Lichtweg aufzurollen.Durch dieses Design wird die Größe des Instruments auf 2,4 mm Durchmesser und 10 mm Länge reduziert, sodass es durch den Arbeitskanal standardmäßiger medizinischer Endoskope nach vorne geführt werden kann.Das kompakte Objektiv bietet laterale und axiale Auflösungen von 1,1 bzw. 13,6 µm.Bei Bildraten bis 20 Hz wird ein Arbeitsabstand von 0 µm und ein Sichtfeld von 250 µm × 250 µm erreicht.Die Anregung bei 488 nm regt Fluorescein an, einen von der FDA zugelassenen Farbstoff für hohen Gewebekontrast.Endoskope wurden mit klinisch zugelassenen Sterilisationsmethoden 18 Zyklen lang ohne Fehler aufbereitet.Fluoreszenzbilder wurden von normaler Dickdarmschleimhaut, tubulären Adenomen, hyperplastischen Polypen, Colitis ulcerosa und Colitis Crohn im Rahmen einer routinemäßigen Koloskopie aufgenommen.Es können einzelne Zellen identifiziert werden, darunter Kolonozyten, Becherzellen und Entzündungszellen.Schleimhautmerkmale wie Kryptastrukturen, Kryptahöhlen und Lamina propria können unterschieden werden.Das Instrument kann als Ergänzung zur konventionellen Endoskopie eingesetzt werden.
Die konfokale Laserendoskopie ist eine neuartige Bildgebungsmodalität, die für den klinischen Einsatz als Ergänzung zur Routineendoskopie entwickelt wird1,2,3.Mit diesen flexiblen, faseroptisch verbundenen Instrumenten können Krankheiten in den Epithelzellen erkannt werden, die Hohlorgane wie den Dickdarm auskleiden.Diese dünne Gewebeschicht ist hoch stoffwechselaktiv und die Quelle vieler Krankheitsprozesse wie Krebs, Infektionen und Entzündungen.Die Endoskopie kann eine subzelluläre Auflösung erreichen und in Echtzeit In-vivo-Bilder in nahezu histologischer Qualität liefern, um Klinikern bei der Entscheidungsfindung zu helfen.Eine physikalische Gewebebiopsie birgt das Risiko von Blutungen und Perforationen.Oft werden zu viele oder zu wenige Biopsien entnommen.Jede entnommene Probe erhöht die Operationskosten.Bis die Probe von einem Pathologen ausgewertet wird, dauert es mehrere Tage.In den Tagen, in denen Patienten auf pathologische Ergebnisse warten, verspüren sie oft Angst.Im Gegensatz dazu fehlt anderen klinischen Bildgebungsmodalitäten wie MRT, CT, PET, SPECT und Ultraschall die räumliche Auflösung und zeitliche Geschwindigkeit, die erforderlich sind, um epitheliale Prozesse in vivo mit subzellulärer Echtzeitauflösung darzustellen.
Ein sondenbasiertes Instrument (Cellvizio) wird derzeit häufig in Kliniken zur Durchführung einer „optischen Biopsie“ verwendet.Das Design basiert auf einem räumlich kohärenten Glasfaserbündel4, das Fluoreszenzbilder sammelt und überträgt.Der einzelne Faserkern fungiert als „Loch“, um defokussiertes Licht für eine subzelluläre Auflösung räumlich zu filtern.Das Scannen erfolgt proximal mit einem großen, sperrigen Galvanometer.Diese Bestimmung schränkt die Leistungsfähigkeit des Fokussteuerungstools ein.Für das richtige Staging eines frühen Epithelkarzinoms ist eine Visualisierung unterhalb der Gewebeoberfläche erforderlich, um die Invasion zu beurteilen und eine geeignete Therapie zu bestimmen.Fluorescein, ein von der FDA zugelassenes Kontrastmittel, wird intravenös verabreicht, um strukturelle Merkmale des Epithels hervorzuheben. Diese Endomikroskope haben Abmessungen von weniger als 2,4 mm Durchmesser und können problemlos durch den Biopsiekanal standardmäßiger medizinischer Endoskope geführt werden. Diese Endomikroskope haben Abmessungen von weniger als 2,4 mm Durchmesser und können problemlos durch den Biopsiekanal standardmäßiger medizinischer Endoskope geführt werden. Diese Endomikroskope haben einen Durchmesser von weniger als 2,4 mm und können nur wenige Tests auf dem Biopsie-Kalender herkömmlicher medizinischer Endoskopien durchführen. Diese Endomikroskope haben einen Durchmesser von <2,4 mm und können problemlos durch den Biopsiekanal standardmäßiger medizinischer Endoskope geführt werden.Diese Endoskope haben einen Durchmesser von weniger als 2,4 mm und passen problemlos durch den Biopsiekanal standardmäßiger medizinischer Endoskope.Diese Flexibilität ermöglicht ein breites Spektrum klinischer Anwendungen und ist unabhängig von Endoskopherstellern.Mit diesem Bildgebungsgerät wurden zahlreiche klinische Studien durchgeführt, darunter die Früherkennung von Krebserkrankungen der Speiseröhre, des Magens, des Dickdarms und der Mundhöhle.Es wurden Bildgebungsprotokolle entwickelt und die Sicherheit des Verfahrens nachgewiesen.
Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind eine leistungsstarke Technologie zur Entwicklung und Herstellung winziger Scanmechanismen, die im distalen Ende von Endoskopen verwendet werden.Diese Position (relativ zur proximalen Position) ermöglicht eine größere Flexibilität bei der Steuerung der Fokusposition5,6.Zusätzlich zur seitlichen Ablenkung kann der distale Mechanismus auch axiale Scans, Post-Objective-Scans und Random-Access-Scans durchführen.Diese Funktionen ermöglichen eine umfassendere Untersuchung von Epithelzellen, einschließlich vertikaler Querschnittsbildgebung7, aberrationsfreiem Scannen mit großem Sichtfeld (FOV)8 und verbesserter Leistung in benutzerdefinierten Unterregionen9.MEMS löst das ernste Problem, die Scan-Engine in den begrenzten Platz am anderen Ende des Instruments zu packen.Im Vergleich zu sperrigen Galvanometern bieten MEMS eine überlegene Leistung bei geringer Größe, hoher Geschwindigkeit und geringem Stromverbrauch.Ein einfacher Herstellungsprozess kann zu geringen Kosten für die Massenproduktion skaliert werden.Über viele MEMS-Designs wurde bereits berichtet10,11,12.Keine der Technologien ist bisher ausreichend entwickelt, um den breiten klinischen Einsatz der Echtzeit-In-vivo-Bildgebung über den Arbeitskanal eines medizinischen Endoskops zu ermöglichen.Hier wollen wir die Verwendung eines MEMS-Scanners am distalen Ende eines Endoskops für die In-vivo-Bilderfassung beim Menschen während der routinemäßigen klinischen Endoskopie demonstrieren.
Es wurde ein faseroptisches Instrument entwickelt, das einen MEMS-Scanner am distalen Ende verwendet, um in vivo Fluoreszenzbilder mit ähnlichen histologischen Eigenschaften in Echtzeit zu sammeln.Eine Singlemode-Faser (SMF) wird in einem flexiblen Polymerschlauch eingeschlossen und bei λex = 488 nm angeregt.Diese Konfiguration verkürzt die Länge der distalen Spitze und ermöglicht die Vorwärtsführung durch den Arbeitskanal standardmäßiger medizinischer Endoskope.Verwenden Sie die Spitze, um die Optik zu zentrieren.Diese Linsen sind so konzipiert, dass sie eine nahezu diffraktive axiale Auflösung mit einer numerischen Apertur (NA) = 0,41 und einem Arbeitsabstand = 0 µm13 erreichen.Zur präzisen Ausrichtung der Optik 14 werden Präzisions-Unterlegscheiben hergestellt. Der Scanner ist in einem Endoskop mit einer starren distalen Spitze von 2,4 mm Durchmesser und 10 mm Länge verpackt (Abb. 1a).Diese Abmessungen ermöglichen den Einsatz in der klinischen Praxis als Zubehör bei der Endoskopie (Abb. 1b).Die maximale Leistung des auf das Gewebe einfallenden Lasers betrug 2 mW.
