Η οπτική σκέδαση είναι ένα πραγματικό πρόβλημα για τη βιολογική απεικόνιση. Αποτρέποντας τη βαθιά εστίαση του φωτός στον βιολογικό ιστό, τα φαινόμενα σκέδασης περιορίζουν τα βάθη απεικόνισης σε περίπου 100 μικρά, παράγοντας μόνο θολές εικόνες πέρα από αυτό. Μια νέα τεχνική που ονομάζεται οπτική μικροσκοπία καθαρισμού επαγόμενη από υπερήχους θα μπορούσε να αυξήσει αυτή την απόσταση κατά περισσότερο από ένα συντελεστή έξι, χάρη στο κάπως αντίθετο βήμα της εισαγωγής ενός στρώματος αέριων φυσαλίδων στην περιοχή που απεικονίζεται. Η προσθήκη αυτού του στρώματος φυσαλίδων διασφαλίζει ότι τα φωτόνια δεν αποκλίνουν καθώς διαδίδονται στο δείγμα.
Η οπτική σκέδαση συμβαίνει όταν το φως αλληλεπιδρά με δομές μικρότερες από το μήκος κύματός του. Το προσπίπτον φως διαταράσσει τα ηλεκτρόνια στη δομή, σχηματίζοντας ταλαντευόμενες διπολικές ροπές που εκπέμπουν ξανά το φως σε πολλές διαφορετικές κατευθύνσεις.
«Τεχνικές όπως η ομοεστιακή μικροσκοπία χρησιμοποιούνται ευρέως στην έρευνα της επιστήμης της ζωής, όπως ο καρκίνος και η απεικόνιση του εγκεφαλικού ιστού, αλλά είναι περιορισμένες λόγω αυτού του προβλήματος», εξηγεί. Τζιν Χο Τσανγκ κατά τη DGIST (Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας Daegu Gyeongbuk) στην Κορέα. «Ο περιορισμός του βάθους απεικόνισης οφείλεται κυρίως στο ότι τα προσπίπτοντα φωτόνια εκτρέπονται σοβαρά από τις αρχικές κατευθύνσεις διάδοσής τους ως αποτέλεσμα της οπτικής σκέδασης. Πράγματι, ο αριθμός των μη σκεδαζόμενων φωτονίων μειώνεται εκθετικά με την απόσταση που διανύουν τα φωτόνια, επομένως το φως δεν μπορεί να εστιαστεί σφιχτά μετά από βάθος περίπου 100 μικρών».
Ενώ οι ερευνητές έχουν αναπτύξει διάφορους τύπους τεχνικών διαμόρφωσης μετώπου κύματος φωτός για να αντιμετωπίσουν αυτόν τον περιορισμό, καμία από αυτές δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη λήψη τρισδιάστατων εικόνων. Αυτές οι άλλες τεχνικές απαιτούν επίσης οπτικές μονάδες υψηλής απόδοσης και εξελιγμένα οπτικά συστήματα.
Καμία οπτική διασπορά στο σύννεφο φυσαλίδων
Στην τελευταία εργασία, ο Chang και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν μια νέα προσέγγιση στην οποία χρησιμοποιούν υπερήχους υψηλής έντασης για να δημιουργήσουν φυσαλίδες αερίου στον όγκο του ιστού που βρίσκεται μπροστά από το επίπεδο απεικόνισης. Για να αποτρέψουν την κατάρρευση των φυσαλίδων και πιθανή ζημιά στον ιστό, οι ερευνητές μετέδιδαν υπερήχους χαμηλής έντασης συνεχώς κατά τη διάρκεια της διαδικασίας απεικόνισης με μικροσκόπιο σάρωσης λέιζερ, διατηρώντας μια συνεχή ροή φυσαλίδων σε όλη τη διάρκεια. Βρήκαν ότι όταν η συγκέντρωση των φυσαλίδων αερίου στον όγκο είναι υψηλότερη από 90%, τα φωτόνια από το λέιζερ απεικόνισης δεν βιώνουν σχεδόν καμία οπτική σκέδαση μέσα στην περιοχή των φυσαλίδων αερίου (που ονομάζεται «σύννεφο φυσαλίδων»). Αυτό συμβαίνει επειδή οι προσωρινά δημιουργημένες φυσαλίδες αερίου μειώνουν την οπτική σκέδαση προς την ίδια κατεύθυνση με τη διάδοση του προσπίπτοντος φωτός, αυξάνοντας έτσι το βάθος διείσδυσής του.
«Ως αποτέλεσμα, το λέιζερ μπορεί να εστιαστεί σφιχτά στο επίπεδο απεικόνισης, πέρα από το οποίο η συμβατική μικροσκοπία σάρωσης λέιζερ δεν μπορεί να αποκτήσει ευκρινείς εικόνες», λέει ο Chang. Κόσμος Φυσικής. "Αυτό το φαινόμενο είναι ανάλογο με το οπτικό καθάρισμα που βασίζεται σε χημικούς παράγοντες, γι' αυτό ονομάσαμε την προσέγγισή μας οπτική μικροσκοπία καθαρισμού που προκαλείται από υπερήχους (US-OCM)."
