Hamburan optik adalah masalah nyata dalam pencitraan biologis. Dengan mencegah cahaya terfokus jauh ke dalam jaringan biologis, efek hamburan membatasi kedalaman pencitraan hingga sekitar 100 mikron, sehingga hanya menghasilkan gambar buram di luarnya. Sebuah teknik baru yang disebut mikroskop kliring optik yang diinduksi ultrasound dapat meningkatkan jarak ini lebih dari enam kali lipat, berkat langkah yang agak berlawanan dengan intuisi dengan memasukkan lapisan gelembung gas ke area yang sedang dicitrakan. Menambahkan lapisan gelembung ini memastikan bahwa foton tidak menyimpang saat merambat melalui sampel.
Hamburan optik terjadi ketika cahaya berinteraksi dengan struktur yang lebih kecil dari panjang gelombangnya. Cahaya datang mengganggu elektron dalam struktur, membentuk momen dipol berosilasi yang memancarkan kembali cahaya ke berbagai arah.
“Teknik seperti mikroskop confocal banyak digunakan dalam penelitian ilmu kehidupan seperti kanker dan pencitraan jaringan otak, namun terbatas karena masalah ini,” jelasnya. Jin Ho Chang di DJI (Institut Sains dan Teknologi Daegu Gyeongbuk) di Korea. “Keterbatasan kedalaman pencitraan terutama disebabkan oleh foton yang datang yang sangat dibelokkan dari arah propagasi aslinya sebagai akibat dari hamburan optik. Memang benar, jumlah foton yang tidak tersebar berkurang secara eksponensial seiring dengan jarak yang ditempuh foton, sehingga cahaya tidak dapat terfokus secara rapat setelah kedalaman sekitar 100 mikron.”
Meskipun para peneliti telah mengembangkan berbagai jenis teknik pembentukan muka gelombang cahaya untuk mengatasi keterbatasan ini, tidak ada satupun yang dapat digunakan untuk mengambil gambar tiga dimensi. Teknik-teknik lain ini juga memerlukan modul optik berkinerja tinggi dan sistem optik canggih.
Tidak ada hamburan optik di awan gelembung
Dalam karya terbarunya, Chang dan rekannya mengembangkan pendekatan baru di mana mereka menggunakan ultrasound intensitas tinggi untuk menghasilkan gelembung gas dalam volume jaringan yang terletak di depan bidang pencitraan. Untuk mencegah gelembung agar tidak pecah dan kemungkinan merusak jaringan, para peneliti mentransmisikan ultrasound intensitas rendah secara terus menerus selama proses pencitraan mikroskop pemindaian laser, mempertahankan aliran gelembung yang terus menerus ke seluruh bagian. Mereka menemukan bahwa ketika konsentrasi gelembung gas dalam volume lebih tinggi dari 90%, foton dari laser pencitraan hampir tidak mengalami hamburan optik di dalam wilayah gelembung gas (dijuluki “awan gelembung”). Hal ini karena gelembung gas yang tercipta sementara mengurangi hamburan optik searah dengan perambatan cahaya datang, sehingga meningkatkan kedalaman penetrasi.
“Hasilnya, laser dapat terfokus secara ketat pada bidang pencitraan, sehingga mikroskop pemindaian laser konvensional tidak dapat memperoleh gambar yang tajam,” kata Chang. Dunia Fisika. “Fenomena ini analog dengan pembersihan optik berdasarkan bahan kimia, jadi kami menamai pendekatan kami dengan mikroskop pembersihan optik yang diinduksi ultrasonik (US-OCM).”
Tidak seperti metode pembersihan optik konvensional, UC-OCM dapat melokalisasi pembersihan optik di wilayah yang diinginkan dan mengembalikan sifat optik asli ke wilayah tersebut setelah fluks gelembung dimatikan. Hal ini berarti teknik tersebut tidak berbahaya bagi jaringan hidup.
Menurut para peneliti, yang merinci pekerjaan mereka Alam Photonics, keuntungan utama US-OCM adalah: peningkatan kedalaman pencitraan lebih dari enam kali lipat dengan resolusi yang mirip dengan mikroskop laser konvensional; akuisisi data gambar dan rekonstruksi gambar yang cepat (hanya diperlukan 125 milidetik untuk satu bingkai gambar yang terdiri dari 403 x 403 piksel); dan gambar 3D yang mudah diperoleh.
Dan bukan itu saja: tim menunjukkan bahwa penerapan metode baru ini hanya memerlukan modul akustik yang relatif sederhana (transduser ultrasonik tunggal dan sistem penggerak transduser) untuk ditambahkan ke pengaturan mikroskop pemindaian laser konvensional. Teknik ini juga dapat diperluas ke teknik mikroskop pemindaian laser lainnya seperti mikroskop multifoton dan fotoakustik.
Ultrasonografi dan cahaya mudah dipadukan
“Saya pribadi percaya bahwa pengembangan teknologi hibrida adalah salah satu arah penelitian baru, dan USG dan cahaya relatif mudah digabungkan untuk memaksimalkan keunggulannya sekaligus melengkapi kelemahan satu sama lain,” kata Chang. “Para peneliti yang bekerja di bidang USG telah lama mengetahui bahwa USG yang kuat dapat menciptakan gelembung gas di jaringan biologis dan dapat hilang sepenuhnya tanpa merusak jaringan.”
Hamburan Kerker menempatkan partikel dengan presisi subatomik
Ide eksperimen ini muncul saat berdiskusi dengan anggota tim Jae Youn Hwang, spesialis optik di DGIST. Pemikirannya adalah bahwa gelembung gas yang diinduksi oleh ultrasound dapat digunakan sebagai bahan pembersih optik jika gelembung tersebut dapat menciptakan gelembung padat di area yang diteliti. “Pembersihan optik konvensional bergantung pada fakta bahwa hamburan optik minimal ketika indeks bias hamburan cahaya di jaringan serupa satu sama lain,” jelas Chang. “Agen kimia digunakan untuk mengurangi indeks bias hamburan yang tinggi sehingga mendekati indeks bias jaringan itu sendiri.”
Menurut tim DGIST, teknik ini mungkin dapat digunakan untuk pencitraan jaringan otak beresolusi tinggi, diagnosis dini penyakit Alzheimer, dan diagnosis tepat jaringan kanker yang dikombinasikan dengan teknologi endoskopi. “Saya juga percaya bahwa konsep dasar penelitian ini dapat diterapkan pada terapi optik, seperti terapi fototermal dan fotodinamik untuk meningkatkan kemanjurannya karena mereka juga mengalami keterbatasan penetrasi cahaya,” kata Chang.