Konfokale Laserendoskopie (CLE) und MEMS-Scanner.Das Foto zeigt (a) ein verpacktes Instrument mit starren distalen Spitzenabmessungen von 2,4 mm Durchmesser und 10 mm Länge und (b) den geraden Durchgang durch den Arbeitskanal eines standardmäßigen medizinischen Endoskops (Olympus CF-HQ190L).(c) Vorderansicht des Scanners mit einem Reflektor mit einer zentralen Apertur von 50 µm, durch den der Anregungsstrahl verläuft.Der Scanner ist auf einem Kardanring montiert, der von einer Reihe von Quadratur-Kammantriebsantrieben angetrieben wird.Die Resonanzfrequenz des Geräts wird durch die Größe der Torsionsfeder bestimmt.(d) Seitenansicht des Scanners, die den auf einem Ständer montierten Scanner mit Drähten zeigt, die mit Elektrodenankern verbunden sind, die Verbindungspunkte für Antriebs- und Stromsignale bieten.
Der Scanmechanismus besteht aus einem kardanisch montierten Reflektor, der von einer Reihe kammgetriebener Quadraturaktoren angetrieben wird, um den Strahl seitlich (XY-Ebene) in einem Lissajous-Muster abzulenken (Abb. 1c).In der Mitte wurde ein Loch mit einem Durchmesser von 50 µm geätzt, durch das der Anregungsstrahl lief.Der Scanner wird mit der Resonanzfrequenz des Designs angetrieben, die durch Ändern der Abmessungen der Torsionsfeder abgestimmt werden kann.Am Umfang des Geräts wurden Elektrodenanker eingraviert, um Anschlusspunkte für Strom- und Steuersignale bereitzustellen (Abb. 1d).
Das Bildgebungssystem ist auf einem tragbaren Wagen montiert, der in den Operationssaal gerollt werden kann.Die grafische Benutzeroberfläche wurde entwickelt, um Benutzer mit minimalen technischen Kenntnissen wie Ärzte und Pflegepersonal zu unterstützen.Überprüfen Sie manuell die Antriebsfrequenz des Scanners, den Strahlformmodus und das Bild-FOV.
Die Gesamtlänge des Endoskops beträgt ca. 4 m, um den vollständigen Durchgang der Instrumente durch den Arbeitskanal eines medizinischen Standardendoskops (1,68 m) zu ermöglichen, mit einer zusätzlichen Länge für die Manövrierfähigkeit.Am proximalen Ende des Endoskops enden das SMF und die Kabel in Anschlüssen, die mit den Glasfaser- und Kabelanschlüssen der Basisstation verbunden sind.Die Anlage enthält einen Laser, eine Filtereinheit, einen Hochspannungsverstärker und einen Photomultiplier-Detektor (PMT).Der Verstärker versorgt den Scanner mit Strom und Antriebssignalen.Die optische Filtereinheit koppelt die Laseranregung an den SMF und leitet die Fluoreszenz an den PMT weiter.
Endoskope werden nach jedem klinischen Eingriff mit dem STERRAD-Sterilisationsverfahren wiederaufbereitet und können bis zu 18 Zyklen ohne Ausfall überstehen.Bei der OPA-Lösung wurden nach mehr als 10 Desinfektionszyklen keine Anzeichen von Schäden beobachtet.Die Ergebnisse von OPA übertrafen die von STERRAD, was darauf hindeutet, dass die Lebensdauer von Endoskopen durch eine hochgradige Desinfektion anstelle einer erneuten Sterilisierung verlängert werden könnte.
Die Bildauflösung wurde anhand der Punktstreufunktion unter Verwendung fluoreszierender Perlen mit einem Durchmesser von 0,1 μm bestimmt.Für die laterale und axiale Auflösung wurde eine Halbwertsbreite (FWHM) von 1,1 bzw. 13,6 µm gemessen (Abb. 2a, b).
Bildoptionen.Die laterale (a) und axiale (b) Auflösung der Fokussieroptik wird durch die Punktstreufunktion (PSF) charakterisiert, die mit fluoreszierenden Mikrokügelchen mit einem Durchmesser von 0,1 μm gemessen wird.Die gemessene Halbwertsbreite (FWHM) betrug 1,1 bzw. 13,6 µm.Einschub: Es werden vergrößerte Ansichten einer einzelnen Mikrokugel in transversaler (XY) und axialer (XZ) Richtung gezeigt.(c) Fluoreszenzbild, aufgenommen von einem Standard-Zielstreifen (USAF 1951) (rotes Oval), das zeigt, dass die Gruppen 7–6 klar aufgelöst werden können.(d) Bild von dispergierten fluoreszierenden Mikrokügelchen mit einem Durchmesser von 10 µm, das ein Bildsichtfeld von 250 µm x 250 µm zeigt.Die PSFs in (a, b) wurden mit MATLAB R2019a (https://www.mathworks.com/) erstellt.(c, d) Fluoreszenzbilder wurden mit LabVIEW 2021 (https://www.ni.com/) gesammelt.
Fluoreszenzbilder von Objektiven mit Standardauflösung heben den Satz von Spalten in den Gruppen 7–6 deutlich hervor, wodurch eine hohe laterale Auflösung erhalten bleibt (Abb. 2c).Das Sichtfeld (FOV) von 250 µm × 250 µm wurde anhand von Bildern von auf Deckgläsern verteilten Fluoreszenzkügelchen mit einem Durchmesser von 10 µm bestimmt (Abb. 2d).
Eine automatisierte Methode zur PMT-Verstärkungssteuerung und Phasenkorrektur wird in einem klinischen Bildgebungssystem implementiert, um Bewegungsartefakte von Endoskopen, Dickdarmperistaltik und Patientenatmung zu reduzieren.Bildrekonstruktions- und -verarbeitungsalgorithmen wurden bereits beschrieben14,15.Die PMT-Verstärkung wird durch einen Proportional-Integral-Regler (PI) gesteuert, um eine Intensitätssättigung zu verhindern16.Das System liest die maximale Pixelintensität für jedes Bild, berechnet die proportionalen und integralen Reaktionen und bestimmt PMT-Verstärkungswerte, um sicherzustellen, dass die Pixelintensität innerhalb des zulässigen Bereichs liegt.
Bei der In-vivo-Bildgebung kann eine Phasenfehlanpassung zwischen Scannerbewegung und Steuersignal zu Bildunschärfen führen.Solche Effekte können aufgrund von Temperaturänderungen des Geräts im menschlichen Körper auftreten.Weißlichtbilder zeigten, dass das Endoskop in vivo Kontakt mit normaler Dickdarmschleimhaut hatte (Abbildung 3a).In Rohbildern normaler Dickdarmschleimhaut ist eine Unschärfe falsch ausgerichteter Pixel zu erkennen (Abbildung 3b).Nach der Behandlung mit der richtigen Phasen- und Kontrasteinstellung konnten subzelluläre Merkmale der Schleimhaut unterschieden werden (Abb. 3c).Für zusätzliche Informationen sind in Abb. S1 konfokale Rohbilder und verarbeitete Echtzeitbilder dargestellt. Die für die Echtzeit- und Nachbearbeitung verwendeten Bildrekonstruktionsparameter sind in Tabelle S1 und Tabelle S2 aufgeführt.
Bildverarbeitung.(a) Endoskopisches Weitwinkelbild, das ein Endoskop (E) zeigt, das in Kontakt mit normaler (N) Dickdarmschleimhaut gebracht wird, um in vivo Fluoreszenzbilder nach Fluoreszeinverabreichung zu sammeln.(b) Ein Wandern in der X- und Y-Achse während des Scannens kann dazu führen, dass falsch ausgerichtete Pixel unscharf werden.Zu Demonstrationszwecken wird eine große Phasenverschiebung auf das Originalbild angewendet.(c) Nach der Phasenkorrektur nach der Bearbeitung können Schleimhautdetails beurteilt werden, einschließlich Kryptastrukturen (Pfeile), mit einem zentralen Lumen (l), das von der Lamina propria (lp) umgeben ist.Es können einzelne Zellen unterschieden werden, darunter Kolonozyten (c), Becherzellen (g) und Entzündungszellen (Pfeile).Siehe zusätzliches Video 1. (b, c) Mit LabVIEW 2021 verarbeitete Bilder.
