Yhdistyneen kuningaskunnan tutkijoiden ryhmä on suunnitellut uuden endoskoopin, joka käyttää ääntä ja valoa kudosnäytteiden kuvaamiseen molekyylimittakaavassa. Se perustuu ilmaisimen ympärille, joka on tarpeeksi pieni mahtumaan lääketieteellisen neulan sisään. Heidän tutkimuksessaan Wenfeng Xia ja kollegat osoitteessa King's College London ja University College London paransi useita fotoakustisen kuvantamistekniikan keskeisiä näkökohtia – varmisti nopeat kuvausajat tinkimättä tarvittavan laitteiston koosta.
Fotoakustinen endoskopia on huippuluokan tekniikka, joka yhdistää ultraäänen optiseen endoskooppiseen kuvantamiseen 3D-lääketieteellisten kuvien luomiseksi. Se toimii lähettämällä laserpulsseja endoskoopin optisen kuidun läpi, jotka kehon sisällä olevat mikroskooppiset rakenteet absorboivat. Kun ne absorboivat valon energiaa, nämä rakenteet synnyttävät akustisia aaltoja, jotka itse poimitaan pietsosähköisellä ultraäänitunnistimella ja muunnetaan kuviksi.
Tekniikan avulla tutkijat voivat poimia monenlaisia mikroskooppisia rakenteita: yksittäisistä soluista DNA-säikeisiin. Se käsittelee jo monia puhtaasti optisten endoskooppien rajoituksia, mukaan lukien niiden kyvyttömyys tunkeutua useamman kuin muutaman solukerroksen läpi. Näistä eduista huolimatta fotoakustiseen endoskopiaan liittyy silti kompromissi: suurempien kuvantamisnopeuksien saavuttamiseksi se vaatii kookkaampia ja kalliimpia ultraäänidetektoreja, mikä rajoittaa sen soveltuvuutta minimaalisesti invasiivisessa leikkauksessa.
Vastatakseen tähän haasteeseen Xian tiimi on ottanut käyttöön uuden lähestymistavan. Suunnittelu - raportoitu Biolääketieteen optiikka Express – Ensin on "digitaalinen mikropeili", joka sisältää joukon lähes miljoona mikroskooppista peiliä, joiden jokaisen asentoa voidaan säätää nopeasti. Tutkijat käyttivät tätä asetusta muotoilemaan tarkasti näytteiden skannaukseen käytettyjen lasersäteiden aaltorintamat.
Pietsosähköisen ultraäänidetektorin sijasta tutkijat esittelivät paljon vähemmän tilaa vievän optisen mikroresonaattorin. Tämä optisen kuidun kärkeen sovitettu laite sisältää muotoaan muuttavan epoksivälikkeen, joka on asetettu kahden erikoispeilin väliin. Saapuvat ultraääniaallot muuttavat epoksia ja muuttavat peilien välistä etäisyyttä. Tämä johtaa muutoksiin mikroresonaattorin heijastavuuden muutoksissa, kun endoskooppia rasteriskannataan näytteiden yli.
Kun kysellään toisella laserilla, joka toimitetaan endoskoopin kärkeen erillistä optista kuitua pitkin, nämä vaihtelut muuttavat kuitua pitkin takaisin heijastuneen valon määrää. Seuraamalla näitä muutoksia ryhmän kehittämä algoritmi voi muodostaa kuvia näytteestä ja laskea niiden avulla, kuinka skannaavan laserin aaltorintamaa voidaan säätää optimaalisempien kuvien tuottamiseksi. Näillä tiedoilla digitaalinen mikropeili säädetään vastaavasti ja prosessi toistuu.
Säätämällä skannaavan lasersäteen polttoväliä endoskooppi voi myös skannata näytteitä niiden pinnoilta 20 µm:n syvyyteen saakka – jolloin Xian tiimi voi rakentaa optimoituja 3D-kuvia reaaliajassa.
Näiden ainutlaatuisten ominaisuuksien osoittamiseksi tutkijat käyttivät laitettaan kuvaamaan hiiren punasolujen klusterin, joka oli levinnyt noin 100 µm:n alueelle. Ompelemalla yhteen fotoakustisten skannausten mosaiikki, endoskooppi tuotti 3D-kuvia soluista noin 3 kuvaa sekunnissa.
Menestyksensä perusteella Xia ja kollegat toivovat nyt, että heidän endoskooppinsa voisi innostaa uusia edistysaskeleita minimaalisesti invasiivisessa kirurgiassa, jolloin kliinikot voivat arvioida kudosten molekyyli- ja solumittakaavaa reaaliajassa. Tulevissa tutkimuksissa tiimi pyrkii tutkimaan, kuinka tekoäly voisi auttaa lisäämään fotoakustisen kuvantamisen nopeuksia entisestään.
