Al imitar el intrincado sistema visual de una mariposa, los investigadores han creado una cámara que proporciona a los cirujanos tanto una imagen en color tradicional como una imagen en el infrarrojo cercano que hace visibles las células cancerosas marcadas con fluorescencia incluso bajo una iluminación quirúrgica brillante. La nueva cámaraestá diseñado para ayudar a los cirujanos a extraer todas las células cancerosas sin dañar el tejido sano, lo que reduce la probabilidad de que el cáncer se propague y reduce la necesidad de múltiples cirugías.
"En lugar de juntar ópticas y sensores disponibles comercialmente para construir una cámara para cirugía guiada por imágenes, buscamos inspiración en los sistemas visuales de la naturaleza", dijo el líder del equipo de investigación Viktor Gruev de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.La mariposa morfo, cuyos ojos contienen nanoestructuras que detectan información multiespectral, puede adquirir información tanto del infrarrojo cercano como del color simultáneamente ".
adentro Óptica , la revista de la Optical Society para investigaciones de alto impacto, los investigadores demuestran que su cámara bioinspirada puede detectar tumores en animales y es útil para evaluar el estadio del cáncer de mama en las personas. La nueva cámara ofrece una detección de fluorescencia muy sensible incluso en quirófanos estándariluminación, pesa menos que una batería AA y se puede fabricar por alrededor de $ 20.
"Durante la cirugía, es imperativo que se extraiga todo el tejido canceroso, y hemos creado una plataforma de imágenes que podría ayudar a los cirujanos a hacer esto en cualquier hospital del mundo porque es pequeño, compacto y económico", dijo Gruev."Aunque hemos abordado el lado de la instrumentación, los marcadores fluorescentes dirigidos contra el cáncer y aprobados para su uso en personas son necesarios para que nuestra tecnología encuentre una aplicación generalizada. Varios de estos se encuentran en ensayos clínicos ahora, por lo que deberíamos ver un progreso en esta área pronto."
Aprendiendo de la naturaleza
La nueva cámara mejora en gran medida las cámaras actuales aprobadas por la Administración de Drogas y Alimentos de los EE. UU. FDA para ver marcadores fluorescentes durante la cirugía. Muchas cámaras de infrarrojo cercano existentes carecen de la sensibilidad para detectar marcadores de fluorescencia en entornos quirúrgicos, por lo que la salalas luces deben atenuarse para ver la fluorescencia.
Otro problema con los generadores de imágenes infrarrojos de hoy en día es que la imagen de fluorescencia no siempre está alineada con precisión, o registrada en forma conjunta, con el tejido del que surge. Esto sucede porque los instrumentos aprobados por la FDA utilizan múltiples elementos ópticos, como divisores de haz y lentes de relé, parasepare las longitudes de onda visible e infrarroja, de modo que cada una pueda enviarse a detectores separados. Los cambios leves de temperatura en la habitación pueden afectar la óptica de estos instrumentos y provocar desalineaciones de la imagen que podrían hacer que el cirujano no detectara tejido canceroso mientras elimina innecesariamente el problema sano.
"Nos dimos cuenta de que los problemas de los generadores de imágenes infrarrojos de hoy en día podrían mitigarse mediante el uso de nanoestructuras similares a las de la mariposa morfo", dijo Missael García, investigador postdoctoral de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y autor principal del artículo.. "Sus ojos compuestos contienen fotorreceptores ubicados uno al lado del otro, de modo que cada fotorreceptor detecta diferentes longitudes de onda de luz de una manera que está intrínsecamente registrada".
La nueva cámara utiliza una configuración similar al ojo de mariposa al entrelazar varias estructuras a nanoescala con una serie de fotodetectores, lo que permite la recopilación de información de color y fluorescencia del infrarrojo cercano en un dispositivo de imágenes. Integración del detector y la óptica de imágenes en un solo sensor monolíticomantiene el dispositivo pequeño, económico e insensible a los cambios de temperatura.
El diseño resuelve de manera única el problema de sensibilidad al permitir que cada píxel tome la cantidad de fotones necesarios para construir una imagen. No lleva mucho tiempo crear la imagen de longitud de onda visual para ver la anatomía ya que la iluminación visible en ellaboratorio es alto. Por otro lado, debido a que la fluorescencia es típicamente tenue, se necesita más tiempo para recolectar una cantidad suficiente de fotones para crear una imagen lo suficientemente brillante. Al cambiar el tiempo de exposición para permitir que cada píxel detecte los fotones que necesita,Se puede crear una imagen de fluorescencia brillante sin sobreexponer la imagen en color del tejido.
Pruebas preclínicas y clínicas
Los investigadores probaron su nuevo instrumento en un modelo de ratón que desarrolla cáncer de mama espontáneo. Esto significa que se desconoce la ubicación exacta donde crecerá el cáncer, así como la cantidad de células cancerosas. Usando etiquetas fluorescentes que se unen a las células cancerosas, los investigadoresdemostraron que su generador de imágenes bioinspirado permitía la detección de tumores con una precisión y sensibilidad que superaban las cámaras infrarrojas de última generación aprobadas por la FDA para cirugía guiada por imágenes.
Los investigadores también probaron la capacidad de su cámara infrarroja para identificar los ganglios linfáticos en 11 pacientes con cáncer de mama en la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington en St. Louis. Debido a que los ganglios linfáticos son uno de los lugares principales donde se propaga el cáncer de mama, los cirujanos revisanPara determinar la etapa del cáncer. A los pacientes se les inyectó un tinte fluorescente verde indocianina aprobado por la FDA que se acumula pasivamente en los ganglios linfáticos y luego se mostraron imágenes de fluorescencia del generador de imágenes bioinspirado en una pantalla o se proyectaron en las gafas que usaban los cirujanos.
"Demostramos que bajo luces quirúrgicas brillantes, nuestro instrumento era 1000 veces más sensible a la fluorescencia que los generadores de imágenes aprobados actualmente para la cirugía guiada por imágenes infrarrojas", dijo Gruev. "Debido a que el generador de imágenes bioinspirado puede revelar fluorescencia profunda en el tejido, aceleró el proceso de identificación de los ganglios linfáticos y ayudó a los cirujanos a encontrar ganglios linfáticos que no se podían ver solo con la vista ".
Según los investigadores, el generador de imágenes bioinspirado sería útil para eliminar varios tipos de cánceres, incluidos melanomas, cáncer de próstata y cánceres de cabeza y cuello. Debido a su pequeño tamaño, también podría integrarse en un endoscopio para buscar cáncer durante unacolonoscopia, por ejemplo.
"Una gran ventaja de nuestro instrumento es su tamaño compacto", dijo García. "Probamos nuestro instrumento en un hospital donde el espacio era reducido y vimos que no interfería en el flujo de trabajo quirúrgico".
Los investigadores ahora están formando una empresa de nueva creación para comercializar su generador de imágenes bioinspiradas y también están trabajando con la FDA para diseñar un ensayo clínico en el que los cirujanos puedan comparar las decisiones clínicas tomadas con el nuevo generador de imágenes con las que se tomarían con la FDA.generadores de imágenes aprobados.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por La sociedad óptica . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :