Optisk spredning er et reelt problem for biologisk billeddannelse. Ved at forhindre lys i at blive fokuseret dybt ind i biologisk væv, begrænser spredningseffekter billeddybder til omkring 100 mikron, hvilket kun producerer slørede billeder ud over. En ny teknik kaldet ultralydsinduceret optisk clearingmikroskopi kunne øge denne afstand med mere end en faktor seks takket være det noget kontraintuitive trin med at indsætte et lag af gasformige bobler i det område, der afbildes. Tilføjelse af dette boblelag sikrer, at fotonerne ikke afviger, når de forplanter sig gennem prøven.
Optisk spredning opstår, når lys interagerer med strukturer, der er mindre end dets bølgelængde. Det indfaldende lys forstyrrer elektroner i strukturen og danner oscillerende dipolmomenter, der genudsender lyset i mange forskellige retninger.
"Teknikker som konfokal mikroskopi er meget udbredt inden for biovidenskabelig forskning, såsom cancer og hjernevævsbilleddannelse, men de er begrænsede på grund af dette problem," forklarer Jin Ho Chang ved DGIST (Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology) i Korea. "Begrænsningen af billeddybden skyldes hovedsageligt, at indfaldende fotoner bliver alvorligt afbøjet fra deres oprindelige udbredelsesretninger som følge af optisk spredning. Faktisk falder antallet af ikke-spredte fotoner eksponentielt med den afstand, fotonerne tilbagelægger, så lys kan ikke fokuseres tæt efter en dybde på omkring 100 mikron."
Mens forskere har udviklet forskellige typer lysbølgefront-formende teknikker til at løse denne begrænsning, kan ingen af dem bruges til at tage tredimensionelle billeder. Disse andre teknikker kræver også højtydende optiske moduler og sofistikerede optiksystemer.
Ingen optisk spredning i bobleskyen
I det seneste arbejde udviklede Chang og kolleger en ny tilgang, hvor de bruger højintensitetsultralyd til at generere gasbobler i volumenet af væv, der er placeret foran billeddannelsesplanet. For at forhindre boblerne i at kollapse og muligvis beskadige vævet, transmitterede forskerne lav-intensitet ultralyd kontinuerligt under laserscanning mikroskop billeddannelsesprocessen, opretholdt en kontinuerlig strøm af bobler hele vejen igennem. De fandt ud af, at når koncentrationen af gasbobler i volumenet er højere end 90 %, oplever fotoner fra billedlaseren næsten ingen optisk spredning inde i gasbobleområdet (kaldet "bobleskyen"). Dette skyldes, at de midlertidigt dannede gasbobler reducerer optisk spredning i samme retning som udbredelsen af det indfaldende lys og dermed øger dets indtrængningsdybde.
"Som et resultat kan laseren være tæt fokuseret på billeddannelsesplanet, ud over hvilket konventionel laserscanningsmikroskopi ikke kan opnå skarpe billeder," fortæller Chang. Fysik verden. "Dette fænomen er analogt med optisk clearing baseret på kemiske midler, så vi kaldte vores tilgang ultralydsinduceret optisk clearingmikroskopi (US-OCM)."
I modsætning til konventionelle optiske clearingmetoder kan UC-OCM lokalisere den optiske clearing i området af interesse og gendanne de oprindelige optiske egenskaber til området, når boblefluxen er slået fra. Dette indebærer, at teknikken skal være uskadelig for levende væv.
Ifølge forskerne, der detaljerer deres arbejde i Natur Fotonik, den største fordel ved US-OCM er: en stigning i billeddybden med en faktor på mere end seks med en opløsning, der svarer til den ved konventionel lasermikroskopi; hurtig billeddataindsamling og billedrekonstruktion (kun 125 millisekunder er påkrævet for et billedbillede bestående af 403 x 403 pixels); og let tilgængelige 3D-billeder.
Og det er ikke alt: holdet påpeger, at implementering af den nye metode kun kræver et relativt simpelt akustisk modul (en enkelt ultralydstransducer og et transducerdrivende system), der skal tilføjes til en konventionel laserscanningsmikroskopiopsætning. Teknikken kan også udvides til andre laser scanning mikroskopi teknikker såsom multifoton og fotoakustisk mikroskopi.
Ultralyd og lys let at kombinere
"Jeg tror personligt på, at udviklingen af hybridteknologi er en af de nye forskningsretninger, og ultralyd og lys er relativt nemme at kombinere for at maksimere deres fordele, samtidig med at de supplerer hinandens ulemper," siger Chang. "Forskere inden for ultralyd har længe vidst, at stærk ultralyd kan skabe gasbobler i biologisk væv, og at de kan forsvinde helt uden at beskadige væv."
Kerker-spredning lokaliserer partikler med subatomisk præcision
Idéen til eksperimentet kom op under diskussioner med teammedlem Jae Youn Hwang, en optikspecialist ved DGIST. Tanken var, at ultralydsinducerede gasbobler kunne bruges som et optisk clearingmiddel, hvis de på en eller anden måde kunne skabe tætpakkede bobler i interesseområdet. "Konventionel optisk clearing er afhængig af det faktum, at optisk spredning er minimal, når brydningsindekserne for lysspredere i væv ligner hinanden," forklarer Chang. "Kemiske midler bruges til at reducere det høje brydningsindeks for spredere, så det nærmer sig selve vævet."
Ifølge DGIST-teamet kan teknikken bruges til billeddannelse af hjernevæv i høj opløsning, tidlig diagnose af Alzheimers sygdom og præcis diagnose af kræftvæv i kombination med endoskopteknologi. "Jeg tror også, at det grundlæggende koncept for denne undersøgelse kan anvendes på optiske terapier, såsom fototermiske og fotodynamiske terapier for at forbedre deres effektivitet, fordi de også lider af begrænset lysgennemtrængning," siger Chang.
