अल्ट्रासाउंड से प्रेरित गैस के बुलबुले ऑप्टिकल बिखरने को कम करते हैं

जैविक इमेजिंग के लिए ऑप्टिकल स्कैटरिंग एक वास्तविक समस्या है। प्रकाश को जैविक ऊतकों में गहराई से केंद्रित होने से रोककर, प्रकीर्णन प्रभाव इमेजिंग गहराई को लगभग 100 माइक्रोन तक सीमित कर देता है, जिससे परे केवल धुंधली छवियां उत्पन्न होती हैं। अल्ट्रासाउंड-प्रेरित ऑप्टिकल क्लियरिंग माइक्रोस्कोपी नामक एक नई तकनीक इस दूरी को छह गुना से अधिक बढ़ा सकती है, जो कि छवि वाले क्षेत्र में गैसीय बुलबुले की एक परत डालने के कुछ हद तक प्रतिकूल कदम के कारण है। इस बुलबुले परत को जोड़ने से यह सुनिश्चित होता है कि नमूने के माध्यम से फैलते समय फोटॉन विचलित नहीं होते हैं।

ऑप्टिकल प्रकीर्णन तब होता है जब प्रकाश अपनी तरंग दैर्ध्य से छोटी संरचनाओं के साथ संपर्क करता है। आपतित प्रकाश संरचना में इलेक्ट्रॉनों को परेशान करता है, जिससे दोलनशील द्विध्रुवीय क्षण बनते हैं जो प्रकाश को कई अलग-अलग दिशाओं में पुनः उत्सर्जित करते हैं।

"कैंसर और मस्तिष्क ऊतक इमेजिंग जैसे जीवन विज्ञान अनुसंधान में कन्फोकल माइक्रोस्कोपी जैसी तकनीकों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, लेकिन वे इस समस्या के कारण सीमित हैं," बताते हैं जिन हो चांग पर डीजीआईएसटी (कोरिया में डेगू ग्योंगबुक इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी)। “इमेजिंग-गहराई की सीमा मुख्य रूप से ऑप्टिकल बिखरने के परिणामस्वरूप घटना फोटॉन को उनके मूल प्रसार दिशाओं से गंभीर रूप से विक्षेपित होने के कारण होती है। दरअसल, फोटॉनों द्वारा तय की गई दूरी के साथ गैर-बिखरे हुए फोटॉनों की संख्या तेजी से घट जाती है, इसलिए लगभग 100 माइक्रोन की गहराई के बाद प्रकाश को कसकर केंद्रित नहीं किया जा सकता है।

जबकि शोधकर्ताओं ने इस सीमा को संबोधित करने के लिए विभिन्न प्रकार की प्रकाश तरंग-आकार देने वाली तकनीकें विकसित की हैं, उनमें से किसी का भी उपयोग त्रि-आयामी छवियां लेने के लिए नहीं किया जा सकता है। इन अन्य तकनीकों के लिए उच्च-प्रदर्शन वाले ऑप्टिकल मॉड्यूल और परिष्कृत प्रकाशिकी प्रणालियों की भी आवश्यकता होती है।

बुलबुले वाले बादल में कोई प्रकाशीय प्रकीर्णन नहीं

नवीनतम कार्य में, चांग और सहकर्मियों ने एक नया दृष्टिकोण विकसित किया जिसमें वे इमेजिंग विमान के सामने स्थित ऊतक की मात्रा में गैस बुलबुले उत्पन्न करने के लिए उच्च तीव्रता वाले अल्ट्रासाउंड का उपयोग करते हैं। बुलबुले को ढहने और संभवतः ऊतक को नुकसान पहुंचाने से रोकने के लिए, शोधकर्ताओं ने लेजर स्कैनिंग माइक्रोस्कोप इमेजिंग प्रक्रिया के दौरान लगातार कम तीव्रता वाले अल्ट्रासाउंड प्रसारित किए, जिससे बुलबुले का निरंतर प्रवाह बना रहा। उन्होंने पाया कि जब आयतन में गैस के बुलबुले की सांद्रता 90% से अधिक होती है, तो इमेजिंग लेजर से फोटॉन गैस बुलबुले क्षेत्र (जिसे "बबल क्लाउड" कहा जाता है) के अंदर शायद ही कोई ऑप्टिकल बिखराव अनुभव करता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि अस्थायी रूप से निर्मित गैस के बुलबुले आपतित प्रकाश के प्रसार के समान दिशा में ऑप्टिकल बिखरने को कम करते हैं, जिससे इसकी प्रवेश गहराई बढ़ जाती है।

