Imprăștirea optică este o problemă reală pentru imagistica biologică. Prin prevenirea focalizării profunde a luminii în țesutul biologic, efectele de împrăștiere limitează adâncimea imaginii la aproximativ 100 de microni, producând doar imagini neclare dincolo. O nouă tehnică numită microscopie de compensare optică indusă de ultrasunete ar putea mări această distanță cu mai mult de un factor de șase, datorită pasului oarecum contraintuitiv de a introduce un strat de bule gazoase în zona care este fotografiată. Adăugarea acestui strat cu bule asigură că fotonii nu deviază pe măsură ce se propagă prin eșantion.
Difuzarea optică are loc atunci când lumina interacționează cu structuri mai mici decât lungimea de undă. Lumina incidentă perturbă electronii din structură, formând momente dipolare oscilante care re-emit lumina în multe direcții diferite.
„Tehnici precum microscopia confocală sunt utilizate pe scară largă în cercetarea în știința vieții, cum ar fi cancerul și imagistica țesutului cerebral, dar sunt limitate din cauza acestei probleme”, explică. Jin Ho Chang de la DGIST (Institutul de Știință și Tehnologie Daegu Gyeongbuk) din Coreea. „Limitarea profunzimii imaginii se datorează în principal fotonilor incidenti care sunt puternic deviați de la direcțiile lor originale de propagare ca urmare a împrăștierii optice. Într-adevăr, numărul de fotoni neîmprăștiați scade exponențial odată cu distanța parcursă de fotoni, astfel încât lumina nu poate fi focalizată strâns după o adâncime de aproximativ 100 de microni.”
În timp ce cercetătorii au dezvoltat diferite tipuri de tehnici de modelare a frontului de undă de lumină pentru a aborda această limitare, niciuna dintre ele nu poate fi utilizată pentru a realiza imagini tridimensionale. Aceste alte tehnici necesită, de asemenea, module optice de înaltă performanță și sisteme optice sofisticate.
Fără împrăștiere optică în norul cu bule
În cea mai recentă lucrare, Chang și colegii au dezvoltat o nouă abordare în care folosesc ultrasunete de mare intensitate pentru a genera bule de gaz în volumul de țesut situat în fața planului de imagistică. Pentru a preveni prăbușirea bulelor și, eventual, deteriorarea țesutului, cercetătorii au transmis ultrasunete de intensitate scăzută în mod continuu în timpul procesului de imagistică cu microscopul cu scanare cu laser, menținând un flux continuu de bule pe tot parcursul. Ei au descoperit că atunci când concentrația de bule de gaz în volum este mai mare de 90%, fotonii de la laserul de imagistică nu experimentează aproape nicio împrăștiere optică în interiorul regiunii bulelor de gaz (numit „norul cu bule”). Acest lucru se datorează faptului că bulele de gaz create temporar reduc împrăștierea optică în aceeași direcție cu propagarea luminii incidente, crescând astfel adâncimea de penetrare a acesteia.
„Ca rezultat, laserul poate fi focalizat strâns pe planul de imagistică, dincolo de care microscopia de scanare laser convențională nu poate obține imagini clare”, spune Chang. Lumea fizicii. „Acest fenomen este analog cu curățarea optică bazată pe agenți chimici, așa că am numit abordarea noastră microscopie de compensare optică indusă de ultrasunete (US-OCM).”
Spre deosebire de metodele convenționale de curățare optică, UC-OCM poate localiza curățarea optică în regiunea de interes și poate restabili proprietățile optice originale în regiune odată ce fluxul de bule este oprit. Aceasta înseamnă că tehnica ar trebui să fie inofensivă pentru țesutul viu.
Potrivit cercetătorilor, care își detaliază munca în Natură fotonică, principalul avantaj al US-OCM sunt: o creștere a adâncimii imaginii cu un factor mai mare de șase cu o rezoluție similară cu cea a microscopiei laser convenționale; achiziție rapidă a datelor de imagine și reconstrucție a imaginii (sunt necesare doar 125 de milisecunde pentru o imagine cadru constând din 403 x 403 pixeli); și imagini 3D ușor de obținut.
Și asta nu este tot: echipa subliniază că implementarea noii metode necesită doar un modul acustic relativ simplu (un singur traductor cu ultrasunete și un sistem de antrenare a traductorului) care să fie adăugat la o configurație convențională de microscopie cu scanare laser. Tehnica ar putea fi extinsă și la alte tehnici de microscopie cu scanare cu laser, cum ar fi microscopia multifotonă și fotoacustică.
Ultrasunete și lumină ușor de combinat
„Personal cred că dezvoltarea tehnologiei hibride este una dintre noile direcții de cercetare, iar ultrasunetele și lumina sunt relativ ușor de combinat pentru a-și maximiza avantajele în timp ce se completează reciproc dezavantajele”, spune Chang. „Cercetătorii care lucrează în domeniul ultrasunetelor știu de mult timp că ultrasunetele puternice pot crea bule de gaz în țesutul biologic și că pot dispărea complet fără a deteriora țesutul.”
Imprăștirea Kerker localizează particulele cu precizie subatomică
Ideea experimentului a apărut în timpul discuțiilor cu membrul echipei Jae Youn Hwang, specialist în optică la DGIST. Gândul a fost că bulele de gaz induse de ultrasunete ar putea fi folosite ca agent optic de curățare dacă ar putea crea cumva bule dens împachetate în zona de interes. „Epurarea optică convențională se bazează pe faptul că împrăștierea optică este minimă atunci când indicii de refracție ai împrăștiatorilor de lumină din țesut sunt similari unul cu celălalt”, explică Chang. „Agenții chimici sunt folosiți pentru a reduce indicele de refracție ridicat al dispersoarelor, astfel încât acesta să se apropie de cel al țesutului în sine.”
Potrivit echipei DGIST, tehnica ar putea fi utilizată pentru imagistica de înaltă rezoluție a țesutului cerebral, diagnosticarea precoce a bolii Alzheimer și diagnosticarea precisă a țesutului canceros în combinație cu tehnologia endoscopului. „De asemenea, cred că conceptul de bază al acestui studiu poate fi aplicat terapiilor optice, cum ar fi terapiile fototermale și fotodinamice, pentru a le îmbunătăți eficacitatea, deoarece suferă și de o penetrare limitată a luminii”, spune Chang.
