Zespół brytyjskich naukowców zaprojektował nowatorski endoskop, który wykorzystuje dźwięk i światło do obrazowania próbek tkanek w skali molekularnej, w oparciu o detektor, który jest wystarczająco mały, aby zmieścić się w igle medycznej. W ich badaniu Wenfeng Xia i koledzy z Kings College London i University College London udoskonalono kilka kluczowych aspektów techniki obrazowania fotoakustycznego – zapewniając krótkie czasy obrazowania bez poświęcania wielkości wymaganego sprzętu.
Endoskopia fotoakustyczna to najnowocześniejsza technika, która łączy ultrasonografię z optycznym obrazowaniem endoskopowym w celu uzyskania trójwymiarowych obrazów medycznych. Działa poprzez wysyłanie impulsów laserowych przez światłowód endoskopu, które są pochłaniane przez mikroskopijne struktury wewnątrz ciała. Absorbując energię światła, struktury te generują fale akustyczne, które z kolei są wychwytywane przez piezoelektryczny detektor ultradźwiękowy i przekształcane w obrazy.
Technika ta pozwala badaczom wyodrębnić szeroką gamę struktur mikroskopowych: od pojedynczych komórek po nici DNA. Rozwiązuje już wiele ograniczeń czysto optycznych endoskopów, w tym ich niezdolność do penetracji więcej niż kilku warstw komórek. Jednak pomimo tych zalet endoskopia fotoakustyczna nadal stoi w obliczu kompromisu: aby osiągnąć wyższe prędkości obrazowania, wymaga masywniejszych i droższych detektorów ultradźwiękowych, co ogranicza jej zastosowanie w chirurgii małoinwazyjnej.
Aby sprostać temu wyzwaniu, zespół Xia wprowadził nowe podejście. Projekt – podano w Ekspresowa optyka biomedyczna – pierwszy zawiera „cyfrowe mikrolustro” zawierające układ prawie miliona mikroskopijnych lusterek, których położenie można szybko regulować. Naukowcy wykorzystali tę konfigurację do precyzyjnego kształtowania czoła fali wiązek laserowych używanych do skanowania próbek.
Zamiast piezoelektrycznego detektora ultradźwiękowego badacze wprowadzili znacznie mniej nieporęczny mikrorezonator optyczny. Urządzenie to, mocowane na końcówce światłowodu, zawiera odkształcalną przekładkę epoksydową umieszczoną pomiędzy parą wyspecjalizowanych lusterek. Przychodzące fale ultradźwiękowe odkształcają żywicę epoksydową, zmieniając odległość między zwierciadłami. Prowadzi to do zmian we współczynniku odbicia mikrorezonatora podczas skanowania rastrowego próbek przez endoskop.
W przypadku badania za pomocą drugiego lasera, dostarczonego do końcówki endoskopu przez oddzielny światłowód, zmiany te zmieniają ilość światła odbitego z powrotem wzdłuż światłowodu. Monitorując te zmiany, opracowany przez zespół algorytm może utworzyć obrazy próbki i wykorzystać je do obliczenia, w jaki sposób można dostosować czoło fali lasera skanującego, aby uzyskać bardziej optymalne obrazy. Dzięki tym informacjom cyfrowe mikrolustro jest odpowiednio regulowane i proces się powtarza.
Dostosowując ogniskową skanującej wiązki lasera, endoskop może również skanować próbki z ich powierzchni do głębokości 20 µm, umożliwiając zespołowi Xia tworzenie zoptymalizowanych obrazów 3D w czasie rzeczywistym.
Aby zademonstrować te wyjątkowe możliwości, badacze wykorzystali swoje urządzenie do zobrazowania skupiska mysich czerwonych krwinek rozmieszczonych na obszarze o średnicy około 100 µm. Łącząc mozaikę skanów fotoakustycznych, endoskop wygenerował obrazy 3D komórek z szybkością około 3 klatek na sekundę.
Bazując na swoim sukcesie, Xia i współpracownicy mają teraz nadzieję, że ich endoskop może zainspirować nowe postępy w chirurgii małoinwazyjnej, umożliwiając klinicystom ocenę składu tkanek w skali molekularnej i komórkowej w czasie rzeczywistym. W przyszłych badaniach zespół będzie miał na celu zbadanie, w jaki sposób sztuczna inteligencja może pomóc w jeszcze większym zwiększeniu szybkości obrazowania fotoakustycznego.