Konfokale Fluoreszenzbilder wurden in vivo bei mehreren Dickdarmerkrankungen aufgenommen, um die breite klinische Anwendbarkeit des Instruments zu demonstrieren.Zunächst wird eine Weitwinkelbildgebung mit weißem Licht durchgeführt, um stark abnormale Schleimhäute zu erkennen.Anschließend wird das Endoskop durch den Arbeitskanal des Koloskops vorgeschoben und mit der Schleimhaut in Kontakt gebracht.
Weitfeld-Endoskopie, konfokale Endomikroskopie und histologische (H&E) Bilder werden für Kolonneoplasien, einschließlich tubulärem Adenom und hyperplastischem Polypen, gezeigt. Weitfeld-Endoskopie, konfokale Endomikroskopie und histologische (H&E) Bilder werden für Kolonneoplasien, einschließlich tubulärem Adenom und hyperplastischem Polypen, gezeigt. Psychologische Endoskopie, konfektionäre Endoskopie und Histologie (H&E)-Bildgebung für nicht-chirurgische Untersuchungen, einschließlich Tubus. Adenom und hypoplastischer Polypen. Kolonendoskopie, konfokale Endomikroskopie und histologische (H&E) Bildgebung sind bei Kolonneoplasien, einschließlich tubulärem Adenom und hyperplastischem Polypen, indiziert.显示结肠肿瘤（包括管状腺瘤和增生性息肉）的广角内窥镜检查、共聚焦显微内窥镜检查和组织学(H&E) 图像.共设计脚肠化(图像管状躰化和增生性息肉)的广角内刵霱录共共共光在微微全在圕别具和结果学(H&E)-Bild. Chiropraktische Endoskopie, konfektionäre Mikroendoskopie und Histologie (H&E)-Bildgebung, Suche nach Patienten, einschließlich Kindern Dies sind Adenome und hyperplastische Polypen. Breitfeld-Endoskopie, konfokale Mikroendoskopie und histologische (H&E) Bilder, die Tumoren des Dickdarms zeigen, einschließlich tubulärer Adenome und hyperplastischer Polypen.Röhrenadenome zeigten einen Verlust der normalen Kryptaarchitektur, eine Verringerung der Größe der Becherzellen, eine Verzerrung des Kryptalumens und eine Verdickung der Lamina propria (Abb. 4a-c).Hyperplastische Polypen zeigten eine sternförmige Kryptenarchitektur, wenige Becherzellen, schlitzartige Kryptenlumen und unregelmäßige Lamellenkrypten (Abb. 4d-f).
Bild der dicken Schleimhaut in vivo. Es werden repräsentative Weißlichtendoskopie-, konfokale Endomikroskopie- und Histologiebilder (H&E) für (ac) Adenome, (df) hyperplastische Polypen, (gi) Colitis ulcerosa und (jl) Morbus Crohn gezeigt. Es werden repräsentative Weißlichtendoskopie-, konfokale Endomikroskopie- und Histologiebilder (H&E) für (ac) Adenome, (df) hyperplastische Polypen, (gi) Colitis ulcerosa und (jl) Morbus Crohn gezeigt. Typische Endoskopie-Bildgebung im Weißen, Konfokale Endoskopie und Histologie (H&E) für (ac) Adenome, (df) Hyperplastik-Polypapie, (gi) Tests vennogo колита и (jl) колита Крона. Für (ac) Adenome, (df) hyperplastische Polypen, (gi) Colitis ulcerosa und (jl) Morbus Crohn werden typische Weißlichtendoskopie-, konfokale Endomikroskopie- und Histologiebilder (H&E) gezeigt.显示了(ac) 腺瘤、(df) 增生性息肉、(gi) 溃疡性结肠炎和(jl) 克罗恩结肠炎的代表性白光内窥镜检查、共聚焦内窥镜检查和组织学( H&E) 图像. Es zeigt(ac) 躰真、(df) 增生性息肉、(gi) 苏盖性红肠炎和(jl) 克罗恩红肠炎的体育性白光内肠肠炎性、共公司内肠肠炎性和电视学( H&E ) Bild. Представлены репрезентативные эндоскопия в белом свете, конфокальная эндоскопия и гистология (ac) аденомы, (df) гиперпластического полипоза, (gi) язвенного и (jl) колита Крона (H&E). Gezeigt werden repräsentative Weißlichtendoskopie, konfokale Endoskopie und Histologie von (ac) Adenomen, (df) hyperplastischer Polyposis, (gi) Colitis ulcerosa und (jl) Morbus Crohn (H&E).(B) zeigt ein konfokales Bild, das in vivo von einem tubulären Adenom (TA) mit einem Endoskop (E) aufgenommen wurde.Diese präkanzeröse Läsion zeigt den Verlust der normalen Krypta-Architektur (Pfeil), eine Verzerrung des Krypta-Lumens (l) und eine Überfüllung der Krypta-Lamina propria (lp).Auch Kolonozyten (c), Becherzellen (g) und Entzündungszellen (Pfeile) können identifiziert werden.Smt.Ergänzendes Video 2. (e) zeigt ein konfokales Bild, das von einem hyperplastischen Polypen (HP) in vivo aufgenommen wurde.Diese gutartige Läsion zeigt eine sternförmige Kryptaarchitektur (Pfeil), ein schlitzartiges Kryptalumen (l) und eine unregelmäßig geformte Lamina propria (lp).Außerdem sind Kolonozyten (c), mehrere Becherzellen (g) und Entzündungszellen (Pfeile) zu erkennen.Smt.Ergänzendes Video 3. (h) zeigt konfokale Bilder, die bei Colitis ulcerosa (UC) in vivo aufgenommen wurden.Dieser entzündliche Zustand zeigt eine verzerrte Kryptaarchitektur (Pfeil) und prominente Becherzellen (g).Fluoreszeinfedern (f) werden aus Epithelzellen extrudiert, was auf eine erhöhte Gefäßpermeabilität hinweist.In der Lamina propria (lp) sind zahlreiche Entzündungszellen (Pfeile) zu sehen.Smt.Ergänzendes Video 4. (k) zeigt ein konfokales Bild, das in vivo aus einer Region von Morbus Crohn (CC) aufgenommen wurde.Dieser entzündliche Zustand zeigt eine verzerrte Kryptaarchitektur (Pfeil) und prominente Becherzellen (g).Fluoreszeinfedern (f) werden aus Epithelzellen extrudiert, was auf eine erhöhte Gefäßpermeabilität hinweist.In der Lamina propria (lp) sind zahlreiche Entzündungszellen (Pfeile) zu sehen.Smt.Ergänzendes Video 5. (b, d, h, l) Mit LabVIEW 2021 verarbeitete Bilder.
Es wird eine ähnliche Reihe von Bildern von Dickdarmentzündungen gezeigt, darunter Colitis ulcerosa (UC) (Abbildung 4g-i) und Morbus Crohn (Abbildung 4j-l).Es wird angenommen, dass die Entzündungsreaktion durch verzerrte Kryptastrukturen mit hervorstehenden Becherzellen gekennzeichnet ist.Fluorescein wird aus Epithelzellen herausgedrückt, was auf eine erhöhte Gefäßpermeabilität hinweist.In der Lamina propria sind zahlreiche Entzündungszellen zu erkennen.
Wir haben die klinische Anwendung eines flexiblen fasergekoppelten konfokalen Laserendoskops demonstriert, das einen distal positionierten MEMS-Scanner für die In-vivo-Bilderfassung verwendet.Bei Resonanzfrequenz können Bildraten von bis zu 20 Hz erreicht werden, indem ein Lissajous-Scanmodus mit hoher Dichte verwendet wird, um Bewegungsartefakte zu reduzieren.Der optische Pfad ist gefaltet, um eine Strahlaufweitung und eine numerische Apertur zu gewährleisten, die ausreicht, um eine laterale Auflösung von 1,1 µm zu erreichen.Fluoreszenzbilder von histologischer Qualität wurden während der routinemäßigen Koloskopie von normaler Dickdarmschleimhaut, tubulären Adenomen, hyperplastischen Polypen, Colitis ulcerosa und Morbus Crohn erhalten.Es können einzelne Zellen identifiziert werden, darunter Kolonozyten, Becherzellen und Entzündungszellen.Schleimhautmerkmale wie Kryptastrukturen, Kryptahöhlen und Lamina propria können unterschieden werden.Die Präzisionshardware ist mikrobearbeitet, um eine präzise Ausrichtung der einzelnen optischen und mechanischen Komponenten innerhalb des Instruments mit 2,4 mm Durchmesser x 10 mm Länge zu gewährleisten.Das optische Design reduziert die Länge der starren distalen Spitze ausreichend, um den direkten Durchgang durch einen Arbeitskanal in Standardgröße (3,2 mm Durchmesser) in medizinischen Endoskopen zu ermöglichen.Daher kann das Gerät unabhängig vom Hersteller von Ärzten am Wohnort umfassend eingesetzt werden.Die Anregung erfolgte bei λex = 488 nm, um Fluorescein, einen von der FDA zugelassenen Farbstoff, anzuregen und so einen hohen Kontrast zu erzielen.Das Instrument konnte 18 Zyklen lang problemlos mit klinisch anerkannten Sterilisationsmethoden aufbereitet werden.
