Enabling magnetic resonance imaging of hollow-core microstructured optical fibers via nanocomposite coating

Optical fibers are widely used in bioimaging systems as flexible endoscopes capable of low-invasive penetration inside hollow tissue cavities. Here, we report on the technique which allows magnetic resonance imaging (MRI) of hollow-core microstructured fibers (HC-MFs), paving the way for combing MRI and optical bioimaging. Our approach is based on Layer-by-Layer assembly of oppositely charged polyelectrolytes and magnetite nanoparticles on the inner core surface of HC-MFs. Incorporation of magnetite nanoparticles into polyelectrolyte layers renders HC-MFs visible for MRI and induces the red-shift in their transmission spectra. Specifically, the transmission shifts up to 60 nm have been revealed for the several-layers composite coating along with the high-quality contrast of HC-MFs in MRI scans. Our results shed light on marrying fiber-based endoscopy with MRI that opens novel possibilities for minimally invasive clinical diagnostics and surgical procedures in vivo.Comment: 11 pages, 6 figure

Achromatized endomicroscope objective for optical biopsy

Currently, researchers and clinicians lack achromatized endomicroscope objectives that are as narrow as biopsy needles. We present a proof-of-concept prototype that validates the optical design of an NA0.4 objective. The objective, built with plastic lenses, has a 0.9 mm clear aperture and is achromatized from 452 nm to 623 nm. The objective’s measured Strehl ratio is 0.74 ± 0.05 across a 250 μm FOV. We perform optical sectioning via structured illumination through the objective while capturing fluorescence images of breast carcinoma cells stained with proflavine and cresyl violet. This technology has the potential to improve optical biopsies and provide the next step forward in cancer diagnostics

Exploiting multimode waveguides for pure fibre-based imaging

We acknowledge support from the UK Engineering and Physical Science Research CouncilThere has been an immense drive in modern microscopy towards miniaturisation and fibre based technology. This has been necessitated by the need to access hostile or diffcult environments in-situ and in-vivo. Strategies to date have included the use of specialist fibres and miniaturised scanning systems accompanied by ingenious microfabricated lenses. We present a novel approach for this field by utilising disordered light within a standard multimode optical fibre for lensless microscopy and optical mode conversion. We demonstrate the modalities of bright-field and dark-field imaging and scanning fluorescence microscopy at acquisition rates allowing observation of dynamic processes such as Brownian motion of mesoscopic particles. Furthermore, we show how such control can realise a new form of mode converter and generate various types of advanced light fields such as propagation-invariant beams and optical vortices. These may be useful for future fibre based implementations of super-resolution or light sheet microscopy.Publisher PDFPeer reviewe

In vivo optical virtual biopsy of human oral mucosa with harmonic generation microscopy

Recent clinical studies on human skin indicated that in vivo multi-harmonic generation microscopy (HGM) can achieve sub-micron resolution for histopathological analysis with a high penetration depth and leave no energy or photodamages in the interacted tissues. It is thus highly desired to apply HGM for in vivo mucosa histopathological diagnosis. In this paper, the first in vivo optical virtual biopsy of human oral mucosa by using epi-HGM is demonstrated. We modified an upright microscope to rotate the angle of objective for in vivo observation. Our clinical study reveals the capability of HGM to in vivo image cell distributions in human oral mucosa, including epithelium and lamina propria with a high penetration depth greater than 280 μm and a high spatial resolution better than 500 nm. We also found that the third-harmonic-generation (THG) contrast on nucleus depends strongly on its thicknesses, in agreement with a numerical simulation. Besides, 4% acetic acid was found to be able to enhance the THG contrast of nucleus in oral mucosa, while such enhancement was found to decay due to the metabolic clearance of the contrast enhancer by the oral mucosa. Our clinical study indicated that, the combined epi-THG and epi-second-harmonic-generation (SHG) microscopy is a promising imaging tool for in vivo noninvasive optical virtual biopsy and disease diagnosis in human mucosa

