La dispersión óptica es un problema real para las imágenes biológicas. Al evitar que la luz se enfoque profundamente en el tejido biológico, los efectos de dispersión limitan la profundidad de las imágenes a alrededor de 100 micrones, produciendo sólo imágenes borrosas más allá. Una nueva técnica llamada microscopía de limpieza óptica inducida por ultrasonido podría aumentar esta distancia en más de un factor de seis, gracias al paso algo contraintuitivo de insertar una capa de burbujas gaseosas en el área que se está tomando la imagen. Agregar esta capa de burbujas asegura que los fotones no se desvíen mientras se propagan a través de la muestra.
La dispersión óptica ocurre cuando la luz interactúa con estructuras más pequeñas que su longitud de onda. La luz incidente perturba los electrones en la estructura, formando momentos dipolares oscilantes que reemiten la luz en muchas direcciones diferentes.
"Técnicas como la microscopía confocal se emplean ampliamente en la investigación de ciencias biológicas, como el cáncer y la obtención de imágenes del tejido cerebral, pero están limitadas debido a este problema", explica Jin Ho Chang en el DGIST (Instituto Daegu Gyeongbuk de Ciencia y Tecnología) en Corea. “La limitación de la profundidad de la imagen se debe principalmente a que los fotones incidentes se desvían gravemente de sus direcciones de propagación originales como resultado de la dispersión óptica. De hecho, el número de fotones no dispersos disminuye exponencialmente con la distancia recorrida por los fotones, por lo que la luz no puede enfocarse con precisión después de una profundidad de aproximadamente 100 micrones”.
Si bien los investigadores han desarrollado varios tipos de técnicas de formación de frentes de onda de luz para abordar esta limitación, ninguna de ellas puede usarse para tomar imágenes tridimensionales. Estas otras técnicas también requieren módulos ópticos de alto rendimiento y sistemas ópticos sofisticados.
Sin dispersión óptica en la nube de burbujas.
En el último trabajo, Chang y sus colegas desarrollaron un nuevo enfoque en el que utilizan ultrasonido de alta intensidad para generar burbujas de gas en el volumen de tejido ubicado frente al plano de imagen. Para evitar que las burbujas colapsen y posiblemente dañen el tejido, los investigadores transmitieron ultrasonidos de baja intensidad continuamente durante el proceso de obtención de imágenes con microscopio de barrido láser y mantuvieron un flujo continuo de burbujas en todo momento. Descubrieron que cuando la concentración de burbujas de gas en el volumen es superior al 90%, los fotones del láser de imágenes apenas experimentan dispersión óptica dentro de la región de las burbujas de gas (la denominada “nube de burbujas”). Esto se debe a que las burbujas de gas creadas temporalmente reducen la dispersión óptica en la misma dirección que la propagación de la luz incidente, aumentando así su profundidad de penetración.
"Como resultado, el láser se puede enfocar estrechamente en el plano de la imagen, más allá del cual la microscopía de barrido láser convencional no puede adquirir imágenes nítidas", dice Chang. Mundo de la física. "Este fenómeno es análogo a la limpieza óptica basada en agentes químicos, por lo que llamamos a nuestro enfoque microscopía de limpieza óptica inducida por ultrasonido (US-OCM)".
A diferencia de los métodos de limpieza óptica convencionales, UC-OCM puede localizar la limpieza óptica en la región de interés y restaurar las propiedades ópticas originales de la región una vez que se apaga el flujo de burbujas. Esto implica que la técnica debería ser inofensiva para el tejido vivo.
Según los investigadores, que detallan su trabajo en Naturaleza Fotónica, las principales ventajas de US-OCM son: un aumento de la profundidad de la imagen en un factor de más de seis con una resolución similar a la de la microscopía láser convencional; rápida adquisición de datos de imágenes y reconstrucción de imágenes (solo se requieren 125 milisegundos para una imagen de cuadro que consta de 403 x 403 píxeles); e imágenes en 3D fáciles de obtener.
Y eso no es todo: el equipo señala que la implementación del nuevo método requiere solo agregar un módulo acústico relativamente simple (un único transductor de ultrasonido y un sistema de accionamiento del transductor) a una configuración de microscopía de barrido láser convencional. La técnica también podría extenderse a otras técnicas de microscopía de barrido láser, como la microscopía multifotónica y fotoacústica.
Ultrasonido y luz fáciles de combinar.
"Personalmente creo que el desarrollo de la tecnología híbrida es una de las nuevas direcciones de investigación, y el ultrasonido y la luz son relativamente fáciles de combinar para maximizar sus ventajas y al mismo tiempo complementar las desventajas de cada uno", dice Chang. "Los investigadores que trabajan en el campo de la ecografía saben desde hace mucho tiempo que los ultrasonidos potentes pueden crear burbujas de gas en el tejido biológico y que pueden desaparecer por completo sin dañar el tejido".
La dispersión de Kerker localiza partículas con precisión subatómica
La idea del experimento surgió durante las conversaciones con el miembro del equipo Jae Youn Hwang, especialista en óptica de la DGIST. La idea era que las burbujas de gas inducidas por ultrasonidos podrían usarse como agente de limpieza óptica si de alguna manera pudieran crear burbujas densas en el área de interés. "La limpieza óptica convencional se basa en el hecho de que la dispersión óptica es mínima cuando los índices de refracción de los dispersores de luz en el tejido son similares entre sí", explica Chang. "Se emplean agentes químicos para reducir el alto índice de refracción de los dispersores de modo que se acerque al del propio tejido".
Según el equipo de DGIST, la técnica podría usarse para obtener imágenes de tejido cerebral de alta resolución, diagnóstico temprano de la enfermedad de Alzheimer y diagnóstico preciso de tejido canceroso en combinación con tecnología de endoscopio. "También creo que el concepto básico de este estudio se puede aplicar a las terapias ópticas, como las terapias fototérmicas y fotodinámicas, para mejorar su eficacia porque también adolecen de una penetración de luz limitada", dice Chang.
