Invenzione di un endoscopio flessibile ultrasottile più sottile di un ago

Nuovi miglioramenti nella tecnologia dell’endoscopia consentono l’imaging microscopico dei tessuti con complicazioni minime.

Se siete abituati a sottoporvi a regolari controlli sanitari, potreste avere familiarità con gli endoscopi. L’endoscopio è un dispositivo di imaging costituito da una telecamera e da una guida luminosa collegata a un lungo tubo flessibile. È particolarmente utile per acquisire immagini dell’interno del corpo umano. Ad esempio, l’endoscopia dello stomaco e del colon è ampiamente utilizzata per la diagnosi precoce di malattie come ulcere e tumori.

In generale, un endoscopio viene realizzato collegando un sensore a telecamera all’estremità di una sonda o utilizzando una fibra ottica, che consente di trasmettere informazioni utilizzando la luce. Nel caso di un endoscopio che utilizza un sensore a telecamera, lo spessore della sonda aumenta, rendendo l’endoscopia piuttosto invasiva. Nel caso di un endoscopio che utilizza un fascio di fibre ottiche, è possibile realizzarlo in un formato più sottile, che riduce al minimo l’invasività e comporta un disagio molto minore per i pazienti.

Tuttavia, l’aspetto negativo è che in un endoscopio convenzionale a fascio di fibre è difficile eseguire immagini ad alta risoluzione, perché la risoluzione dell’immagine ottenuta è limitata dalle dimensioni dei singoli nuclei di fibra. Gran parte delle informazioni dell’immagine si perde anche a causa della riflessione della punta della sonda. Inoltre, nell’endoscopia a fibre ottiche è spesso necessario etichettare il bersaglio con la fluorescenza, soprattutto nei campioni biologici a bassa riflettività, a causa del forte rumore di retro-riflessione generato dalla punta della sottile sonda.

Recentemente, un gruppo di ricerca guidato da CHOI Wonshik, direttore associato del Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics (CMSD) all’interno dell’Institute for Basic Science (IBS), ha sviluppato un sistema di endoscopia olografica ad alta risoluzione. I ricercatori sono riusciti a superare la precedente limitazione dell’endoscopia a fibre ottiche e sono stati in grado di ricostruire immagini ad alta risoluzione, senza collegare una lente o qualsiasi altra apparecchiatura all’estremità distale del fascio di fibre.

L’impresa è stata compiuta misurando le immagini olografiche delle onde luminose riflesse dall’oggetto e catturate dal fascio di fibre. I ricercatori hanno prima illuminato un oggetto focalizzando la luce su un singolo nucleo di un fascio di fibre e hanno misurato le immagini olografiche riflesse dall’oggetto a una certa distanza dalla fibra ottica. Nel processo di analisi delle immagini olografiche, è stato possibile ricostruire l’immagine dell’oggetto con una risoluzione microscopica correggendo il ritardo di fase che si verifica in ogni nucleo della fibra. In particolare, è stato sviluppato un algoritmo unico di ottimizzazione dell’immagine coerente per eliminare i ritardi di fase indotti dalla fibra sia nel percorso di illuminazione che in quello di rilevamento e ricostruire un’immagine dell’oggetto con una risoluzione microscopica.

Poiché l’endoscopio sviluppato non collega alcuna apparecchiatura all’estremità della fibra ottica, il diametro della sonda dell’endoscopio è di 350 μm, più sottile dell’ago utilizzato per l’iniezione ipodermica. Grazie a questo approccio, i ricercatori sono riusciti a ottenere immagini ad alta risoluzione con una risoluzione spaziale di 850 nm, molto più piccola della dimensione del nucleo del fascio di fibre ottiche.

I ricercatori hanno poi testato il nuovo sistema di endoscopia olografica di Fourier per l’immagine della struttura dei villi dei topi. È stato possibile acquisire immagini ad alto contrasto eliminando efficacemente il rumore di retro-riflessione della sonda, anche in campioni biologici con una riflettività molto bassa, come i villi dei topi. Inoltre, la post-elaborazione delle informazioni olografiche misurate ha permesso di ricostruire immagini 3D multi-profondità da un singolo set di dati con una risoluzione di profondità di 14 μm.

Si ritiene che l’applicazione pratica di questo nuovo endoscopio migliorerà notevolmente il modo in cui potremo immaginare le strutture interne del nostro corpo in modo minimamente invasivo, con un disagio minimo o nullo per i pazienti. Inoltre, aprirà la possibilità di osservare direttamente cavità piccole come i microvasi e le più piccole vie aeree dei polmoni, cosa impossibile con le tecnologie preesistenti. I ricercatori hanno anche suggerito che l’applicazione del loro nuovo endoscopio può andare ben oltre il campo medico, in quanto può potenzialmente essere utile per le ispezioni industriali di semiconduttori e microprocessori.