Egy brit kutatócsoport új endoszkópot tervezett, amely hangot és fényt használ a szövetminták molekuláris skálán történő leképezésére, egy olyan detektor köré épülve, amely elég kicsi ahhoz, hogy elférjen egy orvosi tűben. Tanulmányukban Wenfeng Xia és kollégái a címen King's College London és a University College London továbbfejlesztette a fotoakusztikus képalkotási technika számos kulcsfontosságú szempontját – gyors képalkotási időt biztosítva a szükséges berendezés méretének feláldozása nélkül.
A fotoakusztikus endoszkópia egy élvonalbeli technika, amely az ultrahangot optikai endoszkópos képalkotással kombinálja 3D orvosi képek készítéséhez. Úgy működik, hogy lézerimpulzusokat küld ki az endoszkóp optikai szálán keresztül, amelyeket a testen belüli mikroszkopikus struktúrák abszorbeálnak. Amint elnyelik a fényenergiát, ezek a struktúrák akusztikus hullámokat generálnak – amelyeket egy piezoelektromos ultrahangdetektor érzékel, és képpé alakít.
A technika lehetővé teszi a kutatók számára, hogy mikroszkopikus struktúrák széles skáláját válasszák ki: az egyes sejtektől a DNS-szálakig. Már most foglalkozik a tisztán optikai endoszkópok számos korlátjával, beleértve azt is, hogy képtelenek áthatolni néhány sejtrétegnél többen. Azonban ezen előnyök ellenére a fotoakusztikus endoszkópia még mindig kompromisszum előtt áll: a nagyobb képalkotási sebesség elérése érdekében terjedelmesebb, költségesebb ultrahangdetektorokra van szükség, ami korlátozza alkalmazhatóságát a minimálisan invazív sebészetben.
Ennek a kihívásnak a megoldására a Xia csapata új megközelítést vezetett be. A dizájn – jelentették be Biomedical Optics Express – először egy „digitális mikrotükör”, amely közel egymillió mikroszkopikus tükröt tartalmaz, amelyek helyzete gyorsan állítható. A kutatók ezzel a beállítással precízen alakították a minták átvizsgálására használt lézersugarak hullámfrontjait.
A piezoelektromos ultrahangdetektor helyett a kutatók egy sokkal kevésbé terjedelmes optikai mikrorezonátort vezettek be. Ez az optikai szál hegyére szerelt eszköz deformálható epoxi távtartót tartalmaz, amely egy pár speciális tükör közé van behelyezve. A bejövő ultrahang hullámok deformálják az epoxit, megváltoztatva a tükrök közötti távolságot. Ez változásokhoz vezet a mikrorezonátor reflexiós képességében, amikor az endoszkópot raszteresen pásztázik a mintákon.
Amikor egy második lézerrel lekérdezzük, amelyet egy külön optikai szál mentén juttatunk az endoszkóp hegyére, ezek a változások megváltoztatják a szál mentén visszaverődő fény mennyiségét. A változások nyomon követésével a csapat által kifejlesztett algoritmus képeket készíthet a mintáról, és ezek alapján kiszámíthatja, hogyan lehet a pásztázó lézer hullámfrontját beállítani optimálisabb képek előállításához. Ezzel az információval a digitális mikrotükör ennek megfelelően be van állítva, és a folyamat megismétlődik.
A pásztázó lézersugár gyújtótávolságának beállításával az endoszkóp a felületükről 20 µm mélységig képes mintákat szkennelni – így a Xia csapata valós időben optimalizált 3D képeket készíthet.
Ezen egyedülálló képességek bemutatására a kutatók eszközükkel egér vörösvértestek csoportját vették fel, amelyek nagyjából 100 µm átmérőjű területen helyezkednek el. A fotoakusztikus szkennelések mozaikjának összefűzésével az endoszkóp 3D-s képeket készített a sejtekről, körülbelül 3 képkocka/másodperc sebességgel.
Sikerük alapján Xia és munkatársai most abban reménykednek, hogy endoszkópjuk új fejleményeket inspirálhat a minimálisan invazív sebészetben – lehetővé téve a klinikusok számára a szövetek molekuláris és sejtszintű összetételének valós időben történő felmérését. A jövőbeni tanulmányok során a csapat arra törekszik, hogy feltárja, hogyan segíthet a mesterséges intelligencia a fotoakusztikus képalkotási sebesség további növelésében.
