近年、フォトニック技術は、患者の不快感を最小限に抑え、健康状態を検知し追跡するための新しい機能を提供することで、非侵襲的医療診断を変革しています。レーザー、発光ダイオード、および高度なディテクタを含むライトベースのシステムが、組織サンプルや切開を必要としないで、体の内部状態に関するリアルタイム、正確な情報を提供します。これらのイノベーションは、光学およびバイオフォトニクスの研究の数十年にわたり構築され、より速く診断、より安全な臨床設定、およびより速く、より安全な臨床検査を可能にすることを約束します。

光学診断の基礎

生物組織を貫通し、細胞成分と相互作用する光の能力は、光子診断の基礎を形成します。 Photonsは、さまざまな組織構造に遭遇したときに吸収、散乱、蛍光性を受けます。 戻り光を分析することにより、臨床医は、生化学的および形態学的特性を注入することができます。 近赤領域(約650〜1350nm)の「光学窓」は、特に、それは、より深い浸透を可能にし、光量を吸収し、光線の程度を観察し、光度を観察することができます。 そのような分光度を観察するなどの分析は、このような光度を観察することができます。

光子方法は、本質的に非侵襲的です: 光は、皮膚、粘膜、または自然体が有利に外部に適用される。 X線やCTスキャンとは異なり、彼らは非イオン化放射線を使用し、繰り返しの使用のために安全です。 この安全プロファイルは、定期的なスクリーニング、慢性疾患の監視、手術中にリアルタイムのガイダンスのためのドアを開きます。

コアフォトニクス技術

光学コヒーレンス・トモグラフィ(OCT)

OCTは、低凝集干渉法を用いた組織の高解像断面積画像をキャプチャします。1〜2 mmの深さまでマイクロメートルスケール分解能を提供し、網膜、冠動脈、皮膚層をイメージングするのに理想的です。眼科では、OCTは、糖尿病性網膜症、黄斑変性、およびグルコマの診断基準です。最近の開発には、超高解像およびOCTが、OCTは、現在、放射線検査装置を検査する検査対象外です。OCTは、OCTは、放射線膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜膜

拡散光分光(DOS)と拡散光分光(DOT)

DOSは、近赤外線光の散布者を測定し、組織内で吸収する方法を測定します。 これは、酸素化および脱酸素ヘモグロビン、水、脂質および他のクロモフォアの濃度を定量化します。 この情報は、組織の代謝を評価するのに役立ちます、腫瘍(しばしば血管性を変えた)を検出し、脳機能を監視します。 DOTは、光学的特性の三次元マップを再構築することによって、DOSを拡張します。 臨床アプリケーションには、呼吸がんスクリーニング、脳の診断、および診断、および診断および診断が含まれます。

静電イメージング(PAI)

PAIは超音波検出とレーザーパルスを結合します。短パルスが組織によって吸収されると、局所加熱は超音波トランスデューサーが検出する音響波を発生させます。このハイブリッド方式は、高光コントラスト(ヘモグロビン、メラニン、および他のクロロフォアに敏感)を提供し、超音波分解能は、いくつかのセンチメートルの深さで発生します。光音響トーモグラフィー(PAT)と光音響顕微鏡(PAM)は、腫瘍、ウイルス、およびウイルスの早期に表示された変形性マウスを視覚化するために使用される変形性変形性変形性(UV)、および発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発症度は、および発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発症度は、および発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の発疹の

ラーマン分光法

ラマン分光プローブは、細胞内散乱光を分析することにより、分子振動を分析します。それは、タンパク質、脂質、核酸、および代謝物の「指紋」を産生します。この技術は、ラベルなしで健康な組織から悪性を区別し、リアルタイムの無分証拠証拠評価を可能にします。 ]] 上昇した進歩は、高分子量測定および高分子量測定の分析のための光量測定のセクションが、より高分子量測定の分析に使用されます。

蛍光分光と寿命イメージング

特定の分子(フルオロフィル)が光を吸収すると、それらは長波長の蛍光を放射します。 コラーゲン、エラスチン、およびNADHのような内因性フルオロフィルは、疾患の状態と変化する特徴的な寿命を持っています。 Fluorescenceの寿命イメージング(FLIM)は、初期経口および子宮頸がんを検出するための約束を示す、代謝活性に基づいてコントラストを提供します。 出生物質の対照代理店(例えば、インドキヤンイングリーン)は、リンパおよび転移マッピングにも使用されます。

専門分野横断の臨床応用

眼科

光学凝集性トーモグラフィーは、眼科における最も広く採用されたフォトニック診断ツールを残します。それは、年齢関連の黄斑変性、糖尿病性レチノパシー、およびグルーコマを管理するために不可欠な詳細なレチナル層イメージングを提供します。 OCTのアジグラフィ(OCTA)は、染料なしで網膜の3次元視覚化を可能にし、患者にリスクを低減します。

心臓病

血管内OCTは、10〜15μmの解像度で、皮質特性、静留位置、および変異を視覚化するための血管内超音波を外す10〜15μmの画像角動脈にカテーテルを使用しています。 視光線イメージングは、脂質が豊富なプラークが破裂しやすいことを検出するために調査されています。 非侵襲的拡散光分光は、組織の酸素濃度を測定することによって胸の痛みを評価することができます。

