光学散乱は、生物学的イメージングにとって大きな問題です。散乱効果により、光が生体組織の奥深くまで集束するのを防ぐことで、イメージング深度が約 100 ミクロンに制限され、それを超えるとぼやけた画像のみが生成されます。超音波誘起光学的透明化顕微鏡と呼ばれる新しい技術は、画像化される領域に気泡の層を挿入するというやや直観に反する手順のおかげで、この距離をXNUMX倍以上増加させることができます。このバブル層を追加すると、光子がサンプル中を伝播するときに逸脱しないことが保証されます。
光散乱は、光がその波長よりも小さい構造と相互作用するときに発生します。入射光は構造内の電子を乱し、振動する双極子モーメントを形成し、光をさまざまな方向に再放射します。
「共焦点顕微鏡などの技術は、がんや脳組織イメージングなどのライフサイエンス研究で広く採用されていますが、この問題があるため、その利用は限られています」と氏は説明する。 ジン・ホ・チャン DGIST 韓国の大邱慶北科学技術大学）。 「イメージング深度の制限は主に、入射光子が光学散乱の結果として元の伝播方向から大きく偏向されることによるものです。実際、非散乱光子の数は光子の移動距離とともに指数関数的に減少するため、約 100 ミクロンの深さを超えると光はしっかりと集束できなくなります。」
研究者らはこの制限に対処するためにさまざまなタイプの光波面整形技術を開発しましたが、そのどれも 3 次元画像の撮影には使用できません。これらの他の技術も、高性能の光モジュールと洗練された光学システムを必要とします。
気泡雲内での光学散乱なし
最新の研究で、Chang らは、高密度超音波を使用して、撮像面の前にある組織のボリューム内に気泡を生成する新しいアプローチを開発しました。気泡が崩壊して組織に損傷を与える可能性を防ぐために、研究者らはレーザー走査型顕微鏡の画像処理中に低強度の超音波を継続的に送信し、気泡の継続的な流れを全体にわたって維持した。彼らは、体積内の気泡の濃度が 90% を超えると、イメージング レーザーからの光子が気泡領域 (「気泡雲」と呼ばれる) 内で光学的散乱をほとんど受けないことを発見しました。これは、一時的に生成された気泡が入射光の伝播と同じ方向への光学散乱を減少させ、その結果、その侵入深さが増加するためです。
「その結果、レーザーは結像面にしっかりと焦点を合わせることができ、これを超えると従来のレーザー走査型顕微鏡では鮮明な画像を取得できなくなります」とチャン氏は語る。 物理学の世界。 「この現象は化学薬品による光学的透明化に似ているため、私たちはこのアプローチを超音波誘起光学的透明化顕微鏡法 (US-OCM) と名付けました。」
従来の光学的クリアリング方法とは異なり、UC-OCM は対象領域内の光学的クリアリングを局所化し、気泡フラックスをオフにするとその領域に元の光学的特性を復元できます。これは、この技術が生体組織に無害であるべきであることを意味します。
研究者らによると、彼らの研究の詳細は次のとおりです。 自然 フォトニクスUS-OCM の主な利点は次のとおりです。従来のレーザー顕微鏡と同様の解像度で、イメージング深度が 125 倍以上増加します。高速画像データ取得と画像再構成 (403 x 403 ピクセルで構成される 3 つのフレーム画像に必要な時間はわずか XNUMX ミリ秒)。 XNUMXD画像を簡単に入手できます。
それだけではありません。チームは、新しい方法を実装するには、比較的単純な音響モジュール (単一の超音波トランスデューサーとトランスデューサー駆動システム) を従来のレーザー走査型顕微鏡セットアップに追加するだけでよいと指摘しています。この技術は、多光子顕微鏡や光音響顕微鏡などの他のレーザー走査顕微鏡技術にも拡張できます。
超音波と光を簡単に組み合わせることができる
「私は個人的に、ハイブリッド技術の開発が新しい研究の方向性の 1 つであると信じています。超音波と光は、互いの欠点を補いながら利点を最大化するために組み合わせるのが比較的簡単です」とチャン氏は言います。 「超音波分野の研究者は、強力な超音波が生体組織内に気泡を生成する可能性があり、組織に損傷を与えることなく完全に消失する可能性があることを長い間知っていました。」
カーカー散乱は、素粒子の精度で粒子を特定します
この実験のアイデアは、DGIST の光学専門家であるチームメンバー、Jae Youn Hwang とのディスカッション中に思いつきました。超音波によって引き起こされる気泡は、何らかの方法で対象領域に密に詰まった気泡を生成できれば、光学的除去剤として使用できるのではないかと考えられました。 「従来の光学的浄化は、組織内の光散乱体の屈折率が互いに類似している場合に光学的散乱が最小になるという事実に基づいています」とチャン氏は説明します。 「散乱体の高屈折率を下げるために化学物質が使用され、組織自体の屈折率に近づきます。」
DGISTチームによると、この技術は内視鏡技術と組み合わせて、高解像度の脳組織イメージング、アルツハイマー病の早期診断、がん組織の正確な診断に使用される可能性があるという。 「また、この研究の基本概念は、光熱療法や光線力学療法などの光学療法にも適用でき、その有効性を向上させることができると信じています。なぜなら、これらの療法は光の透過も限られているからです」とチャン氏は言う。
