Сканирующий волоконный эндоскоп (SFE) - Scanning Fiber Endoscope (SFE)

В Сканирующий волоконный эндоскоп (SFE) - это технология нового поколения, в которой используется гибкий, небольшой (<6Fr) периферический или коронарный катетер для создания широкоугольного, высококачественного, полноцветного лазерного видеоизображения. Эти различия отличают приложения SFE от современных подходов к визуализации, таких как ВСУЗИ и Интракоронарная ОКТ. Ожидается, что заявки на устройство (ожидающие рассмотрения и утверждения FDA) будут включать медицинскую диагностику и поддержку при выборе интервенционных методов лечения, таких как хирургия или биопсия. Предоставляя как полноцветные изображения, так и широкополосный хирургический обзор в реальном времени внутренних глубин артерий, врачи могут обходить труднодоступные внутренние ткани для оценки потенциального заболевания.

Методы

Технология SFE была разработана в Вашингтонский университет с целью обеспечения высококачественной лазерной визуализации в ультратонком и гибком эндоскопе. Считается, что концепция перемещения оптического волокна для производства 2D изображения с конфокальным сечением и лазерной подсветкой были впервые предложены для эндоскопический заявки Джиниунаса и др., в 1993 году. Основным достижением SFE является быстрое сканирование и генерация высококачественных изображений с использованием резонирующего волокна с амплитудной модуляцией.

Используя одномодовое волокно, которое колеблется в резонансе, SFE сканирует ткань, выделенную сфокусированным лазерным пятном. Детектор регистрирует мультиплексированный по времени сигнал обратного рассеяния. Для доступа к труднодоступным артериальным участкам волокно и трубка SFE очень малы. Пьезоэлектрическая трубка имеет диаметр 400 микрон, и в ней находится одномодовое оптическое волокно. Наконечник волокна приводится в движение трубкой и имеет текущую резонансную частоту 5 кГц, которая закручивается в расширяющуюся структуру из 250 спиралей (изображение диаметром 500 пикселей) с частотой кадров 15 Гц. На дистальном наконечнике диаметром 1,06 мм находится система линз, которая определяет параметры изображения. Системы-прототипы обеспечивают поле обзора 70 градусов и разрешение 10 микрон. Лазерные источники объединены в одно сканирующее волокно и используют красный, зеленый и синий лазеры для создания цветных изображений. Для сбора обратно рассеянного света двенадцать многомодовых волокон по 250 микрон размещаются по периферии микросканера, образуя дистальный конец 1,6 мм.

Преимущества

Большинство медицинских изображений внутренних органов делятся на две группы:

1. рентгеновская компьютерная томография (КТ), магнитно-резонансная томография (МРТ) и УЗИ, которые используются для изображения структур и обычно с низким пространственно-временным разрешением (миллиметры, секунды); и
2. технологии оптических эндоскопов, которые используются для изображения поверхностей с высоким пространственно-временным разрешением (микрометры, миллисекунды).

Эндоскопическая визуализация требует прямой визуализации внутренних поверхностей органов. Это означает, что и освещение, и компоненты обнаружения должны перемещаться по часто чрезвычайно сложной анатомии, чтобы увидеть конкретную область. И размер, и гибкость эндоскопа определяют возможность доступа к этим областям. Эндоскопы меньшего диаметра и очень гибкие, могут уменьшить травмирование тканей, применение седативных препаратов, используемых для седации, и боль пациента [1].

Возможность достичь четкого разрешения при значительном уменьшении диаметра устройства для улучшения артериальной навигации является преимуществом SFE. Современные технологии гибких эндоскопов, в которых используются технологии когерентного связывания волокон толщиной 1 мм, примерно такой же толщины, как человеческий палец. Когда эти устройства уменьшаются в размерах, они страдают от серьезного ухудшения разрешения, в результате чего качество изображения приравнивается к юридической слепоте для практикующего врача.

Недостатки

Все гибкие конструкции эндоскопов ограничены дифракцией света. И линза объектива, и свойства освещения определяют функцию пространственного рассеяния точки (PSF), передаваемую изображению. PSF в эндоскопах оказывает наибольшее влияние на внутреннюю часть устройства в реальной фокальной плоскости. В приложении FOV ограниченная область внутри устройства и разрешимое разделение между точками могут использоваться для расчета разрешения изображения.

Клинические применения

Коронарный

В США ежегодно регистрируется 800 000 хронических тотальных окклюзий (CTO). Из-за сложности только 25% этих окклюзий получают лечение [100]. По данным CDC, в 2010 г. было проведено 4,5 млн процедур осмотра коронарной артерии, в том числе 454 000 замен стентов; 500000 воздушных шаров ангиопластика /стент / коронарные процедуры; 1М коронарных катетеризаций

Гладить

Недавние успехи в лечении острого инсульта заставляют каждый центр по лечению инсульта проводить эндоваскулярные реперфузионные вмешательства. В США ежегодно выполняется 500 000 эндоваскулярных реперфузионных вмешательств.

SFE предоставляет интервенционисту представление о развертывании стента в режиме реального времени и оценку противодействия, симметрии стойки стента, взаимодействия боковых ветвей, расслоения, образования тромба.

Ожидаемые диагностические применения включают определение характеристик просвета бляшки для лучшего выбора устройства, эндотелизацию ранее установленных стентов.

SFE также может позволить интервенционисту использовать меньше ангиографии - ангиография будет использоваться в качестве дорожной карты, а SFE - для помощи в подключении сосудов, увидеть проксимальную поверхность полностью закупоренных сосудов и другие уникальные сосудистые нюансы.

