Een team van Britse onderzoekers heeft een nieuwe endoscoop ontworpen die geluid en licht gebruikt om weefselmonsters op moleculaire schaal in beeld te brengen, gebaseerd op een detector die klein genoeg is om in een medische naald te passen. In hun studie Wenfeng Xia en collega's bij King's College London en University College London verbeterde verschillende belangrijke aspecten van de foto-akoestische beeldvormingstechniek – waardoor snelle beeldvormingstijden werden gegarandeerd zonder dat dit ten koste ging van de omvang van de benodigde apparatuur.
Foto-akoestische endoscopie is een geavanceerde techniek die echografie combineert met optische endoscopische beeldvorming om 3D-medische beelden op te bouwen. Het werkt door laserpulsen door de optische vezel van een endoscoop te sturen, die worden geabsorbeerd door microscopische structuren in het lichaam. Terwijl ze de energie van het licht absorberen, genereren deze structuren akoestische golven – die zelf worden opgepikt door een piëzo-elektrische ultrasone detector en omgezet in beelden.
Met deze techniek kunnen onderzoekers een breed scala aan microscopische structuren onderscheiden: van individuele cellen tot DNA-strengen. Het pakt al veel beperkingen van puur optische endoscopen aan, waaronder hun onvermogen om door meer dan een paar cellagen heen te dringen. Ondanks deze voordelen heeft fotoakoestische endoscopie nog steeds te maken met een afweging: om hogere beeldsnelheden te bereiken zijn omvangrijkere en duurdere ultrasone detectoren nodig, waardoor de toepasbaarheid ervan bij minimaal invasieve chirurgie wordt beperkt.
Om deze uitdaging aan te pakken heeft het team van Xia een nieuwe aanpak geïntroduceerd. Het ontwerp – gerapporteerd in Biomedische Optica Express – bevat eerst een “digitale microspiegel” met een reeks van bijna een miljoen microscopisch kleine spiegels, waarvan de posities elk snel kunnen worden aangepast. De onderzoekers gebruikten deze opstelling om de golffronten van laserstralen die worden gebruikt om monsters te scannen nauwkeurig vorm te geven.
In plaats van een piëzo-elektrische ultrasone detector introduceerden de onderzoekers een veel minder omvangrijke optische microresonator. Dit apparaat past op de punt van een optische vezel en bevat een vervormbare afstandhouder van epoxy, ingeklemd tussen een paar gespecialiseerde spiegels. De binnenkomende ultrasone golven vervormen de epoxy, waardoor de afstand tussen de spiegels verandert. Dit leidt tot veranderingen in de reflectiviteitsveranderingen van de microresonator wanneer de endoscoop via een raster over monsters wordt gescand.
Wanneer ze worden ondervraagd met een tweede laser, die langs een afzonderlijke optische vezel naar de punt van de endoscoop wordt gestuurd, veranderen deze variaties de hoeveelheid licht die langs de vezel wordt teruggekaatst. Door deze veranderingen te monitoren, kan een door het team ontwikkeld algoritme beelden van het monster opbouwen en deze gebruiken om te berekenen hoe het golffront van de scannende laser kan worden aangepast om optimalere beelden te produceren. Met deze informatie wordt de digitale microspiegel dienovereenkomstig aangepast en herhaalt het proces zich.
Door de brandpuntsafstand van de scannende laserstraal aan te passen, kan de endoscoop ook monsters vanaf hun oppervlak scannen tot een diepte van 20 µm, waardoor het team van Xia in realtime geoptimaliseerde 3D-beelden kan opbouwen.
Om deze unieke mogelijkheden aan te tonen, gebruikten de onderzoekers hun apparaat om een cluster van rode bloedcellen van muizen in beeld te brengen, verspreid over een gebied van ongeveer 100 µm in doorsnede. Door een mozaïek van foto-akoestische scans aan elkaar te plakken, produceerde de endoscoop 3D-beelden van de cellen, met snelheden van ongeveer 3 frames per seconde.
Op basis van hun succes hopen Xia en collega's nu dat hun endoscoop nieuwe ontwikkelingen op het gebied van minimaal invasieve chirurgie kan inspireren, waardoor artsen de samenstelling van weefsels op moleculaire en cellulaire schaal in realtime kunnen beoordelen. In toekomstige studies zal het team onderzoeken hoe kunstmatige intelligentie kan helpen de foto-akoestische beeldsnelheden nog verder te verbeteren.