Zwei weitere Instrumentendesigns wurden klinisch validiert.Cellvizio (Mauna Kea Technologies) ist ein sondenbasiertes konfokales Laserendoskop (pCLE), das ein Bündel kohärenter Multimode-Glasfaserkabel verwendet, um Fluoreszenzbilder zu sammeln und zu übertragen1.Ein an der Basisstation angebrachter Galvospiegel führt einen seitlichen Scan am proximalen Ende durch.Optische Schnitte werden in der horizontalen (XY) Ebene mit einer Tiefe von 0 bis 70 µm gesammelt.Mikrosonden-Kits sind mit einem Durchmesser von 0,91 (19 G-Nadel) bis 5 mm erhältlich.Es wurde eine laterale Auflösung von 1 bis 3,5 µm erreicht.Die Bilder wurden mit einer Bildfrequenz von 9 bis 12 Hz und einem eindimensionalen Sichtfeld von 240 bis 600 µm aufgenommen.Die Plattform wurde klinisch in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, darunter im Gallengang, der Blase, dem Dickdarm, der Speiseröhre, der Lunge und der Bauchspeicheldrüse.Optiscan Pty Ltd hat ein endoskopbasiertes konfokales Laserendoskop (eCLE) mit einer Scan-Engine entwickelt, die in das Einführrohr (distales Ende) eines professionellen Endoskops (EC-3870K, Pentax Precision Instruments) integriert ist 17 .Der optische Abschnitt wurde mit einer Singlemode-Faser durchgeführt, und die seitliche Abtastung erfolgte mit einem Auslegermechanismus durch eine resonante Stimmgabel.Zur Erzeugung einer axialen Verschiebung wird ein Aktuator aus einer Formgedächtnislegierung (Nitinol) verwendet.Der Gesamtdurchmesser des konfokalen Moduls beträgt 5 mm.Zur Fokussierung wird ein GRIN-Objektiv mit einer numerischen Apertur von NA = 0,6 verwendet.Horizontale Bilder wurden mit einer lateralen und axialen Auflösung von 0,7 bzw. 7 µm, einer Bildrate von 0,8–1,6 Hz und einem Sichtfeld von 500 µm × 500 µm aufgenommen.
Wir demonstrieren die In-vivo-Fluoreszenzbilderfassung mit subzellulärer Auflösung vom menschlichen Körper durch ein medizinisches Endoskop unter Verwendung eines MEMS-Scanners am distalen Ende.Fluoreszenz sorgt für einen hohen Bildkontrast und Liganden, die an Zelloberflächenziele binden, können mit Fluorophoren markiert werden, um eine molekulare Identität für eine verbesserte Krankheitsdiagnose bereitzustellen18.Weitere optische Techniken für die In-vivo-Mikroendoskopie werden ebenfalls entwickelt. OCT nutzt die kurze Kohärenzlänge einer Breitbandlichtquelle, um Bilder in der vertikalen Ebene mit Tiefen > 1 mm zu sammeln19. OCT nutzt die kurze Kohärenzlänge einer Breitbandlichtquelle, um Bilder in der vertikalen Ebene mit Tiefen > 1 mm zu sammeln19. ОКТ verwendet eine 100-prozentige Übereinstimmung mit dem Licht der spektroskopischen Koordinaten, um ein Bild in einem vertikalen Bereich mit einem Gewicht von mehr als 1 mm zu erstellen19. OCT nutzt die kurze Kohärenzlänge einer breitbandigen Lichtquelle, um Bilder in der vertikalen Ebene mit einer Tiefe von >1 mm zu erfassen19. OCT 使用宽带光源的短相干长度来收集垂直平面中深度> 1 mm19 的图像.1 mm19 Zoll. ОКТ verwendet eine 100-prozentige Übereinstimmung mit dem spektroskopischen Lichtbild zur Entfernung von Bildern auf einem Globus >1 mm19 in vertikaler Richtung. OCT nutzt die kurze Kohärenzlänge einer breitbandigen Lichtquelle, um Bilder >1 mm19 in der vertikalen Ebene zu erfassen.Dieser kontrastarme Ansatz beruht jedoch auf der Sammlung rückgestreuten Lichts und die Bildauflösung ist durch Speckle-Artefakte begrenzt.Die photoakustische Endoskopie erzeugt In-vivo-Bilder auf der Grundlage einer schnellen thermoelastischen Ausdehnung im Gewebe nach Absorption eines Laserimpulses, der Schallwellen erzeugt20. Dieser Ansatz hat gezeigt, dass in vivo Bildgebungstiefen > 1 cm im menschlichen Dickdarm zur Überwachung der Therapie möglich sind. Dieser Ansatz hat gezeigt, dass in vivo Bildgebungstiefen > 1 cm im menschlichen Dickdarm zur Überwachung der Therapie möglich sind. Es handelte sich um eine In-vivo-Überwachung von mehr als 1 cm pro Jahr für die Überwachung von Therapien. Mit diesem Ansatz konnte in vivo eine Bildtiefe von >1 cm im menschlichen Dickdarm zur Therapieüberwachung nachgewiesen werden.这种方法已经证明在体内人结肠中成像深度> 1 厘米以监测治疗.这种方法已经证明在体内人结肠中成像深度> 1 Es handelte sich um eine In-vivo-Überwachungstherapie mit mehr als 1 cm langer In-vivo-Bildgebung. Dieser Ansatz wurde bei Bildgebungstiefen >1 cm im menschlichen Dickdarm in vivo zur Überwachung der Therapie demonstriert.Der Kontrast wird hauptsächlich durch Hämoglobin im Gefäßsystem erzeugt.Die Multiphotonenendoskopie erzeugt kontrastreiche Fluoreszenzbilder, wenn zwei oder mehr NIR-Photonen gleichzeitig auf Gewebebiomoleküle treffen21. Mit diesem Ansatz können Bildtiefen >1 mm bei geringer Phototoxizität erreicht werden. Mit diesem Ansatz können Bildtiefen >1 mm bei geringer Phototoxizität erreicht werden. Dies kann dazu führen, dass Bilder mit einer Größe von > 1 mm bei niedriger Fotoqualität angezeigt werden. Dieser Ansatz kann eine Bildtiefe > 1 mm bei geringer Phototoxizität ermöglichen.这种方法可以实现>1 毫米的成像深度, 光毒性低.这种方法可以实现>1 毫米的成像深度, 光毒性低. Dies kann dazu führen, dass Bilder mit einer Größe von > 1 mm bei niedriger Fotoqualität angezeigt werden. Dieser Ansatz kann eine Bildtiefe > 1 mm bei geringer Phototoxizität ermöglichen.Es sind hochintensive Femtosekundenlaserpulse erforderlich und diese Methode wurde bei der Endoskopie nicht klinisch erprobt.