Безопасность

Использование лесхозов вместо существующих методов может помочь снизить эти текущие профессиональные риски:

• Уменьшает боль в спине оператора за счет отказа от тяжелых свинцовых фартуков
• Снижает риск рентгеновского излучения для пациента и оператора за счет уменьшения потребности в рентгеновских лучах
• Снижает риски для почек пациента за счет уменьшения использования йодного контраста

Связанные патенты

США 9258108США 6294775США 6856712США 6563105США 6845190США 7068878США 6959130США 7395967США 7159782США 7252236США 7784697США 7312879США 8437587США 8929688США 7447415США 7680373США 8305432США 7813538US1691007US734870US78670US5 7680375

Рекомендации

[16] Сейбел Э. Дж., Смитвик, шт. Уникальные возможности оптического сканирования, эндоскопии одного волокна. Лазеры в хирургии и медицине. 2002. 30 (3): 177–183. [PubMed]

[17] Сейбел Э.Дж., Смитвик К.Ю.Дж., Браун С.М., Рейнхолл П.Г. Одноволоконный гибкий эндоскоп: общая конструкция для небольших размеров, высокого разрешения и широкого поля зрения. Технологии биомониторинга и эндоскопии, Proc. ШПИОН. 2001; 4158: 29–39.

[18] Сейбел Э.Дж., Джонстон Р.С., Мелвилл CD. Полноцветный сканирующий волоконный эндоскоп. Оптические волокна и датчики для медицинской диагностики и лечения VI, Proc. ШПИОН. 2006; 6083: 608303–8.

[19] Сейбел Э. Дж., Браун С. М., Доминиц Дж. А., Кимми МБ. Сканирующая эндоскопия с одним волокном: новая технологическая платформа для интегрированной лазерной визуализации, диагностики и будущих методов лечения. Gastrointest Endosc Clin N Am. 2008. 18 (3): 467–78. viii. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]

[20] Джинюнас Л., Юскайтис Р., Шаталин С.В. Эндоскоп с возможностью оптического сечения. Прикладная оптика. 1993. 32 (16): 2888–2890. [PubMed]

[1] Сейбел Э.Дж. Катетероскоп 1 мм. Оптические волокна и датчики для медицинской диагностики и лечения VIII, Proc. ШПИОН. 2008; 6852: 685207–8.

[2] Хиршовиц Б.И., Кертисс Л.Э., Петерс К.В., Поллард Х.М. Демонстрация нового гастроскопа, фиброскопа. Гастроэнтерология. 1958; 35 (1): 50. обсуждение 51–3. [PubMed]

[3] Бэйли Дж. Эндоскоп. Gastrointest Endosc. 2007. 65 (6): 886–93. [PubMed]

[4] Фудзикура. FIA: Image Fiber. Фудзикура; 2009 г.
[5] Сумитомо 2009 http://www.sumitomoelectricusa.com.

[6] Funovics MA, Weissleder R, Mahmood U. Катетерная визуализация in vivo активности ферментов и экспрессии генов: технико-экономическое обоснование на мышах. Радиология. 2004. 231 (3): 659–66. [PubMed]

[7] Малдун Т.Дж., Пирс М.К., Нида Д.Л., Уильямс, доктор медицины, Гилленуотер А., Ричардс-Кортум Р. Молекулярная визуализация с субклеточным разрешением в живой ткани с помощью волоконной микроэндоскопии. Opt Express. 2007. 15 (25): 16413–23. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]

[8] Удович Дж. А., Киркпатрик Н. Д., Кано А., Танбакучи А., Утцингер Ю., Гмитро А. Ф. Спектральный фон и характеристики передачи волоконно-оптических пучков изображений. Appl. Опт. 2008. 47 (25): 4560–4568. [PubMed]

[9] Knittel J, Schnieder L, Buess G, Messerschmidt B, Possner T. Конфокальный микроскоп, совместимый с эндоскопом, использующий систему градиентных линз. Оптика Коммуникации. 2001. 188 (5-6): 267–273.

[10] Sung KB, Liang C, Descour M, Collier T., Follen M, Richards-Kortum R. Волоконно-оптический конфокальный отражательный микроскоп с миниатюрным объективом для визуализации тканей человека in vivo. IEEE Trans Biomed Eng. 2002. 49 (10): 1168–72. [PubMed]

[11] Рауз А.Р., Кано А., Удович Ю.А., Крото С.М., Гмитро А.Ф. Дизайн и демонстрация миниатюрного катетера для конфокального микроэндоскопа. Прикладная оптика. 2004. 43 (31): 5763–5771. [PubMed]

[18] Сейбел Э.Дж., Джонстон Р.С., Мелвилл CD. Полноцветный сканирующий волоконный эндоскоп. Оптические волокна и датчики для медицинской диагностики и лечения VI, Proc. ШПИОН. 2006; 6083: 608303–8.

[87] Смитвик QYJ, Vagners J, Reinhall PG, Seibel EJ. Контроллер пространства ошибок для резонирующего волоконного сканера: моделирование и реализация. Журнал измерений динамических систем и транзакций управления Asme. 2006. 128 (4): 899–913.

[88] Смитвик QYJ, Vagners J, Johnston RS, Seibel EJ. Гибридный нелинейный адаптивный отслеживающий контроллер для резонирующего волоконного микросканера. Журнал измерений динамических систем и транзакций управления Asme. 2010; 132 (1)

[100] Отчет об исследовании BCC, июль 2013 г.