Σε αντίθεση με τις συμβατικές μεθόδους οπτικού καθαρισμού, το UC-OCM μπορεί να εντοπίσει το οπτικό καθάρισμα στην περιοχή ενδιαφέροντος και να επαναφέρει τις αρχικές οπτικές ιδιότητες στην περιοχή μόλις απενεργοποιηθεί η ροή φυσαλίδων. Αυτό σημαίνει ότι η τεχνική θα πρέπει να είναι ακίνδυνη για τους ζωντανούς ιστούς.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, οι οποίοι αναλύουν το έργο τους σε Φύση φωτονική, το κύριο πλεονέκτημα του US-OCM είναι: η αύξηση του βάθους απεικόνισης κατά περισσότερο από έξι με ανάλυση παρόμοια με αυτή της συμβατικής μικροσκοπίας λέιζερ. γρήγορη λήψη δεδομένων εικόνας και ανακατασκευή εικόνας (απαιτούνται μόλις 125 χιλιοστά του δευτερολέπτου για ένα καρέ εικόνας που αποτελείται από 403 x 403 pixel). και εύκολες στη λήψη τρισδιάστατων εικόνων.
Και δεν είναι μόνο αυτό: η ομάδα επισημαίνει ότι η εφαρμογή της νέας μεθόδου απαιτεί μόνο μια σχετικά απλή ακουστική μονάδα (ένας ενιαίος μορφοτροπέας υπερήχων και ένα σύστημα οδήγησης μορφοτροπέα) που πρέπει να προστεθεί σε μια συμβατική ρύθμιση μικροσκοπίου σάρωσης λέιζερ. Η τεχνική θα μπορούσε επίσης να επεκταθεί σε άλλες τεχνικές μικροσκοπίας σάρωσης με λέιζερ όπως η πολυφωτονική και η φωτοακουστική μικροσκοπία.
Υπέρηχος και φως συνδυάζονται εύκολα
«Προσωπικά πιστεύω ότι η ανάπτυξη της υβριδικής τεχνολογίας είναι μια από τις νέες κατευθύνσεις έρευνας και ο υπέρηχος και το φως συνδυάζονται σχετικά εύκολα για να μεγιστοποιήσουν τα πλεονεκτήματά τους ενώ συμπληρώνουν ο ένας τα μειονεκτήματα του άλλου», λέει ο Chang. «Οι ερευνητές που εργάζονται στον τομέα των υπερήχων γνώριζαν εδώ και πολύ καιρό ότι ο ισχυρός υπέρηχος μπορεί να δημιουργήσει φυσαλίδες αερίου στον βιολογικό ιστό και ότι μπορούν να εξαφανιστούν εντελώς χωρίς να καταστρέψουν τον ιστό».
Η σκέδαση Kerker εντοπίζει τα σωματίδια με υποατομική ακρίβεια
Η ιδέα για το πείραμα προέκυψε κατά τη διάρκεια συζητήσεων με το μέλος της ομάδας Jae Youn Hwang, ειδικό στην οπτική στο DGIST. Η σκέψη ήταν ότι οι φυσαλίδες αερίου που προκαλούνται από υπερήχους θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως οπτικός παράγοντας καθαρισμού εάν μπορούσαν με κάποιο τρόπο να δημιουργήσουν πυκνά συσσωρευμένες φυσαλίδες στην περιοχή ενδιαφέροντος. «Ο συμβατικός οπτικός καθαρισμός βασίζεται στο γεγονός ότι η οπτική σκέδαση είναι ελάχιστη όταν οι δείκτες διάθλασης των σκεδαστών φωτός στον ιστό είναι παρόμοιοι μεταξύ τους», εξηγεί ο Chang. «Χημικοί παράγοντες χρησιμοποιούνται για τη μείωση του υψηλού δείκτη διάθλασης των σκεδαστών, έτσι ώστε να προσεγγίζει αυτόν του ίδιου του ιστού».
Σύμφωνα με την ομάδα του DGIST, η τεχνική μπορεί να χρησιμοποιηθεί για απεικόνιση εγκεφαλικού ιστού υψηλής ανάλυσης, έγκαιρη διάγνωση της νόσου του Αλτσχάιμερ και ακριβή διάγνωση καρκινικού ιστού σε συνδυασμό με τεχνολογία ενδοσκοπίου. «Πιστεύω επίσης ότι η βασική ιδέα αυτής της μελέτης μπορεί να εφαρμοστεί σε οπτικές θεραπείες, όπως οι φωτοθερμικές και φωτοδυναμικές θεραπείες για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητάς τους, επειδή υποφέρουν επίσης από περιορισμένη διείσδυση φωτός», λέει ο Chang.
