Un team di ricercatori britannici ha progettato un nuovo endoscopio che utilizza il suono e la luce per visualizzare campioni di tessuto su scala molecolare, basato su un rilevatore sufficientemente piccolo da poter essere inserito in un ago medico. Nel loro studio, Wen Feng Xia e colleghi di King College di Londra ed University College London migliorato diversi aspetti chiave della tecnica di imaging fotoacustico, garantendo tempi di imaging rapidi senza sacrificare le dimensioni dell’attrezzatura richiesta.
L'endoscopia fotoacustica è una tecnica all'avanguardia che combina gli ultrasuoni con l'imaging endoscopico ottico per creare immagini mediche 3D. Funziona inviando impulsi laser attraverso la fibra ottica di un endoscopio, che vengono assorbiti dalle strutture microscopiche all'interno del corpo. Assorbendo l’energia della luce, queste strutture generano onde acustiche, che vengono captate da un rilevatore piezoelettrico di ultrasuoni e convertite in immagini.
La tecnica consente ai ricercatori di individuare un'ampia gamma di strutture microscopiche: dalle singole cellule ai filamenti di DNA. Affronta già molte limitazioni degli endoscopi puramente ottici, inclusa la loro incapacità di penetrare attraverso più di pochi strati di cellule. Tuttavia, nonostante questi vantaggi, l’endoscopia fotoacustica deve ancora affrontare un compromesso: per ottenere velocità di imaging più elevate, richiede rilevatori di ultrasuoni più ingombranti e costosi, limitando la sua applicabilità nella chirurgia mini-invasiva.
Per affrontare questa sfida, il team di Xia ha introdotto un nuovo approccio. Il disegno – riportato in Ottica biomedica Express – il primo presenta un “microspecchio digitale” contenente una serie di quasi un milione di specchi microscopici, le cui posizioni possono essere regolate rapidamente. I ricercatori hanno utilizzato questa configurazione per modellare con precisione i fronti d’onda dei raggi laser utilizzati per scansionare i campioni.
Invece di un rilevatore di ultrasuoni piezoelettrico, i ricercatori hanno introdotto un microrisonatore ottico molto meno ingombrante. Inserito sulla punta di una fibra ottica, questo dispositivo contiene un distanziatore epossidico deformabile inserito tra una coppia di specchi specializzati. Le onde ultrasoniche in arrivo deformano la resina epossidica, alterando la distanza tra gli specchi. Ciò porta a cambiamenti nella riflettività del microrisonatore mentre l’endoscopio viene scansionato in modo raster sui campioni.
Quando interrogate con un secondo laser, inviato alla punta dell'endoscopio lungo una fibra ottica separata, queste variazioni alterano la quantità di luce riflessa lungo la fibra. Monitorando questi cambiamenti, un algoritmo sviluppato dal team può creare immagini del campione e utilizzarle per calcolare come il fronte d’onda del laser di scansione può essere regolato per produrre immagini più ottimali. Con queste informazioni, il microspecchio digitale viene regolato di conseguenza e il processo si ripete.
Regolando la lunghezza focale del raggio laser di scansione, l’endoscopio può anche scansionare campioni dalla loro superficie fino a una profondità di 20 µm, consentendo al team di Xia di creare immagini 3D ottimizzate in tempo reale.
Per dimostrare queste capacità uniche, i ricercatori hanno utilizzato il loro dispositivo per visualizzare un gruppo di globuli rossi di topo, sparsi su un'area di circa 100 µm di diametro. Unendo insieme un mosaico di scansioni fotoacustiche, l’endoscopio ha prodotto immagini 3D delle cellule, a una velocità di circa 3 fotogrammi al secondo.
Sulla base del loro successo, Xia e colleghi sperano ora che il loro endoscopio possa ispirare nuovi progressi nella chirurgia mini-invasiva, consentendo ai medici di valutare la composizione su scala molecolare e cellulare dei tessuti in tempo reale. Negli studi futuri, il team mirerà a esplorare come l’intelligenza artificiale potrebbe aiutare a migliorare ulteriormente la velocità dell’imaging fotoacustico.