In diesem Prototyp führt der Scanner nur eine seitliche Ablenkung durch, sodass der optische Teil in der horizontalen (XY) Ebene liegt.Das Gerät kann mit einer höheren Bildfrequenz (20 Hz) arbeiten als die galvanischen Spiegel (12 Hz) im Cellvizio-System.Erhöhen Sie die Bildrate, um Bewegungsartefakte zu reduzieren, und verringern Sie die Bildrate, um das Signal zu verstärken.Um große Bewegungsartefakte zu mildern, die durch endoskopische Bewegung, Atembewegung und Darmmotilität verursacht werden, sind schnelle und automatisierte Algorithmen erforderlich.Es hat sich gezeigt, dass parametrische Resonanzscanner axiale Verschiebungen von mehr als Hunderten von Mikrometern erreichen22. Bilder können in der vertikalen Ebene (XZ) senkrecht zur Schleimhautoberfläche aufgenommen werden, um die gleiche Ansicht wie die Histologie (H&E) zu liefern. Bilder können in der vertikalen Ebene (XZ) senkrecht zur Schleimhautoberfläche aufgenommen werden, um die gleiche Ansicht wie die Histologie (H&E) zu liefern. Die Bilder können in vertikaler Richtung (XZ) angezeigt werden, sodass die Bilder nicht mehr angezeigt werden für die Histologie (H&E). Bilder können in einer vertikalen Ebene (XZ) senkrecht zur Schleimhautoberfläche aufgenommen werden, um das gleiche Bild wie in der Histologie (H&E) zu liefern.可以在垂直于粘膜表面的垂直平面(XZ) 中收集图像, 以提供与组织学(H&E) 相同的视图.可以在垂直于粘膜表面的垂直平面(XZ) 中收集图像, 以提供与组织学(H&E) Die Bilder können in vertikaler Richtung (XZ) angezeigt werden, sodass die Bilder nicht mehr angezeigt werden im Zusammenhang mit histologisch-medizinischen Untersuchungen (H&E). Bilder können in einer vertikalen Ebene (XZ) senkrecht zur Schleimhautoberfläche aufgenommen werden, um das gleiche Bild wie eine histologische Untersuchung (H&E) zu liefern.Der Scanner kann in einer Post-Objektiv-Position platziert werden, in der der Beleuchtungsstrahl entlang der optischen Hauptachse fällt, um die Empfindlichkeit gegenüber Aberrationen zu verringern8.Nahezu beugungsbegrenzte Fokusvolumina können über beliebig große Sichtfelder abweichen.Durch Direktzugriffsscannen können Reflektoren in benutzerdefinierte Positionen abgelenkt werden9.Das Sichtfeld kann reduziert werden, um beliebige Bildbereiche hervorzuheben und so das Signal-Rausch-Verhältnis, den Kontrast und die Bildrate zu verbessern.Scanner können mit einfachen Verfahren in Massenproduktion hergestellt werden.Auf jedem Siliziumwafer können Hunderte von Geräten hergestellt werden, um die Produktion für eine kostengünstige Massenproduktion und eine weite Verbreitung zu steigern.
Der gefaltete Lichtweg reduziert die Größe der starren distalen Spitze und erleichtert so die Verwendung des Endoskops als Zubehör bei der routinemäßigen Koloskopie.In den gezeigten Fluoreszenzbildern sind subzelluläre Merkmale der Schleimhaut zu erkennen, um tubuläre Adenome (präkanzerös) von hyperplastischen Polypen (gutartig) zu unterscheiden.Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Endoskopie die Anzahl unnötiger Biopsien reduzieren kann23.Allgemeine chirurgische Komplikationen können reduziert, Überwachungsintervalle optimiert und die histologische Analyse kleinerer Läsionen minimiert werden.Wir zeigen auch In-vivo-Bilder von Patienten mit entzündlichen Darmerkrankungen, einschließlich Colitis ulcerosa (UC) und Colitis Crohn.Die konventionelle Weißlichtkoloskopie bietet eine makroskopische Ansicht der Schleimhautoberfläche mit begrenzten Möglichkeiten zur genauen Beurteilung der Schleimhautheilung.Endoskopie kann in vivo verwendet werden, um die Wirksamkeit biologischer Therapien wie Anti-TNF24-Antikörper zu bewerten.Eine genaue In-vivo-Beurteilung kann auch das Wiederauftreten von Krankheiten und Komplikationen wie Operationen reduzieren oder verhindern und die Lebensqualität verbessern.In klinischen Studien im Zusammenhang mit der Verwendung fluoresceinhaltiger Endoskope in vivo25 wurden keine schwerwiegenden Nebenwirkungen berichtet. Die Laserleistung auf der Schleimhautoberfläche wurde auf <2 mW begrenzt, um das Risiko thermischer Verletzungen zu minimieren und die FDA-Anforderungen für nicht signifikante Risiken26 gemäß 21 CFR 812 zu erfüllen. Die Laserleistung auf der Schleimhautoberfläche wurde auf <2 mW begrenzt, um das Risiko thermischer Verletzungen zu minimieren und die FDA-Anforderungen für nicht signifikante Risiken26 gemäß 21 CFR 812 zu erfüllen. Die meisten Laserbehandlungen wurden innerhalb von weniger als 2 Monaten durchgeführt, so dass die Gefahr einer thermischen Belastung gering ist und die FDA keine Probleme hat Es besteht kein grundsätzliches Risiko26 gemäß 21 CFR 812. Die Laserleistung an der Schleimhautoberfläche wurde auf <2 mW begrenzt, um das Risiko thermischer Schäden zu minimieren und die FDA-Anforderungen für ein vernachlässigbares Risiko26 gemäß 21 CFR 812 zu erfüllen.粘膜表面的激光功率限制在<2 mW, 以最大限度地降低热损伤风险, 并满足FDA 21 CFR 812. 对非重大风险2 6 Monate.粘膜表面的激光功率限制在<2 mW Die meisten Laserbehandlungen wurden innerhalb von weniger als 2 Monaten durchgeführt, so dass die Gefahr einer thermischen Belastung gering ist und die FDA keine Probleme hat 21 CFR 812 относительно незначительного риска26. Die Laserleistung an der Schleimhautoberfläche wurde auf <2 mW begrenzt, um das Risiko thermischer Schäden zu minimieren und die Anforderungen der FDA 21 CFR 812 für ein vernachlässigbares Risiko zu erfüllen26.
Das Design des Instruments kann geändert werden, um die Bildqualität zu verbessern.Zur Reduzierung der sphärischen Aberration, zur Verbesserung der Bildauflösung und zur Vergrößerung des Arbeitsabstands stehen spezielle Optiken zur Verfügung.Der SIL kann so abgestimmt werden, dass er besser zum Brechungsindex des Gewebes passt (~1,4), um die Lichtkopplung zu verbessern.Die Antriebsfrequenz kann angepasst werden, um den seitlichen Winkel des Scanners zu vergrößern und das Bildsichtfeld zu erweitern.Um diesen Effekt abzumildern, können Sie automatisierte Methoden verwenden, um Frames eines Bildes mit erheblicher Bewegung zu entfernen.Ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) mit Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung wird verwendet, um eine leistungsstarke Echtzeit-Vollbildkorrektur bereitzustellen.Für einen größeren klinischen Nutzen müssen automatisierte Methoden Phasenverschiebungen und Bewegungsartefakte für die Bildinterpretation in Echtzeit korrigieren.Zur Einführung einer axialen Abtastung 22 kann ein monolithischer parametrischer 3-Achsen-Resonanzscanner implementiert werden. Diese Geräte wurden entwickelt, um eine beispiellose vertikale Verschiebung von >400 µm zu erreichen, indem die Antriebsfrequenz in einem Bereich abgestimmt wird, der eine gemischte Erweichungs-/Versteifungsdynamik aufweist27. Diese Geräte wurden entwickelt, um eine beispiellose vertikale Verschiebung von >400 µm zu erreichen, indem die Antriebsfrequenz in einem Bereich abgestimmt wird, der eine gemischte Erweichungs-/Versteifungsdynamik aufweist27. Dieses Unternehmen wurde für den Versand mit mehr als 400 Mio. Kubikmetern erstellt und verfügt über eine Laufzeit von bis zu 3 Jahren тся смешанной динамикой смягчения/жесткости27. Diese Geräte wurden entwickelt, um eine beispiellose vertikale Verschiebung von >400 µm zu erreichen, indem die Antriebsfrequenz in einen Modus eingestellt wird, der durch gemischte weiche/harte Dynamik gekennzeichnet ist27.这些设备的开发是为了通过在具有混合软化/硬化动力学的状态下调整驱动频率来实现前所Größe > 400 µm bei 27 Bildern.这些 设备 的 开发 是 为了 在 具有 混合 软化 硬化 学 学 状态 下 调整 驱动频率 来现的> 400 µm 的 垂直 位移 27. Dieses Unternehmen wurde für die Lieferung von mehr als 400 Mio. Kubikmetern mit einer Geschwindigkeit von mehr als 400 Mio. Euro entwickelt размягчения/затвердевания27. Diese Geräte wurden entwickelt, um beispiellose vertikale Verschiebungen >400 µm zu erreichen, indem die Auslösefrequenz im gemischten Erweichungs-/Härtungskinetikmodus angepasst wird27.In Zukunft könnte die vertikale Querbildgebung bei der Stadieneinteilung von Krebs im Frühstadium (T1a) hilfreich sein.Eine kapazitive Erfassungsschaltung kann implementiert werden, um die Bewegung des Scanners zu verfolgen und die Phasenverschiebung zu korrigieren 28 .Die automatische Phasenkalibrierung mithilfe einer Sensorschaltung kann die manuelle Instrumentenkalibrierung vor der Verwendung ersetzen.Die Instrumentenzuverlässigkeit kann durch den Einsatz zuverlässigerer Instrumentenversiegelungstechniken verbessert werden, um die Anzahl der Verarbeitungszyklen zu erhöhen.Die MEMS-Technologie verspricht, den Einsatz von Endoskopen zur Visualisierung des Epithels von Hohlorganen, zur Diagnose von Krankheiten und zur Überwachung der Behandlung auf minimalinvasive Weise zu beschleunigen.Mit der weiteren Entwicklung könnte sich diese neue Bildgebungsmodalität zu einer kostengünstigen Lösung entwickeln, die als Ergänzung zu medizinischen Endoskopen für die sofortige histologische Untersuchung eingesetzt werden kann und schließlich die traditionelle pathologische Analyse ersetzen könnte.
