Optische verstrooiing is een reëel probleem voor biologische beeldvorming. Door te voorkomen dat licht diep in biologisch weefsel wordt gefocust, beperken verstrooiingseffecten de beelddiepte tot ongeveer 100 micron, waardoor er alleen maar wazige beelden daarbuiten ontstaan. Een nieuwe techniek genaamd ultrageluid-geïnduceerde optische klaringsmicroscopie zou deze afstand met meer dan een factor zes kunnen vergroten, dankzij de enigszins contra-intuïtieve stap van het inbrengen van een laag gasvormige bellen in het gebied dat wordt afgebeeld. Het toevoegen van deze bellenlaag zorgt ervoor dat de fotonen niet afwijken terwijl ze zich door het monster voortplanten.
Optische verstrooiing treedt op wanneer licht interageert met structuren die kleiner zijn dan de golflengte. Het invallende licht verstoort elektronen in de structuur en vormt oscillerende dipoolmomenten die het licht in veel verschillende richtingen opnieuw uitzenden.
“Technieken zoals confocale microscopie worden op grote schaal gebruikt in biowetenschappelijk onderzoek, zoals kanker en beeldvorming van hersenweefsel, maar zijn vanwege dit probleem beperkt”, legt hij uit. Jin Ho Chang de DGIST (Daegu Gyeongbuk Instituut voor Wetenschap en Technologie) in Korea. “De beperking van de beelddiepte is voornamelijk te wijten aan het feit dat invallende fotonen ernstig worden afgebogen van hun oorspronkelijke voortplantingsrichtingen als gevolg van optische verstrooiing. Het aantal niet-verstrooide fotonen neemt exponentieel af met de afstand die de fotonen afleggen, dus licht kan niet scherp worden gefocusseerd na een diepte van ongeveer 100 micron.”
Hoewel onderzoekers verschillende soorten technieken voor het vormen van lichtgolffronten hebben ontwikkeld om deze beperking aan te pakken, kan geen enkele ervan worden gebruikt om driedimensionale beelden te maken. Deze andere technieken vereisen ook hoogwaardige optische modules en geavanceerde optische systemen.
Geen optische verstrooiing in de bellenwolk
In het nieuwste werk ontwikkelden Chang en collega's een nieuwe aanpak waarbij ze ultrageluid met hoge intensiteit gebruiken om gasbellen te genereren in het weefselvolume dat zich vóór het beeldvormingsvlak bevindt. Om te voorkomen dat de bellen instorten en mogelijk het weefsel beschadigen, zenden de onderzoekers continu ultrageluid met lage intensiteit uit tijdens het beeldvormingsproces met een laserscanmicroscoop, waarbij ze de hele tijd een continue stroom van bellen in stand hielden. Ze ontdekten dat wanneer de concentratie van gasbellen in het volume hoger is dan 90%, fotonen van de beeldlaser nauwelijks enige optische verstrooiing ervaren in het gasbelgebied (ook wel de “bellenwolk” genoemd). Dit komt omdat de tijdelijk gecreëerde gasbellen de optische verstrooiing in dezelfde richting als de voortplanting van het invallende licht verminderen, waardoor de penetratiediepte ervan toeneemt.
“Als gevolg hiervan kan de laser strak worden gefocust op het beeldvlak, waarbuiten conventionele laserscanmicroscopie geen scherpe beelden kan verkrijgen”, vertelt Chang. Natuurkunde wereld. "Dit fenomeen is analoog aan optische klaring op basis van chemische middelen, daarom hebben we onze aanpak ultrasoon-geïnduceerde optische klaringsmicroscopie (US-OCM) genoemd."
In tegenstelling tot conventionele optische zuiveringsmethoden kan UC-OCM de optische zuivering in het interessegebied lokaliseren en de oorspronkelijke optische eigenschappen in het gebied herstellen zodra de bellenflux is uitgeschakeld. Dit impliceert dat de techniek onschadelijk moet zijn voor levend weefsel.
Volgens de onderzoekers, die hun werk gedetailleerd beschrijven NATUUR PhotonicsDe belangrijkste voordelen van US-OCM zijn: een toename van de beelddiepte met een factor van meer dan zes met een resolutie die vergelijkbaar is met die van conventionele lasermicroscopie; snelle beelddata-acquisitie en beeldreconstructie (slechts 125 milliseconden zijn nodig voor één framebeeld bestaande uit 403 x 403 pixels); en gemakkelijk te verkrijgen 3D-beelden.
En dat is nog niet alles: het team wijst erop dat de implementatie van de nieuwe methode slechts een relatief eenvoudige akoestische module (een enkele ultrasone transducer en een transducer-aandrijfsysteem) vereist die moet worden toegevoegd aan een conventionele laserscanmicroscopie-opstelling. De techniek zou ook kunnen worden uitgebreid naar andere laserscanmicroscopietechnieken zoals multiphoton- en foto-akoestische microscopie.
Echografie en licht eenvoudig te combineren
“Persoonlijk geloof ik dat de ontwikkeling van hybride technologie een van de nieuwe onderzoeksrichtingen is, en dat echografie en licht relatief eenvoudig te combineren zijn om hun voordelen te maximaliseren en elkaars nadelen aan te vullen”, zegt Chang. “Onderzoekers die werkzaam zijn op het gebied van echografie weten al lang dat sterke echografie gasbellen in biologisch weefsel kan creëren en dat deze volledig kunnen verdwijnen zonder weefsel te beschadigen.”
Kerkerverstrooiing lokaliseert deeltjes met subatomaire precisie
Het idee voor het experiment ontstond tijdens gesprekken met teamlid Jae Youn Hwang, een opticaspecialist bij de DGIST. De gedachte was dat door ultrageluid geïnduceerde gasbellen zouden kunnen worden gebruikt als optisch klaringsmiddel als ze op de een of andere manier dicht opeengepakte bellen in het betreffende gebied zouden kunnen creëren. “Conventionele optische zuivering is gebaseerd op het feit dat optische verstrooiing minimaal is wanneer de brekingsindices van lichtverstrooiers in weefsel vergelijkbaar zijn”, legt Chang uit. “Er worden chemische middelen gebruikt om de hoge brekingsindex van verstrooiers te verlagen, zodat deze die van het weefsel zelf benadert.”
Volgens het DGIST-team zou de techniek kunnen worden gebruikt voor beeldvorming van hersenweefsel met hoge resolutie, vroege diagnose van de ziekte van Alzheimer en nauwkeurige diagnose van kankerweefsel in combinatie met endoscooptechnologie. “Ik geloof ook dat het basisconcept van deze studie kan worden toegepast op optische therapieën, zoals fotothermische en fotodynamische therapieën, om hun werkzaamheid te verbeteren, omdat ze ook last hebben van een beperkte lichtpenetratie”, zegt Chang.
