Et hold britiske forskere har designet et nyt endoskop, der bruger lyd og lys til at afbilde vævsprøver på molekylære skalaer, baseret på en detektor, der er lille nok til at passe ind i en medicinsk nål. I deres undersøgelse, Wenfeng Xia og kollegaer kl King's College London , University College London forbedret adskillige nøgleaspekter af den fotoakustiske billedbehandlingsteknik – hvilket sikrer hurtige billedbehandlingstider uden at ofre størrelsen af det nødvendige udstyr.
Fotoakustisk endoskopi er en banebrydende teknik, der kombinerer ultralyd med optisk endoskopisk billeddannelse for at opbygge medicinske 3D-billeder. Det virker ved at udsende laserimpulser gennem et endoskops optiske fiber, som absorberes af mikroskopiske strukturer inde i kroppen. Når de absorberer lysets energi, genererer disse strukturer akustiske bølger – som i sig selv opfanges af en piezoelektrisk ultralydsdetektor og omdannes til billeder.
Teknikken giver forskerne mulighed for at udvælge en lang række mikroskopiske strukturer: fra individuelle celler til DNA-strenge. Den adresserer allerede mange begrænsninger ved rent optiske endoskoper, herunder deres manglende evne til at trænge gennem mere end et par lag af celler. På trods af disse fordele står fotoakustisk endoskopi stadig over for en afvejning: For at opnå højere billedhastigheder kræver det større og dyrere ultralydsdetektorer, hvilket begrænser dens anvendelighed i minimalt invasiv kirurgi.
For at løse denne udfordring har Xias team introduceret en ny tilgang. Designet – rapporteret i Biomedicinsk Optik Express – har først et "digitalt mikrospejl", der indeholder en række af næsten en million mikroskopiske spejle, hvis positioner hver især kan justeres hurtigt. Forskerne brugte denne opsætning til præcist at forme bølgefronterne af laserstråler, der bruges til at scanne over prøver.
I stedet for en piezoelektrisk ultralydsdetektor introducerede forskerne en langt mindre omfangsrig optisk mikroresonator. Denne enhed, der passer til spidsen af en optisk fiber, indeholder en deformerbar epoxyafstandsholder, der er klemt mellem et par specialiserede spejle. De indkommende ultralydsbølger deformerer epoxyen og ændrer afstanden mellem spejlene. Dette fører til ændringer i mikroresonatorens reflektivitetsændringer, når endoskopet raster-scannes over prøver.
Når de afhøres med en anden laser, leveret til spidsen af endoskopet langs en separat optisk fiber, ændrer disse variationer mængden af lys, der reflekteres tilbage langs fiberen. Ved at overvåge disse ændringer kan en algoritme udviklet af teamet opbygge billeder af prøven og bruge dem til at beregne, hvordan scannelaserens bølgefront kan justeres for at producere mere optimale billeder. Med denne information justeres det digitale mikrospejl i overensstemmelse hermed, og processen gentages.
Ved at justere brændvidden af den scannende laserstråle kan endoskopet også scanne prøver fra deres overflader ned til dybder på 20 µm – hvilket giver Xias team mulighed for at opbygge optimerede 3D-billeder i realtid.
For at demonstrere disse unikke egenskaber brugte forskerne deres enhed til at afbilde en klynge af røde blodlegemer fra mus, spredt over et område på omkring 100 µm på tværs. Ved at sammenføje en mosaik af fotoakustiske scanninger producerede endoskopet 3D-billeder af cellerne med hastigheder på omkring 3 billeder i sekundet.
Baseret på deres succes håber Xia og kolleger nu, at deres endoskop kan inspirere til nye fremskridt inden for minimalt-invasiv kirurgi - hvilket giver klinikere mulighed for at vurdere vævssammensætningen i molekylær og cellulær skala i realtid. I fremtidige undersøgelser vil holdet sigte mod at udforske, hvordan kunstig intelligens kan hjælpe med at forbedre fotoakustiske billeddannelseshastigheder yderligere.
