Μια ομάδα βρετανών ερευνητών σχεδίασε ένα νέο ενδοσκόπιο που χρησιμοποιεί ήχο και φως για να απεικονίσει δείγματα ιστών σε μοριακές κλίμακες, βασισμένο γύρω από έναν ανιχνευτή που είναι αρκετά μικρός ώστε να χωράει μέσα σε μια ιατρική βελόνα. Στη μελέτη τους, Wenfeng Xia και συναδέλφους στο King's College του Λονδίνου και University College του Λονδίνου βελτίωσε αρκετές βασικές πτυχές της τεχνικής φωτοακουστικής απεικόνισης – εξασφαλίζοντας γρήγορους χρόνους απεικόνισης χωρίς να θυσιάζει το μέγεθος του απαιτούμενου εξοπλισμού.
Η φωτοακουστική ενδοσκόπηση είναι μια τεχνική αιχμής που συνδυάζει τον υπέρηχο με την οπτική ενδοσκοπική απεικόνιση για τη δημιουργία τρισδιάστατων ιατρικών εικόνων. Λειτουργεί στέλνοντας παλμούς λέιζερ μέσω της οπτικής ίνας ενός ενδοσκοπίου, οι οποίοι απορροφώνται από μικροσκοπικές δομές μέσα στο σώμα. Καθώς απορροφούν την ενέργεια του φωτός, αυτές οι δομές παράγουν ακουστικά κύματα – τα οποία συλλαμβάνονται οι ίδιες από έναν πιεζοηλεκτρικό ανιχνευτή υπερήχων και μετατρέπονται σε εικόνες.
Η τεχνική επιτρέπει στους ερευνητές να διαλέξουν ένα ευρύ φάσμα μικροσκοπικών δομών: από μεμονωμένα κύτταρα έως κλώνους DNA. Ήδη αντιμετωπίζει πολλούς περιορισμούς των αμιγώς οπτικών ενδοσκοπίων, συμπεριλαμβανομένης της αδυναμίας τους να διεισδύσουν μέσα από περισσότερα από λίγα στρώματα κυττάρων. Ωστόσο, παρά αυτά τα πλεονεκτήματα, η φωτοακουστική ενδοσκόπηση εξακολουθεί να αντιμετωπίζει ένα συμβιβασμό: για να επιτευχθούν υψηλότερες ταχύτητες απεικόνισης, απαιτούνται πιο ογκώδεις, πιο δαπανηροί ανιχνευτές υπερήχων, περιορίζοντας την εφαρμογή της σε ελάχιστα επεμβατική χειρουργική.
Για να αντιμετωπίσει αυτή την πρόκληση, η ομάδα της Xia εισήγαγε μια νέα προσέγγιση. Ο σχεδιασμός – αναφέρεται στο Biomedical Optics Express – διαθέτει αρχικά έναν «ψηφιακό μικροκαθρέφτη» που περιέχει μια σειρά από σχεδόν ένα εκατομμύριο μικροσκοπικά κάτοπτρα, των οποίων οι θέσεις μπορούν να ρυθμιστούν γρήγορα. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτή τη ρύθμιση για να διαμορφώσουν με ακρίβεια τα μέτωπα κύματος των ακτίνων λέιζερ που χρησιμοποιούνται για τη σάρωση δειγμάτων.
Αντί για έναν πιεζοηλεκτρικό ανιχνευτή υπερήχων, οι ερευνητές εισήγαγαν έναν πολύ λιγότερο ογκώδη οπτικό μικροσυντονιστή. Εφαρμόζεται στο άκρο μιας οπτικής ίνας, αυτή η συσκευή περιέχει ένα παραμορφώσιμο εποξειδικό διαχωριστικό τοποθετημένο ανάμεσα σε ένα ζευγάρι εξειδικευμένων καθρεπτών. Τα εισερχόμενα υπερηχητικά κύματα παραμορφώνουν την εποξειδική, αλλάζοντας την απόσταση μεταξύ των κατόπτρων. Αυτό οδηγεί σε αλλαγές στις αλλαγές της ανακλαστικότητας του μικροσυντονιστή καθώς το ενδοσκόπιο σαρώνεται με ράστερ πάνω από δείγματα.
Όταν ερωτώνται με ένα δεύτερο λέιζερ, που παρέχεται στην άκρη του ενδοσκοπίου κατά μήκος μιας ξεχωριστής οπτικής ίνας, αυτές οι παραλλαγές μεταβάλλουν την ποσότητα του φωτός που ανακλάται πίσω κατά μήκος της ίνας. Παρακολουθώντας αυτές τις αλλαγές, ένας αλγόριθμος που αναπτύχθηκε από την ομάδα μπορεί να δημιουργήσει εικόνες του δείγματος και να τις χρησιμοποιήσει για να υπολογίσει πώς μπορεί να ρυθμιστεί το μέτωπο κύματος του λέιζερ σάρωσης για να παράγει πιο βέλτιστες εικόνες. Με αυτές τις πληροφορίες, ο ψηφιακός μικροκαθρέφτης ρυθμίζεται ανάλογα και η διαδικασία επαναλαμβάνεται.
Προσαρμόζοντας την εστιακή απόσταση της δέσμης λέιζερ σάρωσης, το ενδοσκόπιο μπορεί επίσης να σαρώσει δείγματα από τις επιφάνειές τους σε βάθη 20 μm – επιτρέποντας στην ομάδα της Xia να δημιουργήσει βελτιστοποιημένες τρισδιάστατες εικόνες σε πραγματικό χρόνο.
Για να επιδείξουν αυτές τις μοναδικές ικανότητες, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τη συσκευή τους για να απεικονίσουν ένα σύμπλεγμα ερυθρών αιμοσφαιρίων ποντικιού, απλωμένα σε μια περιοχή πλάτους περίπου 100 μm. Με τη συρραφή ενός μωσαϊκού φωτοακουστικών σαρώσεων, το ενδοσκόπιο παρήγαγε τρισδιάστατες εικόνες των κυττάρων, με ταχύτητες περίπου 3 καρέ ανά δευτερόλεπτο.
Με βάση την επιτυχία τους, η Xia και οι συνεργάτες τους ελπίζουν τώρα ότι το ενδοσκόπιό τους θα μπορούσε να εμπνεύσει νέες προόδους στην ελάχιστα επεμβατική χειρουργική – επιτρέποντας στους κλινικούς γιατρούς να αξιολογήσουν τη σύνθεση των ιστών σε μοριακή και κυτταρική κλίμακα σε πραγματικό χρόνο. Σε μελλοντικές μελέτες, η ομάδα θα επιδιώξει να διερευνήσει πώς η τεχνητή νοημοσύνη θα μπορούσε να βοηθήσει στην περαιτέρω ενίσχυση των ταχυτήτων φωτοακουστικής απεικόνισης.