Raytracing-Simulationen wurden mit der optischen Designsoftware ZEMAX (Version 2013) durchgeführt, um die Parameter der Fokussierungsoptik zu bestimmen.Zu den Designkriterien gehören eine nahezu diffraktive axiale Auflösung, ein Arbeitsabstand = 0 µm und ein Sichtfeld (FOV) von mehr als 250 × 250 µm2.Zur Anregung bei einer Wellenlänge λex = 488 nm wurde eine Singlemode-Faser (SMF) verwendet.Achromatische Dubletts werden verwendet, um die Varianz der Fluoreszenzsammlung zu reduzieren (Abbildung 5a).Der Strahl durchläuft das SMF mit einem Modenfelddurchmesser von 3,5 μm und ohne Abstumpfung durch die Mitte des Reflektors mit einem Aperturdurchmesser von 50 μm.Verwenden Sie eine harte Immersionslinse (halbkugelförmig) mit einem hohen Brechungsindex (n = 2,03), um die sphärische Aberration des einfallenden Strahls zu minimieren und einen vollständigen Kontakt mit der Schleimhautoberfläche sicherzustellen.Die Fokussierungsoptik liefert eine Gesamt-NA = 0,41, wobei NA = nsinα, n der Brechungsindex des Gewebes und α der maximale Strahlkonvergenzwinkel ist.Die beugungsbegrenzten lateralen und axialen Auflösungen betragen 0,44 bzw. 6,65 µm bei NA = 0,41, λ = 488 nm und n = 1,3313.Es wurden nur handelsübliche Linsen mit einem Außendurchmesser (OD) ≤ 2 mm berücksichtigt.Der optische Pfad wird gefaltet und der Strahl, der das SMF verlässt, passiert die zentrale Apertur des Scanners und wird von einem festen Spiegel (0,29 mm Durchmesser) zurückreflektiert.Diese Konfiguration verkürzt die Länge des starren distalen Endes, um den Vorwärtsdurchgang des Endoskops durch den Standardarbeitskanal (3,2 mm Durchmesser) medizinischer Endoskope zu erleichtern.Diese Funktion erleichtert die Verwendung als Zubehör bei der routinemäßigen Endoskopie.
Gefaltete Lichtleiter- und Endoskopverpackung.(a) Der Anregungsstrahl tritt aus dem OBC aus und durchquert die zentrale Öffnung des Scanners.Der Strahl wird aufgeweitet und von einem festen kreisförmigen Spiegel zur seitlichen Ablenkung zurück in den Scanner reflektiert.Die Fokussieroptik besteht aus einem Paar achromatischer Dublettlinsen und einer festen Immersionslinse (halbkugelförmig), die für den Kontakt mit der Schleimhautoberfläche sorgt.ZEMAX 2013 (https://www.zemax.com/) für optisches Design und Raytracing-Simulation.(b) Zeigt die Position verschiedener Instrumentenkomponenten, einschließlich Singlemode-Faser (SMF), Scanner, Spiegel und Linsen.Für die 3D-Modellierung der Endoskopverpackung wurde Solidworks 2016 (https://www.solidworks.com/) verwendet.
Als „Loch“ für die räumliche Filterung von defokussiertem Licht wurde ein SMF (#460HP, Thorlabs) mit einem Modenfelddurchmesser von 3,5 µm bei einer Wellenlänge von 488 nm verwendet (Abb. 5b).Die SMFs sind in flexiblen Polymerschläuchen (#Pebax 72D, Nordson MEDICAL) eingeschlossen.Um einen ausreichenden Abstand zwischen Patient und Bildgebungssystem zu gewährleisten, wird eine Länge von ca. 4 Metern verwendet.Ein Paar 2 mm MgF2-beschichtete achromatische Dublettlinsen (#65568, #65567, Edmund Optics) und eine 2 mm unbeschichtete halbkugelförmige Linse (#90858, Edmund Optics) wurden verwendet, um den Strahl zu fokussieren und Fluoreszenz zu sammeln.Führen Sie ein Endrohr aus Edelstahl (4 mm lang, 2,0 mm Außendurchmesser, 1,6 mm Innendurchmesser) zwischen das Harz und das Außenrohr ein, um Vibrationen des Scanners zu isolieren.Verwenden Sie medizinische Klebstoffe, um das Instrument vor Körperflüssigkeiten und Handhabungsverfahren zu schützen.Verwenden Sie Schrumpfschläuche, um die Anschlüsse zu schützen.
Der kompakte Scanner basiert auf dem Prinzip der parametrischen Resonanz.Ätzen Sie eine 50 µm große Öffnung in der Mitte des Reflektors, um den Anregungsstrahl zu übertragen.Mithilfe einer Reihe von kammgetriebenen Quadraturantrieben wird der aufgeweitete Strahl im Lissajous-Modus quer in die orthogonale Richtung (XY-Ebene) abgelenkt.Eine Datenerfassungskarte (#DAQ PCI-6115, NI) wurde verwendet, um analoge Signale zur Steuerung des Scanners zu erzeugen.Die Stromversorgung erfolgte durch einen Hochspannungsverstärker (#PDm200, PiezoDrive) über dünne Drähte (#B4421241, MWS Wire Industries).Nehmen Sie die Verkabelung am Elektrodenanker vor.Der Scanner arbeitet mit Frequenzen nahe 15 kHz (schnelle Achse) und 4 kHz (langsame Achse), um ein Sichtfeld von bis zu 250 µm × 250 µm zu erreichen.Videos können mit einer Bildrate von 10, 16 oder 20 Hz aufgenommen werden.Diese Bildraten werden verwendet, um die Wiederholungsrate des Lissajous-Scanmusters anzupassen, die vom Wert der X- und Y-Anregungsfrequenzen des Scanners abhängt29.Einzelheiten zu den Kompromissen zwischen Bildrate, Pixelauflösung und Scanmusterdichte finden Sie in unserer vorherigen Arbeit14.
