O espalhamento óptico é um problema real para imagens biológicas. Ao evitar que a luz seja focada profundamente no tecido biológico, os efeitos de dispersão limitam as profundidades de imagem a cerca de 100 mícrons, produzindo apenas imagens desfocadas. Uma nova técnica chamada microscopia de compensação óptica induzida por ultrassom poderia aumentar essa distância em mais de um fator de seis, graças à etapa um tanto contra-intuitiva de inserir uma camada de bolhas gasosas na área que está sendo fotografada. A adição desta camada de bolha garante que os fótons não se desviem à medida que se propagam pela amostra.
O espalhamento óptico ocorre quando a luz interage com estruturas menores que seu comprimento de onda. A luz incidente perturba os elétrons na estrutura, formando momentos dipolares oscilantes que reemitem a luz em muitas direções diferentes.
“Técnicas como a microscopia confocal são amplamente empregadas em pesquisas de ciências biológicas, como câncer e imagens de tecido cerebral, mas são limitadas devido a esse problema”, explica Jin Ho Chang no DGIST (Instituto de Ciência e Tecnologia Daegu Gyeongbuk) na Coréia. “A limitação da profundidade da imagem deve-se principalmente ao facto de os fotões incidentes serem severamente desviados das suas direcções de propagação originais como resultado da dispersão óptica. Na verdade, o número de fótons não dispersos diminui exponencialmente com a distância percorrida pelos fótons, de modo que a luz não pode ser focada firmemente após uma profundidade de cerca de 100 mícrons.”
Embora os pesquisadores tenham desenvolvido vários tipos de técnicas de modelagem de frente de onda de luz para resolver essa limitação, nenhuma delas pode ser usada para obter imagens tridimensionais. Estas outras técnicas também requerem módulos ópticos de alto desempenho e sistemas ópticos sofisticados.
Sem espalhamento óptico na nuvem de bolhas
No trabalho mais recente, Chang e colegas desenvolveram uma nova abordagem na qual usam ultrassom de alta intensidade para gerar bolhas de gás no volume de tecido localizado na frente do plano de imagem. Para evitar o colapso das bolhas e possivelmente danificar o tecido, os pesquisadores transmitiram ultrassom de baixa intensidade continuamente durante o processo de imagem do microscópio de varredura a laser, mantendo um fluxo contínuo de bolhas por toda parte. Eles descobriram que quando a concentração de bolhas de gás no volume é superior a 90%, os fótons do laser de imagem dificilmente experimentam qualquer espalhamento óptico dentro da região da bolha de gás (apelidada de “nuvem de bolhas”). Isso ocorre porque as bolhas de gás criadas temporariamente reduzem o espalhamento óptico na mesma direção da propagação da luz incidente, aumentando assim sua profundidade de penetração.
“Como resultado, o laser pode ser firmemente focado no plano de imagem, além do qual a microscopia convencional de varredura a laser não consegue adquirir imagens nítidas”, diz Chang. Mundo da física. “Este fenômeno é análogo à compensação óptica baseada em agentes químicos, por isso nomeamos nossa abordagem como microscopia de compensação óptica induzida por ultrassom (US-OCM).”
Ao contrário dos métodos convencionais de compensação óptica, o UC-OCM pode localizar a compensação óptica na região de interesse e restaurar as propriedades ópticas originais da região assim que o fluxo da bolha for desligado. Isto implica que a técnica deve ser inofensiva para os tecidos vivos.
Segundo os pesquisadores, que detalham seu trabalho em Natureza Photonics, as principais vantagens do US-OCM são: um aumento na profundidade da imagem por um fator superior a seis com resolução semelhante à da microscopia a laser convencional; rápida aquisição de dados de imagem e reconstrução de imagem (são necessários apenas 125 milissegundos para uma imagem de quadro de 403 x 403 pixels); e imagens 3D fáceis de obter.
E isso não é tudo: a equipe ressalta que a implementação do novo método requer apenas um módulo acústico relativamente simples (um único transdutor de ultrassom e um sistema de acionamento do transdutor) a ser adicionado a uma configuração convencional de microscopia de varredura a laser. A técnica também pode ser estendida a outras técnicas de microscopia de varredura a laser, como microscopia multifotônica e fotoacústica.
Ultrassom e luz fáceis de combinar
“Pessoalmente, acredito que o desenvolvimento da tecnologia híbrida é uma das novas direções de pesquisa, e o ultrassom e a luz são relativamente fáceis de combinar para maximizar suas vantagens e, ao mesmo tempo, complementar as desvantagens um do outro”, diz Chang. “Os pesquisadores que trabalham na área de ultrassom sabem há muito tempo que o ultrassom forte pode criar bolhas de gás no tecido biológico e que podem desaparecer completamente sem danificar o tecido.”
O espalhamento Kerker localiza partículas com precisão subatômica
A ideia do experimento surgiu durante discussões com o membro da equipe Jae Youn Hwang, especialista em óptica do DGIST. A ideia era que bolhas de gás induzidas por ultrassom poderiam ser usadas como um agente de limpeza óptica se pudessem de alguma forma criar bolhas densamente compactadas na área de interesse. “A compensação óptica convencional depende do fato de que o espalhamento óptico é mínimo quando os índices de refração dos dispersores de luz no tecido são semelhantes entre si”, explica Chang. “Agentes químicos são empregados para reduzir o alto índice de refração dos dispersores, de modo que se aproxime do do próprio tecido.”
De acordo com a equipa da DGIST, a técnica poderá ser utilizada para imagens de tecido cerebral de alta resolução, diagnóstico precoce da doença de Alzheimer e diagnóstico preciso de tecido canceroso em combinação com tecnologia de endoscópio. “Acredito também que o conceito básico deste estudo pode ser aplicado a terapias ópticas, como terapias fototérmicas e fotodinâmicas, para melhorar sua eficácia, porque elas também sofrem com a penetração limitada da luz”, diz Chang.
