פיזור אופטי הוא בעיה אמיתית עבור הדמיה ביולוגית. על ידי מניעת מיקוד מאור עמוק לתוך רקמה ביולוגית, אפקטי פיזור מגבילים את עומקי ההדמיה לכ-100 מיקרון, ומייצרים רק תמונות מטושטשות מעבר לכך. טכניקה חדשה הנקראת מיקרוסקופ ניקוי אופטי המושרה על ידי אולטרסאונד יכולה להגדיל את המרחק הזה ביותר מפקטור של שש, הודות לצעד המנוגד במקצת של החדרת שכבה של בועות גז באזור המצולם. הוספת שכבת בועות זו מבטיחה שהפוטונים לא יחרגו כשהם מתפשטים דרך המדגם.
פיזור אופטי מתרחש כאשר האור יוצר אינטראקציה עם מבנים קטנים מאורך הגל שלו. האור הנכנס מטריד אלקטרונים במבנה, ויוצר מומנטים דיפוליים מתנודדים הפולטים מחדש את האור בכיוונים רבים ושונים.
"טכניקות כמו מיקרוסקופיה קונפוקלית נמצאות בשימוש נרחב במחקרי מדעי החיים כגון סרטן והדמיית רקמות מוח, אך הן מוגבלות בגלל בעיה זו", מסביר ג'ין הו צ'אנג ב DGIST (מכון Daegu Gyeongbuk למדע וטכנולוגיה) בקוריאה. "המגבלה של עומק ההדמיה נובעת בעיקר מכך שפוטונים מקריים הוסטו בצורה חמורה מכיווני ההתפשטות המקוריים שלהם כתוצאה מפיזור אופטי. ואכן, מספר הפוטונים הלא מפוזרים יורד באופן אקספוננציאלי עם המרחק שעוברים הפוטונים, כך שלא ניתן למקד את האור בצורה הדוקה לאחר עומק של כ-100 מיקרון."
בעוד שחוקרים פיתחו סוגים שונים של טכניקות לעיצוב גל אור כדי לטפל במגבלה זו, אף אחת מהן לא יכולה לשמש לצילום תמונות תלת מימדיות. טכניקות אחרות אלו דורשות גם מודולים אופטיים בעלי ביצועים גבוהים ומערכות אופטיות מתוחכמות.
אין פיזור אופטי בענן הבועות
בעבודה האחרונה, צ'אנג ועמיתיו פיתחו גישה חדשה שבה הם משתמשים באולטרסאונד בעוצמה גבוהה כדי ליצור בועות גז בנפח הרקמה הממוקמת מול מישור ההדמיה. כדי למנוע מהבועות להתמוטט ואולי לפגוע ברקמה, החוקרים העבירו אולטרסאונד בעצימות נמוכה ברציפות במהלך תהליך ההדמיה של מיקרוסקופ הלייזר, ושמרו על שטף רציף של בועות לאורך כל הדרך. הם מצאו שכאשר ריכוז בועות הגז בנפח גבוה מ-90%, הפוטונים מלייזר ההדמיה כמעט ולא חווים פיזור אופטי בתוך אזור בועות הגז (שמכונה "ענן הבועות"). הסיבה לכך היא שבועות הגז שנוצרו באופן זמני מפחיתות פיזור אופטי באותו כיוון כמו התפשטות האור הנוצר, ובכך מגדילות את עומק החדירה שלו.
"כתוצאה מכך, הלייזר יכול להיות ממוקד היטב במישור ההדמיה, שמעבר לו מיקרוסקופ סריקת לייזר קונבנציונלי לא יכול להשיג תמונות חדות", אומר צ'אנג. עולם הפיזיקה. "תופעה זו מקבילה לניקוי אופטי המבוסס על חומרים כימיים, אז קראנו לגישה שלנו בשם מיקרוסקופ ניקוי אופטי המושרה על ידי אולטרסאונד (US-OCM)."
שלא כמו שיטות ניקוי אופטי קונבנציונליות, UC-OCM יכול למקם את הסליקה האופטית באזור המעניין ולשחזר את המאפיינים האופטיים המקוריים לאזור לאחר כיבוי שטף הבועות. זה מרמז שהטכניקה צריכה להיות לא מזיקה לרקמות חיות.
לדברי החוקרים, המפרטים את עבודתם ב טבע פוטוניקה, היתרון העיקרי של US-OCM הם: הגדלת עומק ההדמיה בשיעור של יותר משש ברזולוציה הדומה לזו של מיקרוסקופיה לייזר קונבנציונלית; רכישה מהירה של נתוני תמונה ושחזור תמונה (נדרשים רק 125 מילישניות לתמונת מסגרת אחת המורכבת מ-403 x 403 פיקסלים); ותמונות תלת מימד קלות להשגה.
וזה עוד לא הכל: הצוות מציין כי יישום השיטה החדשה דורש רק מודול אקוסטי פשוט יחסית (מתמר אולטרסאונד יחיד ומערכת מונעת מתמר) להתווסף למערך מיקרוסקופי סריקת לייזר קונבנציונלי. ניתן להרחיב את הטכניקה גם לטכניקות אחרות של מיקרוסקופ סריקת לייזר כמו מיקרוסקופיה מולטיפוטונים ופוטו-אקוסטית.
אולטרסאונד ואור קל לשילוב
"אני אישית מאמין שפיתוח הטכנולוגיה ההיברידית הוא אחד מכיווני המחקר החדשים, וקל יחסית לשלב אולטרסאונד ואור כדי למקסם את היתרונות שלהם תוך כדי השלמה של החסרונות אחד של השני", אומר צ'אנג. "חוקרים העוסקים בתחום האולטרסאונד יודעים מזה זמן רב שאולטרסאונד חזק יכול ליצור בועות גז ברקמה ביולוגית וכי הן יכולות להיעלם לחלוטין מבלי לפגוע ברקמה".
פיזור קרקר מאתר חלקיקים בדיוק תת-אטומי
הרעיון לניסוי עלה במהלך דיונים עם חבר הצוות Jae Youn Hwang, מומחה לאופטיקה ב-DGIST. המחשבה הייתה שבועות גז הנגרמות על-ידי אולטרסאונד יכולות לשמש כחומר ניקוי אופטי אם הן יכולות ליצור איכשהו בועות צפופות באזור העניין. "ניקוי אופטי קונבנציונלי מסתמך על העובדה שהפיזור האופטי הוא מינימלי כאשר מדדי השבירה של מפזרי האור ברקמה דומים זה לזה", מסביר צ'אנג. "משתמשים בחומרים כימיים כדי להפחית את מקדם השבירה הגבוה של מפזרים כך שהוא מתקרב לזה של הרקמה עצמה."
לפי צוות DGIST, הטכניקה עשויה לשמש להדמיית רקמת מוח ברזולוציה גבוהה, אבחון מוקדם של מחלת אלצהיימר ואבחון מדויק של רקמת סרטן בשילוב עם טכנולוגיית אנדוסקופ. "אני גם מאמין שניתן ליישם את התפיסה הבסיסית של מחקר זה על טיפולים אופטיים, כגון טיפולים פוטותרמיים ופוטודינמיים כדי לשפר את יעילותם מכיוון שהם גם סובלים מחדירת אור מוגבלת", אומר צ'אנג.