Dermal epidermal separation for skin rejuvenation

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2015O aumento da esperança média de vida ao longo das últimas décadas foi acompanhado por uma preocupação crescente com a saúde e estética da pele. Pele fotodanificada e envelhecida é caracterizada pelo aparecimento de características indesejáveis, tais como marcas de pigmentação, atrofia da juncão dérmica epidérmica, rugas, perda da radiância, claridade e uniformidade da pele. De forma a contrariar o efeito da exposição solar há uma necessidade crescente de desenvolvimento de métodos e dispositivos que visam o rejuvenescimento da pele. De acordo com o relatório apresentado pela Transparency Market Research sobre o mercado dos dispositivos de tratamento e cuidado de pele é esperado um crescimento de 10% destes dispositivos durante o período de 2012 a 2018. Rejuvenescimento da pele implica a substituição do tecido foto danificado ou envelhecido por um novo, mais saudável, radiante e uniforme. Desde químicos a fotónicos incluindo sistemas mecânicos, existe uma vasta gama de dispositivos que visam rejuvenescimento de pele. O grau de rejuvenescimento está relacionado com a agressividade do método utilizado. Técnicas suaves como a aplicação de loções e cremes carecem de eficácia, no entanto apresentam poucos efeitos secundários sendo seguras para os utilizadores. Já a maioria dos dispositivos comercialmente disponíveis, como peeling químico, abrasão da epiderme, e resurfacing a laser, atuam através da danificação ou remoção de toda a epiderme viável, expondo o corpo humano à acção de agentes químicos, físicos, patogénicos e à radiação ultra violeta (UV). Apesar de eficazes estes métodos apresentam efeitos adversos, nomeadamente o elevado risco de infecção para os pacientes e o longo tempo de recuperação. Por estes motivos é necessário desenvolver uma técnica não invasiva que rejuvenesça eficazmente a pele sem comprometer a saúde do paciente. Philips Research Eindhoven é uma das maiores organizações de investigação do mundo, localizada no High Tech Campus (HTC) em Eindhoven. O departamento Personal Care and Wellness combina o conhecimento sobre a biologia e morfologia da pele com as mais avançadas técnicas ópticas com o objectivo de inovar e desenvolver produtos com impacte no bem estar da população. O projeto, onde esta tese se insere, visa a geração de propriedade intelectual assim como desenvolver e apresentar a proof of concept sobre patentes anteriormente submetidas. Esta tese teve como principal objetivo desenvolver e construir um dispositivo que permitisse separar a derme da epiderme de forma não invasiva e que possa ser aplicado em pele humana ex-vivo e in-vivo. Para alcançar este objetivo, um sistema de sucção combinado com método de imagem não invasivo OCT (do acrónimo inglês Optical Cohenrence Tomography ) foi construído. Este sistema permitiu pela primeira vez a monitorização em tempo real do processo de separação da derme da epiderme. Devido à capacidade de visualizar em tempo real a separação da derme da epiderme, um modelo que descreve a evolução do processo de separação das duas camadas mais superficiais da pele assim como a acumulação de fluido intersticial foi formulado e descrito. Neste modelo três fases foram definidas e caracterizadas: Latência, Crescimento e Maturação. Foi também possível observar que a separação dérmica epidérmica ocorre segundo dois diferentes processos: 1) formação inicial de uma pequena fenda dérmica epidérmica que progressivamente aumenta de tamanho e 2) formação de várias pequenas separações ao longo de toda a junção dérmica epidérmica que aumentam de dimensão ao longo do tempo e se vão unificando. Para além de combinado com OCT, o sistema de sucção foi também acoplado a um sistema de aquecimento e a um sistema de Radiofrequência (RF). A dependência entre o tempo de separação da derme da epiderme e fatores como o diâmetro do prato de sucção aplicado, a pressão e a temperatura da pele foi estabelecida. Os parâmetros óptimos para a separação da derme e epiderme num curto período de tempo foram determinados: um diâmetro entre 1 mm e 1.5 mm, uma pressão de sucção de 600 mmHg e uma temperatura de 40ºC. Os resultados em pele ex-vivo foram corroborados por um estudo in-vivo. Após a optimização dos parâmetros foi possível reduzir o tempo de separação dérmica epidérmica para um sexto do tempo inicial. De forma a compreender os processos regenerativos que actuam após a separação dérmica epidérmica e a avaliar se uma nova e saudável epiderme é formada de forma não invasiva, a resposta regenerativa ao tratamento foi avaliada através de um estudo in-vivo. As imagens de OCT obtidas 1 dia e 4 dias após o tratamento revelaram a formação de uma nova e saudável epiderme de baixo da epiderme separada, que age como um escudo biológico