광학 산란은 생물학적 이미징에서 실제 문제입니다. 빛이 생물학적 조직에 깊이 집중되는 것을 방지함으로써 산란 효과는 이미징 깊이를 약 100미크론으로 제한하여 그 이상에서는 흐릿한 이미지만 생성합니다. 초음파 유도 광학 투명 현미경이라는 새로운 기술은 이미지화되는 영역에 기체 기포 층을 삽입하는 다소 반직관적인 단계 덕분에 이 거리를 XNUMX배 이상 늘릴 수 있습니다. 이 버블 레이어를 추가하면 광자가 샘플을 통해 전파될 때 벗어나지 않게 됩니다.
광 산란은 빛이 파장보다 작은 구조와 상호 작용할 때 발생합니다. 입사광은 구조의 전자를 교란시켜 다양한 방향으로 빛을 다시 방출하는 진동 쌍극자 모멘트를 형성합니다.
"공초점 현미경과 같은 기술은 암, 뇌 조직 이미징과 같은 생명 과학 연구에 널리 사용되지만 이러한 문제로 인해 제한적입니다."라고 설명합니다. 장진호 에 DGIST (대구경북과학기술원). “영상 깊이 제한은 주로 광학 산란의 결과로 입사 광자가 원래 전파 방향에서 심하게 편향되기 때문에 발생합니다. 실제로, 산란되지 않은 광자의 수는 광자가 이동한 거리에 따라 기하급수적으로 감소하므로 약 100미크론의 깊이 이후에는 빛의 초점을 단단히 맞출 수 없습니다."
연구자들은 이러한 한계를 해결하기 위해 다양한 유형의 광 파면 형성 기술을 개발했지만 그 중 어느 것도 3차원 이미지를 촬영하는 데 사용할 수 없습니다. 이러한 다른 기술에도 고성능 광학 모듈과 정교한 광학 시스템이 필요합니다.
버블 클라우드에 광학적 산란이 없습니다.
최신 연구에서 Chang과 동료들은 고강도 초음파를 사용하여 이미징 평면 앞에 위치한 조직 부피에 기포를 생성하는 새로운 접근 방식을 개발했습니다. 기포가 붕괴되어 조직이 손상되는 것을 방지하기 위해 연구진은 레이저 스캐닝 현미경 이미징 과정에서 저강도 초음파를 지속적으로 전송하여 기포의 지속적인 흐름을 유지했습니다. 그들은 부피 내 기포의 농도가 90%보다 높을 때 이미징 레이저의 광자가 기포 영역("거품 구름"이라고 불림) 내부에서 광학적 산란을 거의 경험하지 않는다는 것을 발견했습니다. 이는 일시적으로 생성된 기포가 입사광의 전파 방향과 동일한 방향으로 광학 산란을 감소시켜 침투 깊이를 증가시키기 때문입니다.
"결과적으로 레이저는 기존의 레이저 스캐닝 현미경이 선명한 이미지를 얻을 수 없는 이미징 평면에 단단히 초점을 맞출 수 있습니다."라고 Chang은 말합니다. 물리 세계. "이 현상은 화학 작용제를 기반으로 한 광학 투명화와 유사하므로 우리는 우리의 접근 방식을 초음파 유도 광학 투명화 현미경(US-OCM)이라고 명명했습니다."
기존 광학 클리어링 방법과 달리 UC-OCM은 관심 영역에 광학 클리어링을 국한시키고 버블 플럭스가 꺼지면 원래 광학 특성을 해당 영역으로 복원할 수 있습니다. 이는 해당 기술이 살아있는 조직에 무해해야 함을 의미합니다.
자신의 연구를 자세히 설명한 연구원들에 따르면 자연 포토닉스US-OCM의 주요 장점은 기존 레이저 현미경과 유사한 해상도로 이미징 깊이를 125배 이상 증가시키는 것입니다. 빠른 이미지 데이터 수집 및 이미지 재구성(403 x 403 픽셀로 구성된 하나의 프레임 이미지에 3밀리초만 필요) 그리고 쉽게 얻을 수 있는 XNUMXD 이미지.
그리고 이것이 전부는 아닙니다. 팀은 새로운 방법을 구현하려면 기존 레이저 스캐닝 현미경 설정에 비교적 간단한 음향 모듈(단일 초음파 변환기 및 변환기 구동 시스템)만 추가하면 된다고 지적합니다. 이 기술은 다광자 및 광음향 현미경과 같은 다른 레이저 스캐닝 현미경 기술로 확장될 수도 있습니다.
초음파와 빛의 결합이 용이함
창 교수는 “개인적으로는 하이브리드 기술 개발이 새로운 연구 방향 중 하나라고 생각하는데, 초음파와 빛은 상대적으로 쉽게 결합해 장점을 극대화하면서도 서로의 단점을 보완할 수 있다”고 말했다. “초음파 분야에서 일하는 연구자들은 강한 초음파가 생물학적 조직에 기포를 생성할 수 있고 조직을 손상시키지 않고 완전히 사라질 수 있다는 것을 오랫동안 알고 있었습니다.”
Kerker 산란은 아원자 정밀도로 입자를 찾습니다.
실험에 대한 아이디어는 DGIST 광학 전문가인 황재연 팀원과 논의 중에 나왔다. 초음파로 유도된 기포가 관심 영역에 조밀하게 채워진 기포를 어떻게든 생성할 수 있다면 광학 제거제로 사용될 수 있다는 생각이 있었습니다. "기존의 광학 투명화는 조직 내 광 산란체의 굴절률이 서로 유사할 때 광학 산란이 최소화된다는 사실에 의존합니다."라고 Chang은 설명합니다. "산란체의 높은 굴절률을 줄여 조직 자체의 굴절률에 접근하도록 화학 물질을 사용합니다."
DGIST 연구팀에 따르면 이 기술은 내시경 기술과 결합해 고해상도 뇌조직 영상화, 알츠하이머병 조기진단, 암조직 정밀진단 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. Chang은 "또한 이 연구의 기본 개념은 광열 및 광역학 요법과 같은 광학 요법에 적용되어 효능을 향상시킬 수 있다고 믿습니다. 왜냐하면 제한된 빛 투과로 인해 어려움을 겪기 때문입니다."라고 Chang은 말합니다.
