Физики увидели эндоскоп на просвет

Оптоволоконные эндоскопы, которые используются в медицине для лечения и диагностики, стали настолько маленькими, что определить их точное местонахождение в человеческом теле стало весьма затруднительно. Коллектив ученых из Шотландии показал, как для этого можно использовать диффузионную оптическую визуализацию. Фактически установленный снаружи детектор регистрирует испускаемые эндоскопом фотоны, которые рассеялись внутри плотной ткани, но вышли наружу. Исследование опубликовано в Biomedical Optics Express.

Часто для диагностики, лечения или дополнительного контроля в процессе операции в современной медицине используется оптическая эндоскопия. В исследуемую ткань вводится эндоскоп, который оптическими методами позволяет визуализировать (в двумерном или трехмерном режиме) проходящие в ней процессы. Для того, чтобы нанести организму минимально возможные повреждения при введении такого эндоскопа, его размер стремятся сделать как можно меньше. Поэтому сейчас определить точное положение дальнего конца такого устройства, находящегося непосредственно в исследуемой ткани, довольно сложно. В настоящее время для этого используются либо косвенные данные (клинические показатели или, например, ориентировочные оценки исходя из длины эндоскопа) или технически довольно сложные методы, в частности, с использованием рентгеновского излучения.

Коллектив ученых из Эдинбурга показал, что для определения точного местонахождения дистального конца оптоволоконного устройства, который находится внутри исследуемой ткани, можно использовать баллистическую оптическую визуализацию. Этот метод основан на использовании двух типов фотонов — баллистических, которые не успевают рассеяться на коротких расстояниях, и слаборассеянных («snake photons»), которые рассеиваются лишь частично и сохраняют при этом некоторую степень когерентности. (Ученые, однако, делают оговорку, что настоящие баллистические фотоны могут проникать сквозь ткань обычно не больше, чем на несколько миллиметров, поэтому под баллистическими они понимают тоже рассеянные фотоны, но которые двигаются по баллистическим траекториям).

Принцип действия прибора основан на том, что на оптоволокно подается короткий лазерный сигнал, в результате чего дистальный конец эндоскопа становится источником света. Очень небольшое число баллистических фотонов проходят через ткань без рассеяния и регистрируются детектором. Часть слаборассеянных фотонов сохраняют когерентность и попадают на детектор через короткий интервал времени. Основываясь на интенсивности двух сигналов и интервалом между двумя сигналами, можно определить точное положение эндоскопа по трем координатам.

Количество нерассеянных и слаборассеянных фотонов, которые преодолевают плотную ткань и могут быть зарегистрированы после этого, весьма мало. Поэтому для создания прибора, способного зарегистрировать такой слабый сигнал, ученые собрали высокочувствительный детектор с большим разрешением по времени в виде массива (32 на 32) маленьких детекторов с разрешение 50 пикосекунд, способных регистрировать попадание на них единичных фотонов. Для того, чтобы избежать зашумления сигнала видимым светом от осветительных приборов, в качестве источника сигнала ученые использовали лазер с длиной волны 785 нанометров. В результате в область работы детектора, кроме самого сигнала, могли попасть лишь два небольших пика, характерных для излучения некоторых ламп, однако их интенсивность примерно в 500 раз ниже регистрируемого излучения эндоскопа.

Предложенный метод был сначала проверен на молоке — коллоидной малопрозрачной среде, в которой фотоны рассеиваются похожим образом. После того, как физики убедились, что сквозь молоко сигнал проходит, метод был опробован на двух модельных системах. Оптоволоконный эндоскоп помещали внутрь модели цыпленка и модельного вентилируемого легкого овцы. В обоих случаях фотоны должны были пройти сквозь плотную ткань толщиной 25 сантиметров. Оба сигнала — и от баллистических и от слаборассеянных фотонов — оказались хорошо различимы, разница между ними составила от 0,1 до 0,2 секунды. На основе этих данных удалось точно позиционировать эндоскоп. Кроме того, было показано, что сигнал проходит даже сквозь человеческую руку. Следующий шаг — тестирование предложенного устройства in vivo.

Использование в эндоскопии современных технологий может приводить не только к уменьшению размера эндоскопов и повышению точности позиционирования, но и делать их более удобными для пациентов. Например, недавно мы писали про разработку мягкого робота, который используется для колоноскопии.

Александр Дубов