Rozpraszanie optyczne jest prawdziwym problemem w obrazowaniu biologicznym. Zapobiegając skupianiu światła głęboko w tkance biologicznej, efekty rozpraszania ograniczają głębokość obrazowania do około 100 mikronów, powodując jedynie rozmycie obrazów poza nią. Nowa technika zwana optyczną mikroskopią oczyszczającą indukowaną ultradźwiękami może zwiększyć tę odległość ponad sześciokrotnie dzięki nieco sprzecznemu z intuicją etapowi umieszczenia warstwy pęcherzyków gazowych w obrazowanym obszarze. Dodanie tej warstwy bąbelkowej zapewnia, że fotony nie odchylają się podczas propagacji przez próbkę.
Rozpraszanie optyczne występuje, gdy światło oddziałuje ze strukturami mniejszymi niż jego długość fali. Padające światło zakłóca elektrony w strukturze, tworząc oscylujące momenty dipolowe, które ponownie emitują światło w wielu różnych kierunkach.
„Techniki takie jak mikroskopia konfokalna są szeroko stosowane w badaniach z zakresu nauk przyrodniczych, takich jak obrazowanie nowotworów i tkanki mózgowej, ale z powodu tego problemu są one ograniczone” – wyjaśnia Jin Ho Chang na DGIST (Instytut Nauki i Technologii Daegu Gyeongbuk) w Korei. „Ograniczenie głębokości obrazowania wynika głównie z silnego odchylenia padających fotonów od ich pierwotnych kierunków propagacji w wyniku rozproszenia optycznego. Rzeczywiście, liczba nierozproszonych fotonów maleje wykładniczo wraz z odległością pokonywaną przez fotony, więc światło nie może być ściśle skupione na głębokości około 100 mikronów”.
Chociaż badacze opracowali różne typy technik kształtowania czoła fali świetlnej, aby zaradzić temu ograniczeniu, żadnej z nich nie można zastosować do wykonywania obrazów trójwymiarowych. Te inne techniki również wymagają wysokowydajnych modułów optycznych i wyrafinowanych systemów optycznych.
Brak rozproszenia optycznego w chmurze bąbelkowej
W najnowszej pracy Chang i współpracownicy opracowali nowe podejście, w którym wykorzystują ultradźwięki o wysokiej intensywności do generowania pęcherzyków gazu w objętości tkanki znajdującej się przed płaszczyzną obrazowania. Aby zapobiec zapadaniu się pęcherzyków i potencjalnemu uszkodzeniu tkanki, badacze przesyłali w sposób ciągły ultradźwięki o niskiej intensywności podczas procesu obrazowania za pomocą laserowego mikroskopu skaningowego, utrzymując ciągły strumień pęcherzyków przez cały czas. Odkryli, że gdy stężenie pęcherzyków gazu w objętości przekracza 90%, fotony z lasera obrazującego prawie nie ulegają rozpraszaniu optycznemu w obszarze pęcherzyków gazu (zwanym „chmurą bąbelków”). Dzieje się tak, ponieważ chwilowo utworzone pęcherzyki gazu zmniejszają rozpraszanie optyczne w tym samym kierunku, w którym rozprzestrzenia się padające światło, zwiększając w ten sposób głębokość jego penetracji.
„Dzięki temu laser może być ściśle skupiony na płaszczyźnie obrazowania, poza którą konwencjonalna laserowa mikroskopia skaningowa nie jest w stanie uzyskać ostrych obrazów” – mówi Chang Świat Fizyki. „Zjawisko to jest analogiczne do oczyszczania optycznego opartego na środkach chemicznych, dlatego nazwaliśmy nasze podejście mikroskopią optyczną oczyszczającą indukowaną ultradźwiękami (US-OCM).”
W przeciwieństwie do konwencjonalnych metod oczyszczania optycznego, UC-OCM może zlokalizować prześwit optyczny w obszarze zainteresowania i przywrócić pierwotne właściwości optyczne temu obszarowi po wyłączeniu strumienia pęcherzyków. Oznacza to, że technika ta powinna być nieszkodliwa dla żywej tkanki.
Według badaczy, którzy szczegółowo opisują swoją pracę w Natura fotonikagłówną zaletą US-OCM jest: ponad sześciokrotne zwiększenie głębokości obrazowania przy rozdzielczości zbliżonej do rozdzielczości konwencjonalnej mikroskopii laserowej; szybkie pozyskiwanie danych obrazowych i rekonstrukcja obrazu (wystarczy zaledwie 125 milisekund na jedną klatkę obrazu o wymiarach 403 x 403 pikseli); i łatwe do uzyskania obrazy 3D.
Ale to nie wszystko: zespół zwraca uwagę, że wdrożenie nowej metody wymaga jedynie dodania stosunkowo prostego modułu akustycznego (pojedynczego przetwornika ultradźwiękowego i układu sterującego przetwornikiem) do konwencjonalnej konfiguracji laserowej mikroskopii skaningowej. Technikę tę można również rozszerzyć na inne techniki laserowej mikroskopii skaningowej, takie jak mikroskopia wielofotonowa i fotoakustyczna.
Łatwe połączenie ultradźwięków i światła
„Osobiście uważam, że rozwój technologii hybrydowej to jeden z nowych kierunków badań, a ultradźwięki i światło można stosunkowo łatwo połączyć, aby zmaksymalizować swoje zalety, uzupełniając jednocześnie swoje wady” – mówi Chang. „Naukowcy zajmujący się ultradźwiękami wiedzą od dawna, że silne ultradźwięki mogą powodować powstawanie pęcherzyków gazu w tkance biologicznej, które mogą całkowicie zniknąć, nie uszkadzając tkanki”.
Rozpraszanie Kerkera lokalizuje cząstki z subatomową precyzją
Pomysł na eksperyment zrodził się podczas rozmów z członkiem zespołu Jae Youn Hwangiem, specjalistą ds. optyki w DGIST. Pomysł był taki, że pęcherzyki gazu wywołane ultradźwiękami można zastosować jako optyczny środek czyszczący, jeśli w jakiś sposób uda im się wytworzyć gęsto upakowane pęcherzyki w obszarze zainteresowania. „Konwencjonalne oczyszczanie optyczne opiera się na fakcie, że rozproszenie optyczne jest minimalne, gdy współczynniki załamania światła rozpraszaczy światła w tkance są do siebie podobne” – wyjaśnia Chang. „Stosuje się środki chemiczne, aby zmniejszyć wysoki współczynnik załamania światła rozpraszaczy, tak aby był on zbliżony do współczynnika samej tkanki”.
Według zespołu DGIST technikę tę można zastosować do obrazowania tkanki mózgowej o wysokiej rozdzielczości, wczesnego diagnozowania choroby Alzheimera i precyzyjnej diagnostyki tkanki nowotworowej w połączeniu z technologią endoskopową. „Uważam również, że podstawową koncepcję tego badania można zastosować w terapiach optycznych, takich jak terapie fototermiczne i fotodynamiczne, aby poprawić ich skuteczność, ponieważ one również charakteryzują się ograniczoną penetracją światła” – mówi Chang.