protegendo o organismo contra agentes infecciosos. Neste estudo também foi verificado que o tempo de regeneração da epiderme depende da extensão de epiderme separada. Extensões menores requerem um mais curto período de regeneração. A capacidade da OCT permitir detetar e visualizar características da pele como poros e folículos capilares permitiu a aplicação do tratamento sobre estas. Os resultados obtidos indicam que o processo de separação dérmica epidérmica é facilitado na região folicular e dificultado em poros. Foi ainda testada a aplicação fracionada do tratamento de forma a reduzir o tempo de aplicação e desconforto para os utilizadores. Apesar de eficiente, OCT é um sistema de monitorização dispendioso e pouco portátil não podendo ser acoplado a um dispositivo comercial de rejuvenescimento de pele. Para colmatar esta necessidade foi testada a possibilidade de usar as propriedade condutivas da pele para detetar a separação da derme da epiderme. Usando um sistema de radiofrequência, a impedância da pele à corrente eléctrica foi monitorizada durante o processo de separação da derme da epiderme. Uma diminuição da impedância da pele ocorre durante a migração de fluido intersticial para a cavidade dérmica epidérmica. A principal aplicação visionada para esta técnica assim como os parâmetros determinados é o desenvolvimento de um dispositivo de rejuvenescimento da pele não invasivo. Devido a promover a separação da derme da epiderme em apenas alguns segundos a técnica apresentada nesta tese ganha especial relevância na área médica. Com foco de interesse para dermatologia onde a transplantação epidérmica é umas das técnicas mais utilizadas no tratamento de Vitiligo e também para análises clínicas onde extração do fluido intersticial é utilizado em inúmeros estudos. A redução do tempo de separação é crucial para a diminuição do tempo de tratamento e desconforto para os pacientes. O próximo passo será um estudo clínico, usando uma significante amostra população de diferentes idades e géneros, de forma a avaliar se o tratamento leva a um rejuvenescimento da pele a curto e longo espaço de tempo. O tratamento deverá ser aplicado no tecido facial e ser acompanhado por um estudo histológico ou de TEM (do acrónimo inglês Transmission Electron Microscopy) de forma a estudar o processo de regeneração. A aplicação fracionada do tratamento assim como o efeito de folículos capilares e poros no tempo de separação deverá ser estudada em detalhe. Em suma, nesta dissertação as principais fases de desenvolvimento de um dispositivo de rejuvenescimento de pele foram levadas a cabo. Desde do design e construção de um protótipo, à optimização do parâmetros terminando num teste clínico e análise dos resultados. O dispositivo construído e descrito nesta tese revelou ser uma técnica promissora, eficiente e segura para o rejuvenescimento de pele e para monitorização em tempo real da cinética da separação dérmica epidérmica.With the increase of life expectancy over the last decades there is an increasing concern about how to maintain the skin healthy. Skin rejuvenation implies the replacement of the damaged upper layers of the skin with new ones, improving fine lines, radiance and clarity of the skin. The current available techniques for skin rejuvenation including chemical peeling, dermabrasion and laser skin resurfacing, act by removing the upper layer of the skin, the epidermis, which protects the body against physical, chemical, pathogen and UV radiation injuries. The aim of this thesis was to develop and build a non-invasive device which induces dermal epidermal separation and implement this technique to ex-vivo and in-vivo human skin. For this purpose a suction system integrated with a non-invasive imaging method Optical Coherence Tomography (OCT) was built. This system allowed, for the first time, the real time monitoring of the kinetics of dermal epidermal separation process and to follow the regenerative process non-invasively. The suction device was also combined with a heating and radio-frequency system. A model for the dermal epidermal separation over the time was formulated and described in this thesis. The relation between the dermal epidermal separation time and the diameter of the suction aperture, the suction pressure and the temperature was established. The ex-vivo results were validated with in-vivo studies. Furthermore it was possible to assess to the feasibility of electric conductivity as dermal epidermal separation detection method. A marked decrease of the skin electric impedance was verified during the migration of interstitial fluid to the dermal epidermal cavity, indicating that electrical impedance can be used as detection method. The experimental setup and method here in described revealed to be a safe, efficient and promising technique for skin rejuvenation