オンコロジー

光学方法は、がんの検出と外科的指導を変革しています。 拡散光イメージングは、特にマンモグラフィーが限られている密接な母体組織で、アドジャンク性がんスクリーニングのためにFDAがクリアされています。 ラットマン分光と光音響イメージングの助けは、手術中に腫瘍のマージンを特定し、繰り返し手術の必要性を減らす。 ]]リアルタイムマージン評価は、これらの臨床検査の進行中の主要な臨床試験領域である。

皮膚科

反射率の共焦点顕微鏡(RCM)およびOCTは皮の損害の非侵襲的な「光学生物泳動」を提供します。RCMは細胞レベルの決断を通し、切断なしで基底細胞癌およびメラノマを診断します。Ramanの分光は生物化学的署名に基づいて皮腫瘍を分類できます。これらの用具は皮の医院の不必要な排泄を減らし、診断を加速します。

神経科

機能近赤外線分光法(fNIRS)は頭皮を通して脳の酸素化およびヘモディナミクスを監察します。それは認知神経科学、リハビリテーションおよび新生の脳の監視で使用されます。拡散の相関光法(DCS)は脳血流の索引を、打撃および脳の傷害を評価するための価値を測定します。これらの技術はより小さく、より現実的になり、ベッドサイドの使用を可能にしています。

技術開発による進歩の推進

最小化とウェアラブルデバイス

半導体レーザー、マイクロ電光機械システム(MEMS)、光子集積回路の進歩により、カートサイズの機器からハンドヘルドプローブやウェアラブルセンサーまで、スランク診断システムが搭載されています。 [Finger-worn Raman spectrometers] およびヘッドバンドマウント型fNIRS は、継続的な脳モニタリングの実行例です。 ウェアラブルフォトニックパッチは、心拍数、酸素濃度、およびグルコーストレベルを追跡できます。 病気の予防接種は、非家庭での予防接種を促進します。

人工知能と信号処理

ディープラーニングアルゴリズムは、OCT画像、Raman spectra、またはフォトアコースティック信号など、自動的に病気パターンを検出するフォトニックデータを分析できるようになりました。AIは診断精度を向上させ、解釈時間を削減し、複雑な組織環境における騒音から分離された信号を解析します。例えば、]のニューラルネットワークは、皮膚病変をクラスファイリングし、皮膚病者をエキスパートの皮膚科医に比較できる精度で反射症例を分類します。

多モジュール式フォトニクスシステム

補完技術を1つの機器内で組み合わせることで、その強みが生まれます。 OCT-photoacousticプローブは、構造的および血管的情報も同時に提供しています。 Raman-Fluorceシステムは、生化学的および代謝的コントラストの両方を提供します。 これらのハイブリッドシステムは、腫瘍の異質性が正確な特性化のために複数のデータタイプを必要とする腫瘍学に特に価値があります。

課題と限界

驚くべき進歩にもかかわらず、光度診断は、定期的な臨床導入の前にいくつかのハードルに直面しています。 []Depthの浸透]は、特に動的組織では、散布と吸収によるほとんどの技術で数センチメートルに限定されています。これは、内視鏡アクセスなしでより深い臓器をイメージすることはできません。 モーションアーティファクト(呼吸、心拍)は、画像の品質を劣化させる、特に動的組織では、特に、放射線量測定の患者(皮膚の疾患)、高濃度測定、および高濃度測定の検査、および検査の検査の検査の検査の検査を要求します。

未来の視点

今後、フォトニック技術は、パーソナライズされた予防医療に不可欠になることを表彰しています。研究者は、低資源設定でがんスクリーニングを改善する「光学生検」プラットフォームを開発しています。 遠隔医療とクラウドベースのAI分析との統合により、専門家レベルの診断を遠隔地に持ち込むことができます。 ウェアラブルフォトニックセンサーは、絶えず、代謝や悪性変化の早期警告を提供する、グルコース、乳酸、または循環腫瘍細胞を監視する可能性があります。 放射線治療薬および放射線治療薬による放射線治療薬の有効性は、放射線治療薬の有効性、放射線治療薬の診断を観察することができます。 超音波検査および放射線治療薬の有効性、放射線治療薬の有効性、および放射線治療薬の予防薬の予防、および放射線治療薬の予防薬の予防、および免疫測定、および放射線治療薬の予防薬の予防、および放射線治療薬の予防薬の予防薬の予防、および免疫、および免疫疾患、および免疫疾患、および免疫疾患、および免疫疾患、および免疫疾患、および免疫疾患、および免疫疾患、および免疫疾患、および免疫疾患、および免疫疾患、および免疫疾患、および免疫疾患、および免疫疾患、および免疫疾患、および免疫疾患、および免疫

別のフロンティアは、同じフォトニクスシステムが診断と治療(例えば、蛍光画像で監視された光線力学療法)を配信するのである[[の]の熱狂[です。 標的ナノ粒子および活動的なプローブを含む分子的対照の代理店の進歩は、特定の性を改善します。 光学の部品がより安くなり、より堅くなり、非侵襲的な診断は、ますますますますますますますますますますますますますますますますますますますますますますますますますますます注目のヘルスケア、および患者の市場は、およびこれらの研究は、および維持します。

更に読むには、臨床生体写真の]>SPIE Digital Libraryと最近の記事の]]のNature Photonics]からのレビューを参照してください。