Lo scattering ottico è un vero problema per l'imaging biologico. Impedendo alla luce di essere focalizzata in profondità nel tessuto biologico, gli effetti di dispersione limitano la profondità dell'immagine a circa 100 micron, producendo solo immagini sfocate oltre. Una nuova tecnica chiamata microscopia di compensazione ottica indotta da ultrasuoni potrebbe aumentare questa distanza di oltre un fattore sei, grazie al passaggio alquanto controintuitivo di inserire uno strato di bolle gassose nell'area da riprendere. L'aggiunta di questo strato di bolle garantisce che i fotoni non si discostino mentre si propagano attraverso il campione.
La diffusione ottica si verifica quando la luce interagisce con strutture più piccole della sua lunghezza d'onda. La luce incidente perturba gli elettroni nella struttura, formando momenti di dipolo oscillante che riemettono la luce in molte direzioni diverse.
"Tecniche come la microscopia confocale sono ampiamente impiegate nella ricerca sulle scienze della vita come il cancro e l'imaging del tessuto cerebrale, ma sono limitate a causa di questo problema", spiega Jin Ho Chang alla DGIST (Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology) in Corea. “La limitazione della profondità di imaging è principalmente dovuta al fatto che i fotoni incidenti vengono fortemente deviati dalle loro direzioni di propagazione originali a causa della diffusione ottica. In effetti, il numero di fotoni non diffusi diminuisce in modo esponenziale con la distanza percorsa dai fotoni, quindi la luce non può essere strettamente focalizzata dopo una profondità di circa 100 micron».
Sebbene i ricercatori abbiano sviluppato vari tipi di tecniche di modellazione del fronte d'onda della luce per affrontare questa limitazione, nessuna di esse può essere utilizzata per acquisire immagini tridimensionali. Anche queste altre tecniche richiedono moduli ottici ad alte prestazioni e sofisticati sistemi ottici.
Nessuna dispersione ottica nella nuvola di bolle
Nell'ultimo lavoro, Chang e colleghi hanno sviluppato un nuovo approccio in cui utilizzano ultrasuoni ad alta intensità per generare bolle di gas nel volume di tessuto situato davanti al piano di imaging. Per evitare che le bolle collassino e possibilmente danneggino il tessuto, i ricercatori hanno trasmesso continuamente ultrasuoni a bassa intensità durante il processo di imaging del microscopio a scansione laser, mantenendo un flusso continuo di bolle per tutto il tempo. Hanno scoperto che quando la concentrazione di bolle di gas nel volume è superiore al 90%, i fotoni del laser di imaging difficilmente subiscono alcuna dispersione ottica all'interno della regione della bolla di gas (soprannominata la "nuvola di bolle"). Questo perché le bolle di gas temporaneamente create riducono lo scattering ottico nella stessa direzione della propagazione della luce incidente, aumentandone così la profondità di penetrazione.
"Di conseguenza, il laser può essere strettamente focalizzato sul piano dell'immagine, oltre il quale la microscopia a scansione laser convenzionale non può acquisire immagini nitide", dice Chang Mondo della fisica. "Questo fenomeno è analogo alla compensazione ottica basata su agenti chimici, quindi abbiamo chiamato il nostro approccio microscopia di compensazione ottica indotta da ultrasuoni (US-OCM)."
A differenza dei metodi di compensazione ottica convenzionali, UC-OCM può localizzare la compensazione ottica nella regione di interesse e ripristinare le proprietà ottiche originali nella regione una volta che il flusso di bolle viene disattivato. Ciò implica che la tecnica dovrebbe essere innocua per i tessuti viventi.
Secondo i ricercatori, che dettagliano il loro lavoro in Natura Photonics, i principali vantaggi dell'US-OCM sono: un aumento della profondità di imaging di un fattore superiore a sei con una risoluzione simile a quella della microscopia laser convenzionale; rapida acquisizione dei dati dell'immagine e ricostruzione dell'immagine (sono necessari solo 125 millisecondi per un'immagine a fotogramma composta da 403 x 403 pixel); e immagini 3D facili da ottenere.
E non è tutto: il team sottolinea che l'implementazione del nuovo metodo richiede solo un modulo acustico relativamente semplice (un singolo trasduttore a ultrasuoni e un sistema di guida del trasduttore) da aggiungere a una configurazione di microscopia a scansione laser convenzionale. La tecnica potrebbe anche essere estesa ad altre tecniche di microscopia a scansione laser come la microscopia multifotonica e fotoacustica.
Ultrasuoni e luce facili da combinare
"Personalmente credo che lo sviluppo della tecnologia ibrida sia una delle nuove direzioni della ricerca, e gli ultrasuoni e la luce sono relativamente facili da combinare per massimizzare i loro vantaggi mentre completano gli svantaggi l'uno dell'altro", afferma Chang. “I ricercatori che lavorano nel campo degli ultrasuoni sanno da tempo che gli ultrasuoni forti possono creare bolle di gas nei tessuti biologici e che possono scomparire completamente senza danneggiare i tessuti”.
Lo scattering Kerker individua le particelle con precisione subatomica
L'idea per l'esperimento è nata durante le discussioni con il membro del team Jae Youn Hwang, uno specialista di ottica presso il DGIST. L'idea era che le bolle di gas indotte dagli ultrasuoni potessero essere utilizzate come agente di compensazione ottica se potessero in qualche modo creare bolle densamente compattate nell'area di interesse. "La compensazione ottica convenzionale si basa sul fatto che la dispersione ottica è minima quando gli indici di rifrazione dei diffusori di luce nel tessuto sono simili tra loro", spiega Chang. "Sono impiegati agenti chimici per ridurre l'alto indice di rifrazione degli scatterer in modo che si avvicini a quello del tessuto stesso".
Secondo il team del DGIST, la tecnica potrebbe essere utilizzata per l'imaging del tessuto cerebrale ad alta risoluzione, la diagnosi precoce del morbo di Alzheimer e la diagnosi precisa del tessuto tumorale in combinazione con la tecnologia dell'endoscopio. "Credo anche che il concetto di base di questo studio possa essere applicato alle terapie ottiche, come le terapie fototermiche e fotodinamiche per migliorare la loro efficacia perché soffrono anche di una penetrazione della luce limitata", afferma Chang.