Reflectance and Fluorescence Confocal Microscope for Imaging of the Mouse Colon

Many Americans are afflicted with inflammation of the colon. They are also at a higher risk of developing colon cancer. Confocal microscopy of bulk epithelial tissue has the potential to provide information on tissue structural properties that may be lost in the fixation and slicing procedures required for histopathology. Optical sectioning provides images in three dimensions capturing the organizational structure of cells and colon crypts throughout the entire colon. I have constructed a custom built fluorescence and reflectance confocal microscope for imaging molecular and morphological changes associated with development of inflammation in a mouse model. A confocal microscope is a point scanning system that removes out of focus light by placing a pinhole aperture in the conjugate image plane located in front of the detector. We have two sources, 488 nm and 811 nm, for fluorescence and reflectance imaging, respectively. A polygon scanning mirror and a galvanometer scanning mirror allow for a variable scan rate between 8 and 15 fps. The lateral resolution of the system is approximately 3 μm with an axial resolution of 6 μm and 4 μm for reflectance and fluorescence mode, respectively. As colon tissue becomes inflamed, there is a distinct change in the structure and architecture of the tissue. The colon crypts are no longer uniform in size or distribution throughout the tissue. Having a large field of view of 1mm2 allows for many colon crypts to be visualized within a single frame. Histology was performed on the same tissue imaged for the inflammatory study confirming the constructed confocal microscope’s ability to characterize inflamed tissue and the potential use for guided biopsy. Mosaicing, or image tiling, is an imaging technique that stitches single frames together to produce a much larger field of view. An extended frame with 1 mm x 2 cm field of view is achieved within seconds. This extended frame would allow mosaicing of the entire mouse colon much faster than conventional methods without loss of resolution. The acquired confocal images of colon tissue demonstrate the microscope’s ability to resolve cell nuclei lining the colon crypts within a relatively large field of view

Clinical Reflectance Confocal Microscope for Imaging of Oral Cancer

Biopsy and histopathology remain the standard method for diagnosis of oral cancer in the clinic today. Early detection of oral cancer is fundamental to a higher survival rate, and a non-invasive method is preferred. This is possible through optical imaging techniques. This dissertation describes the design, development and testing of a clinical reflectance confocal microscope for imaging of oral cancer in combination with macroscopic fluorescence lifetime imaging (FLIM). A compact bench top reflectance confocal microscope was designed and constructed for use in combination with a bench top FLIM system. The system was evaluated by imaging porcine oral tissue ex vivo and normal and dysplastic hamster cheek pouch tissue in vivo. To facilitate in vivo imaging of the human oral cavity, an electrically tunable lens was integrated in the system for axial scanning and a miniature objective lens was designed and fabricated for access into the oral cavity. Performance of the system was characterized over the full range of axial scanning with the electrically tunable lens. The reflectance confocal microscopy system was tested in combination with macroscopic FLIM by imaging normal and pre-cancerous human oral tissue ex vivo and in vivo in the clinic

Multiple Focus Reflectance Confocal Microscopy for In Vivo Imaging

Light microscopy techniques provide a means to image interesting features on the very small scale. Advances in passive and active optical elements have driven progress in microscopy, including but not limited to super-resolution, large field of view, and three-dimensional microscopy. Medical diagnostics can benefit from this progress. Typically, for a suspected cancerous tissue, a biopsy is taken and analyzed by histology. Features of the tissue can be identified throughout the depth of the slice to inform diagnosis. Translating optical techniques to clinical applications presents a unique challenge. Typically, a microscopy sample is cut, sliced, and stained as part of the preparation needed for benchtop microscopes. In the clinic, the sample is inaccessible within a living, breathing human subject. Confocal microscopy is a well-known technique that can solve part of the problem, as it can image thin slices of tissue optically (i.e. no cutting necessary). Additionally, as a reflectance microscope, no exogenous contrast agents are needed. However, current techniques have not shown to be effective for imaging the entire tissue due to the cumbersome nature of in vivo imaging. This dissertation reports solutions by designing a confocal microscope capable of imaging live bulk tissue at multiple depths by means of some non-mechanical tunable focus. First, we evaluate the technique, chromatic confocal microscopy, to simultaneously capture images at multiple depths. We present a chromatic confocal microscope with expanded range that can produce images from a highly scattering tissue sample. Design considerations and future work are discussed. Second, we discuss the use of a hand-held confocal microscope which employs a tunable lens for multi-depth imaging and present a second generation alignment-free design with improved image quality. Image quality and reliability are paramount to validating an imaging system for use as a clinical diagnostic tool. We show the capability of the system to detect features by means of optical biopsy and compare these images to the actual histological analysis