Ein Festkörperlaser (#OBIS 488 LS, kohärent) liefert λex = 488 nm, um Fluorescein für den Bildkontrast anzuregen (Abb. 6a).Optische Pigtails werden über FC/APC-Stecker an die Filtereinheit angeschlossen (Verlust 1,82 dB) (Abb. 6b).Der Strahl wird von einem dichroitischen Spiegel (#WDM-12P-111-488/500:600, Oz Optics) im SMF über einen weiteren FC/APC-Anschluss abgelenkt.Gemäß 21 CFR 812 ist die einfallende Energie auf das Gewebe auf maximal 2 mW begrenzt, um die FDA-Anforderungen für ein vernachlässigbares Risiko zu erfüllen.Die Fluoreszenz wurde durch einen dichroitischen Spiegel und einen langen Transmissionsfilter (#BLP01-488R, Semrock) geleitet.Die Fluoreszenz wurde über einen FC/PC-Anschluss unter Verwendung einer etwa 1 m langen Multimode-Faser mit einem Kerndurchmesser von 50 µm an einen Photomultiplier-Röhrendetektor (PMT) (#H7422-40, Hamamatsu) übertragen.Fluoreszenzsignale wurden mit einem Hochgeschwindigkeitsstromverstärker (Nr. 59-179, Edmund Optics) verstärkt.Für die Echtzeit-Datenerfassung und Bildverarbeitung wurde eine spezielle Software (LabVIEW 2021, NI) entwickelt.Die Laserleistung und die PMT-Verstärkungseinstellungen werden vom Mikrocontroller (#Arduino UNO, Arduino) mithilfe einer speziellen Leiterplatte bestimmt.Das SMF und die Kabel enden in Steckverbindern und werden mit den Glasfaser- (F) und kabelgebundenen (W) Anschlüssen der Basisstation verbunden (Abbildung 6c).Das Bildgebungssystem ist auf einem tragbaren Wagen enthalten (Abbildung 6d). Um den Leckstrom auf <500 μA zu begrenzen, wurde ein Trenntransformator eingesetzt. Um den Leckstrom auf <500 μA zu begrenzen, wurde ein Trenntransformator eingesetzt. Für den Betrieb von Geräten mit einer Größe von <500 Mio. wurde ein isolierter Transformator verwendet. Um den Leckstrom auf <500 µA zu begrenzen, wurde ein Trenntransformator eingesetzt.使用隔离变压器将泄漏电流限制在<500 μA. <500 μA. Verwenden Sie einen isolierten Transformator, um Geräte mit einer Dauer von <500 Millionen Euro zu betreiben. Verwenden Sie einen Trenntransformator, um den Leckstrom auf <500 µA zu begrenzen.
Visualisierungssystem.(a) PMT, Laser und Verstärker befinden sich in der Basisstation.(b) In der Filterbank fährt der Laser (blau) über das Glasfaserkabel durch den FC/APC-Anschluss.Der Strahl wird von einem dichroitischen Spiegel (DM) über einen zweiten FC/APC-Stecker in eine Singlemode-Faser (SMF) umgelenkt.Die Fluoreszenz (grün) wandert über die Multimode-Faser (MMF) durch den DM und den Langpassfilter (LPF) zum PMT.(c) Das proximale Ende des Endoskops ist mit den Glasfaseranschlüssen (F) und den Kabelanschlüssen (W) der Basisstation verbunden.(d) Endoskop, Monitor, Basisstation, Computer und Trenntransformator auf einem tragbaren Wagen.(a, c) Solidworks 2016 wurde für die 3D-Modellierung des Bildgebungssystems und der Endoskopkomponenten verwendet.
Die laterale und axiale Auflösung der Fokussierungsoptik wurde anhand der Punktstreufunktion fluoreszierender Mikrokügelchen (#F8803, Thermo Fisher Scientific) mit einem Durchmesser von 0,1 µm gemessen.Sammeln Sie Bilder, indem Sie die Mikrokügelchen horizontal und vertikal in Schritten von 1 µm mit einem linearen Tisch (# M-562-XYZ, DM-13, Newport) verschieben.Bildstapel mit ImageJ2 zur Aufnahme von Querschnittsbildern von Mikrokügelchen.
Für die Echtzeit-Datenerfassung und Bildverarbeitung wurde eine spezielle Software (LabVIEW 2021, NI) entwickelt.Auf Abb.7 zeigt einen Überblick über die Routinen, die zum Betrieb des Systems verwendet werden.Die Benutzeroberfläche besteht aus Datenerfassung (DAQ), Hauptpanel und Controller-Panel.Das Datenerfassungsfenster interagiert mit dem Hauptfenster, um Rohdaten zu sammeln und zu speichern, Eingaben für benutzerdefinierte Datenerfassungseinstellungen bereitzustellen und die Einstellungen des Scannertreibers zu verwalten.Über das Hauptpanel kann der Benutzer die gewünschte Konfiguration für die Verwendung des Endoskops auswählen, einschließlich des Scanner-Steuersignals, der Videobildrate und der Erfassungsparameter.Über dieses Bedienfeld kann der Benutzer auch die Helligkeit und den Kontrast des Bildes anzeigen und steuern.Anhand der Rohdaten als Eingabe berechnet der Algorithmus die optimale Verstärkungseinstellung für den PMT und passt diesen Parameter mithilfe eines Proportional-Integral-Regelsystems (PI)16 automatisch an.Die Controllerplatine interagiert mit der Hauptplatine und der Datenerfassungsplatine, um die Laserleistung und die PMT-Verstärkung zu steuern.
Systemsoftwarearchitektur.Die Benutzeroberfläche besteht aus den Modulen (1) Datenerfassung (DAQ), (2) Hauptpanel und (3) Controller-Panel.Diese Programme laufen gleichzeitig und kommunizieren über Nachrichtenwarteschlangen miteinander.Der Schlüssel ist MEMS: Microelectromechanical System, TDMS: Technical Data Control Flow, PI: Proportional Integral, PMT: Photomultiplier.Bild- und Videodateien werden im BMP- bzw. AVI-Format gespeichert.
Ein Phasenkorrekturalgorithmus wird verwendet, um die Streuung der Bildpixelintensitäten bei verschiedenen Phasenwerten zu berechnen und so den Maximalwert zu bestimmen, der zum Schärfen des Bildes verwendet wird.Für die Echtzeitkorrektur beträgt der Phasenscanbereich ±2,86° mit einem relativ großen Schritt von 0,286°, um die Rechenzeit zu reduzieren.Darüber hinaus reduziert die Verwendung von Bildteilen mit weniger Samples die Bildberechnungszeit von 7,5 Sekunden (1 Msample) auf 1,88 Sekunden (250 Ksample) bei 10 Hz.Diese Eingabeparameter wurden ausgewählt, um eine angemessene Bildqualität mit minimaler Latenz während der In-vivo-Bildgebung zu gewährleisten.Live-Bilder und Videos werden im BMP- bzw. AVI-Format aufgezeichnet.Die Rohdaten werden im Technical Data Management Flow Format (TMDS) gespeichert.
Nachbearbeitung von In-vivo-Bildern zur Qualitätsverbesserung mit LabVIEW 2021. Bei der Verwendung von Phasenkorrekturalgorithmen während der In-vivo-Bildgebung ist die Genauigkeit aufgrund der langen erforderlichen Rechenzeit begrenzt.Es werden nur begrenzte Bildbereiche und Probenzahlen verwendet.Darüber hinaus funktioniert der Algorithmus bei Bildern mit Bewegungsartefakten oder geringem Kontrast nicht gut und führt zu Phasenberechnungsfehlern30.Einzelne Bilder mit hohem Kontrast und ohne Bewegungsartefakte wurden manuell für die Phasenfeinabstimmung mit einem Phasenscanbereich von ±0,75° in 0,01°-Schritten ausgewählt.Dabei wurde der gesamte Bildbereich genutzt (z. B. 1 Msample eines mit 10 Hz aufgenommenen Bildes).In Tabelle S2 sind die Bildparameter aufgeführt, die für die Echtzeit- und Nachbearbeitung verwendet werden.Nach der Phasenkorrektur wird ein Medianfilter verwendet, um das Bildrauschen weiter zu reduzieren.Helligkeit und Kontrast werden durch Histogrammstreckung und Gammakorrektur weiter verbessert31.
Die klinischen Studien wurden vom Michigan Medical Institutions Review Board genehmigt und in der Abteilung für medizinische Verfahren durchgeführt.Diese Studie ist online bei ClinicalTrials.gov registriert (NCT03220711, Registrierungsdatum: 18.07.2017).Zu den Einschlusskriterien gehörten Patienten (im Alter von 18 bis 100 Jahren) mit einer zuvor geplanten elektiven Koloskopie, einem erhöhten Risiko für Darmkrebs und einer Vorgeschichte entzündlicher Darmerkrankungen.Von jedem Probanden, der einer Teilnahme zustimmte, wurde eine Einverständniserklärung eingeholt.Ausschlusskriterien waren Patientinnen, die schwanger waren, eine bekannte Überempfindlichkeit gegen Fluorescein hatten oder sich einer aktiven Chemotherapie oder Strahlentherapie unterzogen.Diese Studie umfasste aufeinanderfolgende Patienten, bei denen eine Routinekoloskopie vorgesehen war, und war repräsentativ für die Bevölkerung des Michigan Medical Center.Die Studie wurde im Einklang mit der Deklaration von Helsinki durchgeführt.