"परिणामस्वरूप, लेजर को इमेजिंग विमान पर कसकर केंद्रित किया जा सकता है, जिसके परे पारंपरिक लेजर स्कैनिंग माइक्रोस्कोपी तेज छवियां प्राप्त नहीं कर सकती है," चांग बताते हैं भौतिकी की दुनिया. "यह घटना रासायनिक एजेंटों पर आधारित ऑप्टिकल क्लियरिंग के अनुरूप है, इसलिए हमने अपने दृष्टिकोण को अल्ट्रासाउंड-प्रेरित ऑप्टिकल क्लियरिंग माइक्रोस्कोपी (यूएस-ओसीएम) नाम दिया है।"

पारंपरिक ऑप्टिकल क्लियरिंग विधियों के विपरीत, यूसी-ओसीएम रुचि के क्षेत्र में ऑप्टिकल क्लियरिंग को स्थानीयकृत कर सकता है और बबल फ्लक्स बंद होने के बाद क्षेत्र में मूल ऑप्टिकल गुणों को बहाल कर सकता है। इसका तात्पर्य यह है कि तकनीक जीवित ऊतकों के लिए हानिरहित होनी चाहिए।

शोधकर्ताओं के अनुसार, जो अपने काम का विवरण देते हैं प्रकृति फोटोनिक्स, यूएस-ओसीएम का मुख्य लाभ यह है: पारंपरिक लेजर माइक्रोस्कोपी के समान रिज़ॉल्यूशन के साथ इमेजिंग गहराई में छह गुना से अधिक की वृद्धि; तेज़ छवि डेटा अधिग्रहण और छवि पुनर्निर्माण (125 x 403 पिक्सेल वाली एक फ़्रेम छवि के लिए केवल 403 मिलीसेकंड की आवश्यकता होती है); और आसानी से प्राप्त होने वाली 3डी छवियां।

और इतना ही नहीं: टीम का कहना है कि नई पद्धति को लागू करने के लिए पारंपरिक लेजर स्कैनिंग माइक्रोस्कोपी सेटअप में जोड़े जाने वाले केवल एक अपेक्षाकृत सरल ध्वनिक मॉड्यूल (एक एकल अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर और एक ट्रांसड्यूसर-ड्राइविंग सिस्टम) की आवश्यकता होती है। इस तकनीक को अन्य लेजर स्कैनिंग माइक्रोस्कोपी तकनीकों जैसे मल्टीफोटोन और फोटोकॉस्टिक माइक्रोस्कोपी तक भी बढ़ाया जा सकता है।

अल्ट्रासाउंड और प्रकाश का संयोजन आसान है

चांग कहते हैं, "मैं व्यक्तिगत रूप से मानता हूं कि हाइब्रिड प्रौद्योगिकी का विकास नई शोध दिशाओं में से एक है, और अल्ट्रासाउंड और प्रकाश को एक-दूसरे के नुकसान को पूरक करते हुए अपने फायदे को अधिकतम करने के लिए संयोजित करना अपेक्षाकृत आसान है।" "अल्ट्रासाउंड के क्षेत्र में काम करने वाले शोधकर्ता लंबे समय से जानते हैं कि मजबूत अल्ट्रासाउंड जैविक ऊतकों में गैस के बुलबुले बना सकता है और वे ऊतक को नुकसान पहुंचाए बिना पूरी तरह से गायब हो सकते हैं।"

प्रयोग का विचार डीजीआईएसटी के प्रकाशिकी विशेषज्ञ, टीम के सदस्य जे युन ह्वांग के साथ चर्चा के दौरान आया। विचार यह था कि अल्ट्रासाउंड-प्रेरित गैस बुलबुले को ऑप्टिकल क्लीयरिंग एजेंट के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है यदि वे किसी तरह रुचि के क्षेत्र में घनीभूत बुलबुले बना सकते हैं। "पारंपरिक ऑप्टिकल क्लीयरिंग इस तथ्य पर निर्भर करती है कि जब ऊतक में प्रकाश बिखरने वालों के अपवर्तक सूचकांक एक दूसरे के समान होते हैं तो ऑप्टिकल बिखराव न्यूनतम होता है," चांग बताते हैं। "रासायनिक एजेंटों को स्कैटरर्स के उच्च अपवर्तक सूचकांक को कम करने के लिए नियोजित किया जाता है ताकि यह ऊतक के करीब पहुंच जाए।"

डीजीआईएसटी टीम के अनुसार, इस तकनीक का उपयोग एंडोस्कोप तकनीक के संयोजन में उच्च-रिज़ॉल्यूशन मस्तिष्क ऊतक इमेजिंग, अल्जाइमर रोग के शीघ्र निदान और कैंसर ऊतक के सटीक निदान के लिए किया जा सकता है। "मैं यह भी मानता हूं कि इस अध्ययन की मूल अवधारणा को उनकी प्रभावकारिता में सुधार करने के लिए फोटोथर्मल और फोटोडायनामिक थेरेपी जैसे ऑप्टिकल थेरेपी पर लागू किया जा सकता है क्योंकि वे सीमित प्रकाश प्रवेश से भी ग्रस्त हैं," चांग कहते हैं।