Ein Team britischer Forscher hat ein neuartiges Endoskop entwickelt, das Ton und Licht nutzt, um Gewebeproben auf molekularer Ebene abzubilden. Es basiert auf einem Detektor, der klein genug ist, um in eine medizinische Nadel zu passen. In ihrer Studie Wenfeng Xia und Kollegen bei Kings College London und University College London verbesserte mehrere Schlüsselaspekte der photoakustischen Bildgebungstechnik – Gewährleistung schneller Bildgebungszeiten ohne Einbußen bei der Größe der erforderlichen Ausrüstung.
Die photoakustische Endoskopie ist eine hochmoderne Technik, die Ultraschall mit optischer endoskopischer Bildgebung kombiniert, um medizinische 3D-Bilder zu erstellen. Es funktioniert, indem es Laserimpulse durch die optische Faser eines Endoskops sendet, die von mikroskopischen Strukturen im Körperinneren absorbiert werden. Indem sie die Energie des Lichts absorbieren, erzeugen diese Strukturen akustische Wellen – die wiederum von einem piezoelektrischen Ultraschalldetektor aufgenommen und in Bilder umgewandelt werden.
Mit dieser Technik können Forscher ein breites Spektrum mikroskopischer Strukturen erkennen: von einzelnen Zellen bis hin zu DNA-Strängen. Es behebt bereits viele Einschränkungen rein optischer Endoskope, einschließlich ihrer Unfähigkeit, mehr als ein paar Zellschichten zu durchdringen. Doch trotz dieser Vorteile steht die photoakustische Endoskopie immer noch vor einem Kompromiss: Um höhere Bildgebungsgeschwindigkeiten zu erreichen, sind sperrigere und teurere Ultraschalldetektoren erforderlich, was ihre Anwendbarkeit in der minimalinvasiven Chirurgie einschränkt.
Um dieser Herausforderung zu begegnen, hat Xias Team einen neuen Ansatz eingeführt. Das Design – berichtet in Biomedizinische Optik Express – verfügt zunächst über einen „digitalen Mikrospiegel“, der eine Anordnung von fast einer Million mikroskopischer Spiegel enthält, deren Positionen jeweils schnell angepasst werden können. Die Forscher nutzten diesen Aufbau, um die Wellenfronten von Laserstrahlen, die zum Scannen von Proben verwendet wurden, präzise zu formen.
Anstelle eines piezoelektrischen Ultraschalldetektors führten die Forscher einen weitaus weniger sperrigen optischen Mikroresonator ein. Dieses Gerät wird an der Spitze einer optischen Faser angebracht und enthält einen verformbaren Abstandshalter aus Epoxidharz, der zwischen einem Paar Spezialspiegeln angeordnet ist. Die einfallenden Ultraschallwellen verformen das Epoxidharz und verändern den Abstand zwischen den Spiegeln. Dies führt zu Veränderungen im Reflexionsvermögen des Mikroresonators, wenn das Endoskop rasterartig über Proben gescannt wird.
Bei der Abfrage mit einem zweiten Laser, der über eine separate optische Faser an die Spitze des Endoskops geleitet wird, verändern diese Variationen die Menge des entlang der Faser zurückreflektierten Lichts. Durch die Überwachung dieser Änderungen kann ein vom Team entwickelter Algorithmus Bilder der Probe erstellen und daraus berechnen, wie die Wellenfront des Scanlasers angepasst werden kann, um optimalere Bilder zu erzeugen. Mit diesen Informationen wird der digitale Mikrospiegel entsprechend angepasst und der Vorgang wiederholt sich.
Durch Anpassen der Brennweite des scannenden Laserstrahls kann das Endoskop Proben auch von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 20 µm scannen – so kann Xias Team in Echtzeit optimierte 3D-Bilder erstellen.
Um diese einzigartigen Fähigkeiten zu demonstrieren, verwendeten die Forscher ihr Gerät, um eine Ansammlung roter Blutkörperchen der Maus abzubilden, die über eine Fläche von etwa 100 µm verteilt waren. Durch das Zusammenfügen eines Mosaiks photoakustischer Scans erzeugte das Endoskop 3D-Bilder der Zellen mit einer Geschwindigkeit von etwa drei Bildern pro Sekunde.
Aufgrund ihres Erfolgs hoffen Xia und ihre Kollegen nun, dass ihr Endoskop zu neuen Fortschritten in der minimalinvasiven Chirurgie führen könnte – indem es Ärzten ermöglicht, den molekularen und zellulären Aufbau von Geweben in Echtzeit zu beurteilen. In zukünftigen Studien wird das Team untersuchen, wie künstliche Intelligenz dazu beitragen könnte, die Geschwindigkeit der photoakustischen Bildgebung noch weiter zu steigern.
