Ühendkuningriigi teadlaste meeskond on välja töötanud uudse endoskoobi, mis kasutab heli ja valgust koeproovide pildistamiseks molekulaarsel skaalal, mis põhineb detektoril, mis on piisavalt väike, et see mahuks meditsiinilise nõela sisse. Oma uuringus Wenfeng Xia ja kolleegid aadressil King's College London ja University College London täiustas mitmeid fotoakustilise pildistamise tehnika põhiaspekte – tagades kiire pildistamisaja ilma vajaliku varustuse suurust ohverdamata.
Fotoakustiline endoskoopia on tipptasemel tehnika, mis ühendab ultraheli ja optilise endoskoopilise kujutisega 3D-meditsiiniliste kujutiste loomiseks. See toimib, saates läbi endoskoobi optilise kiu laserimpulsse, mis neelavad kehasisesed mikroskoopilised struktuurid. Valguse energiat neelades tekitavad need struktuurid akustilisi laineid – need kogutakse ise piesoelektrilise ultrahelidetektori abil ja muudetakse kujutisteks.
See meetod võimaldab teadlastel välja valida laia valikut mikroskoopilisi struktuure: üksikutest rakkudest DNA ahelateni. See käsitleb juba paljusid puhtalt optiliste endoskoopide piiranguid, sealhulgas nende võimetust tungida läbi rohkem kui mõne rakukihi. Vaatamata nendele eelistele on fotoakustilisel endoskoopial siiski kompromiss: suurema pildistamiskiiruse saavutamiseks on vaja mahukamaid ja kulukamaid ultrahelidetektoreid, mis piirab selle rakendatavust minimaalselt invasiivses kirurgias.
Selle väljakutse lahendamiseks on Xia meeskond kasutusele võtnud uue lähenemisviisi. Disain – teatatud aastal Biomedical Optics Express – esiteks on „digitaalne mikropeegel”, mis sisaldab ligi miljonist mikroskoopilisest peeglist koosnevat massiivi, mille iga asendit saab kiiresti reguleerida. Teadlased kasutasid seda seadistust proovide skaneerimiseks kasutatavate laserkiirte lainefrontide täpseks kujundamiseks.
Piesoelektrilise ultrahelidetektori asemel võtsid teadlased kasutusele palju vähem mahuka optilise mikroresonaatori. See seade, mis sobib optilise kiu otsa, sisaldab deformeeritavat epoksiidist vahetükki, mis on asetatud paari spetsiaalse peegli vahele. Sissetulevad ultrahelilained deformeerivad epoksiidi, muutes peeglite vahelist kaugust. See toob kaasa muutused mikroresonaatori peegeldusvõime muutumises, kuna endoskoopi skaneeritakse proovide pealt rasterskaneerimisega.
Teise laseriga küsitlemisel, mis suunatakse endoskoobi otsa piki eraldi optilist kiudu, muudavad need variatsioonid piki kiudu tagasi peegelduva valguse hulka. Neid muutusi jälgides saab meeskonna väljatöötatud algoritm luua proovist pilte ja kasutada neid, et arvutada, kuidas skaneeriva laseri lainefrondit saab reguleerida optimaalsemate kujutiste saamiseks. Selle teabe põhjal reguleeritakse digitaalset mikropeeglit vastavalt ja protsess kordub.
Reguleerides skaneeriva laserkiire fookuskaugust, saab endoskoop skaneerida ka proove nende pindadelt kuni 20 µm sügavuseni – võimaldades Xia meeskonnal luua reaalajas optimeeritud 3D-kujutisi.
Nende ainulaadsete võimaluste demonstreerimiseks kasutasid teadlased oma seadet hiire punaste vereliblede klastri pildistamiseks, mis olid laiali umbes 100 µm. Fotoakustiliste skaneeringute mosaiigi kokku õmmeldes valmistas endoskoop rakkudest 3D-kujutisi kiirusega umbes 3 kaadrit sekundis.
Oma edule tuginedes loodavad Xia ja kolleegid nüüd, et nende endoskoop võib inspireerida uusi edusamme minimaalselt invasiivse kirurgia vallas, võimaldades arstidel hinnata kudede molekulaarset ja rakulist ülesehitust reaalajas. Tulevaste uuringute käigus püüab meeskond uurida, kuidas tehisintellekt võiks aidata fotoakustilise pildistamise kiirust veelgi suurendada.