Kalibrieren Sie das Endoskop vor der Operation mit 10 µm großen Fluoreszenzperlen (#F8836, Thermo Fisher Scientific), die in Silikonformen montiert sind.Ein durchscheinendes Silikondichtmittel (#RTV108, Momentive) wurde in eine 3D-gedruckte 8-cm3-Kunststoffform gegossen.Lassen Sie die wasserfluoreszierenden Perlen über das Silikon fallen und lassen Sie es stehen, bis das Wassermedium trocknet.
Der gesamte Dickdarm wurde mit einem standardmäßigen medizinischen Koloskop (Olympus, CF-HQ190L) mit Weißlichtbeleuchtung untersucht.Nachdem der Endoskopiker den Bereich der angeblichen Erkrankung bestimmt hat, wird der Bereich mit 5–10 ml 5 %iger Essigsäure und anschließend mit sterilem Wasser gewaschen, um Schleim und Ablagerungen zu entfernen.Eine 5-ml-Dosis von 5 mg/ml Fluorescein (Alcon, Fluorescite) wurde intravenös injiziert oder topisch auf die Schleimhaut gesprüht, wobei eine Standardkanüle (M00530860, Boston Scientific) verwendet wurde, die durch den Arbeitskanal geführt wurde.
Verwenden Sie eine Spülung, um überschüssigen Farbstoff oder Ablagerungen von der Schleimhautoberfläche zu spülen.Entfernen Sie den Verneblungskatheter und führen Sie das Endoskop durch den Arbeitskanal, um Ante-Mortem-Bilder zu erhalten.Verwenden Sie eine endoskopische Weitwinkelführung, um die distale Spitze im Zielbereich zu positionieren. Die Gesamtzeit zum Sammeln konfokaler Bilder betrug <10 Minuten. Die Gesamtzeit zum Sammeln konfokaler Bilder betrug <10 Minuten. Die Dauer beträgt mindestens 10 Minuten. Die Gesamtzeit zum Sammeln konfokaler Bilder betrug <10 Minuten.Die Gesamtaufnahmezeit für konfokale Bilder betrug weniger als 10 Minuten.Endoskopische Weißlichtvideos wurden mit dem Bildgebungssystem Olympus EVIS EXERA III (CLV-190) verarbeitet und mit einem Elgato HD-Videorecorder aufgezeichnet.Verwenden Sie LabVIEW 2021 zum Aufzeichnen und Speichern von Endoskopievideos.Nach Abschluss der Bildgebung wird das Endoskop entfernt und das zu visualisierende Gewebe mit einer Biopsiezange oder einer Schlinge herausgeschnitten. Die Gewebe wurden für die Routinehistologie (H&E) verarbeitet und von einem erfahrenen GI-Pathologen (HDA) beurteilt. Die Gewebe wurden für die Routinehistologie (H&E) verarbeitet und von einem erfahrenen GI-Pathologen (HDA) beurteilt. Das Verfahren wurde für die klinische Diagnose (H&E) und das wissenschaftlich-medizinische Labor (HDA) untersucht. Die Gewebe wurden für die Routinehistologie (H&E) aufbereitet und von einem erfahrenen Magen-Darm-Pathologen (HDA) beurteilt.对组织进行常规组织学(H&E) 处理, 并由专家GI 病理学家(HDA) 进行评估。对组织进行常规组织学(H&E) 处理, 并由专家GI 病理学家(HDA) 进行评估。 Das Verfahren wurde für die klinische Diagnose (H&E) und das wissenschaftlich-medizinische Labor (HDA) untersucht. Die Gewebe wurden für die Routinehistologie (H&E) aufbereitet und von einem erfahrenen Magen-Darm-Pathologen (HDA) beurteilt.Die spektralen Eigenschaften von Fluorescein wurden mit einem Spektrometer (USB2000+, Ocean Optics) bestätigt, wie in Abbildung S2 dargestellt.
Endoskope werden nach jedem Gebrauch durch den Menschen sterilisiert (Abb. 8).Die Reinigungsverfahren wurden unter der Leitung und Genehmigung der Abteilung für Infektionskontrolle und Epidemiologie des Michigan Medical Center und der Central Sterile Processing Unit durchgeführt. Vor der Studie wurden die Instrumente von Advanced Sterilization Products (ASP, Johnson & Johnson), einem kommerziellen Unternehmen, das Dienstleistungen zur Infektionsprävention und Sterilisationsvalidierung anbietet, getestet und für die Sterilisation validiert. Vor der Studie wurden die Instrumente von Advanced Sterilization Products (ASP, Johnson & Johnson), einem kommerziellen Unternehmen, das Dienstleistungen zur Infektionsprävention und Sterilisationsvalidierung anbietet, getestet und für die Sterilisation validiert. Die folgenden Instrumente wurden von der Sterilisationsfirma Advanced Sterilization Products (ASP, Johnson & Johnson), einer kommerziellen Organisation, verwendet Zur Profilierung von Infektionen und zur Durchführung von Sterilisationen. Vor der Studie wurden die Instrumente von Advanced Sterilization Products (ASP, Johnson & Johnson), einer kommerziellen Organisation, die Dienstleistungen zur Infektionsprävention und Sterilisationsüberprüfung anbietet, getestet und für die Sterilisation zugelassen. Vor Kurzem wurden Sterilisations- und Prüfgeräte von Advanced Sterilization Products (ASP, Johnson & Johnson), einem kommerziellen Unternehmen, bereitgestellt ций и проверке стерилизации. Die Instrumente wurden vor der Untersuchung von Advanced Sterilization Products (ASP, Johnson & Johnson), einer kommerziellen Organisation, die Dienstleistungen zur Infektionsprävention und Sterilisationsüberprüfung anbietet, sterilisiert und überprüft.
Werkzeugrecycling.(a) Endoskope werden nach jeder Sterilisation mit dem STERRAD-Verarbeitungsprozess in Tabletts gelegt.(b) Das SMF und die Drähte werden mit Glasfaser- bzw. elektrischen Anschlüssen abgeschlossen, die vor der Wiederaufbereitung geschlossen werden.
Reinigen Sie die Endoskope wie folgt: (1) Wischen Sie das Endoskop mit einem fusselfreien, in Enzymreiniger getränkten Tuch von proximal nach distal ab;(2) Tauchen Sie das Instrument 3 Minuten lang in die enzymatische Reinigungslösung mit Wasser.fusselfreier Stoff.Elektrische und Glasfaseranschlüsse werden abgedeckt und aus der Lösung entfernt;(3) Das Endoskop wird verpackt und zur Sterilisation mit STERRAD 100NX, Wasserstoffperoxid-Gasplasma, in die Instrumentenablage gelegt.Umgebung mit relativ niedrigen Temperaturen und geringer Luftfeuchtigkeit.
Die in der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage bei den jeweiligen Autoren erhältlich.
Pilonis, ND, Januszewicz, W. & di Pietro, M. Konfokale Laserendomikroskopie in der gastrointestinalen Endoskopie: Technische Aspekte und klinische Anwendungen. Pilonis, ND, Januszewicz, W. & di Pietro, M. Konfokale Laserendomikroskopie in der gastrointestinalen Endoskopie: Technische Aspekte und klinische Anwendungen.Pilonis, ND, Januszewicz, V. i di Pietro, M. Konfokale Laserendomikroskopie in der gastrointestinalen Endoskopie: technische Aspekte und klinische Anwendung. Pilonis, ND, Januszewicz, W. & di Pietro, M. Pilonis, ND, Januszewicz, W. & di Pietro, M. Technische Aspekte und klinische Anwendungen.Pilonis, ND, Januszewicz, V. i di Pietro, M. Konfokale Laserendoskopie in der gastrointestinalen Endoskopie: technische Aspekte und klinische Anwendungen.Übersetzung Magen-Darm-Heparin.7, 7 (2022).
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