Оптическое рассеяние представляет собой реальную проблему для биологической визуализации. Препятствуя фокусировке света глубоко в биологических тканях, эффекты рассеяния ограничивают глубину изображения примерно до 100 микрон, создавая только размытые изображения за его пределами. Новый метод, называемый оптической просветляющей микроскопией, индуцированной ультразвуком, может увеличить это расстояние более чем в шесть раз благодаря несколько нелогичному этапу введения слоя газовых пузырьков в область изображения. Добавление этого пузырькового слоя гарантирует, что фотоны не будут отклоняться при распространении через образец.
Оптическое рассеяние возникает, когда свет взаимодействует со структурами, размер которых меньше его длины волны. Падающий свет возмущает электроны в структуре, образуя колеблющиеся дипольные моменты, которые переизлучают свет в разных направлениях.
«Такие методы, как конфокальная микроскопия, широко используются в исследованиях в области наук о жизни, таких как рак и визуализация тканей головного мозга, но они ограничены из-за этой проблемы», — объясняет Джин Хо Чанг на ДГИСТ (Институт науки и технологий Тэгу Кёнбук) в Корее. «Ограничение глубины изображения в основном связано с тем, что падающие фотоны сильно отклоняются от своих первоначальных направлений распространения в результате оптического рассеяния. Действительно, количество нерассеянных фотонов экспоненциально уменьшается с расстоянием, пройденным фотонами, поэтому свет не может быть точно сфокусирован после глубины около 100 микрон».
Хотя исследователи разработали различные методы формирования светового фронта для устранения этого ограничения, ни один из них не может быть использован для получения трехмерных изображений. Эти другие методы также требуют высокопроизводительных оптических модулей и сложных оптических систем.
Отсутствие оптического рассеяния в пузырьковом облаке
В последней работе Чанг и его коллеги разработали новый подход, в котором они используют ультразвук высокой интенсивности для создания пузырьков газа в объеме ткани, расположенном перед плоскостью изображения. Чтобы пузырьки не схлопывались и, возможно, не повреждали ткани, исследователи непрерывно передавали низкоинтенсивный ультразвук во время процесса визуализации с помощью лазерного сканирующего микроскопа, поддерживая непрерывный поток пузырьков на всем протяжении. Они обнаружили, что когда концентрация пузырьков газа в объеме превышает 90%, фотоны от формирующего изображения лазера почти не испытывают оптического рассеяния внутри области газовых пузырьков (названной «пузырьковым облаком»). Это связано с тем, что временно созданные пузырьки газа уменьшают оптическое рассеяние в том же направлении, что и распространение падающего света, тем самым увеличивая глубину его проникновения.
«В результате лазер может быть точно сфокусирован на плоскости изображения, за пределами которой обычная лазерная сканирующая микроскопия не может получить четкие изображения», — говорит Чанг. Мир физики. «Это явление аналогично оптическому просветлению на основе химических агентов, поэтому мы назвали наш подход оптической просветляющей микроскопией, индуцированной ультразвуком (US-OCM)».
В отличие от обычных методов оптического просветления, UC-OCM может локализовать оптическое просветление в интересующей области и восстанавливать исходные оптические свойства области после отключения пузырькового потока. Это означает, что метод должен быть безвредным для живых тканей.
По словам исследователей, которые подробно описывают свою работу в природа ФотоникаОсновными преимуществами УЗ-ОКМ являются: увеличение глубины изображения более чем в шесть раз при разрешении, близком к разрешению обычной лазерной микроскопии; быстрое получение данных изображения и реконструкция изображения (всего 125 миллисекунд требуется для одного кадра изображения, состоящего из 403 x 403 пикселей); и легкодоступные 3D-изображения.
И это еще не все: команда отмечает, что для реализации нового метода требуется лишь относительно простой акустический модуль (один ультразвуковой преобразователь и система привода преобразователя) для добавления к обычной установке лазерной сканирующей микроскопии. Этот метод также может быть распространен на другие методы лазерной сканирующей микроскопии, такие как многофотонная и фотоакустическая микроскопия.
Ультразвук и свет легко сочетаются
«Лично я считаю, что разработка гибридных технологий является одним из новых направлений исследований, и ультразвук и свет относительно легко комбинировать, чтобы максимизировать их преимущества, дополняя недостатки друг друга», — говорит Чанг. «Исследователи, работающие в области ультразвука, давно знали, что сильный ультразвук может создавать пузырьки газа в биологических тканях и что они могут полностью исчезать, не повреждая ткани».
Керкеровское рассеяние определяет местонахождение частиц с субатомной точностью
Идея эксперимента возникла во время обсуждения с членом команды Дже Юн Хван, специалистом по оптике в DGIST. Идея заключалась в том, что газовые пузырьки, вызванные ультразвуком, можно было бы использовать в качестве оптического просветляющего агента, если бы они могли каким-то образом создавать плотно упакованные пузырьки в интересующей области. «Традиционное оптическое просветление основано на том факте, что оптическое рассеяние минимально, когда показатели преломления рассеивателей света в тканях одинаковы», — объясняет Чанг. «Химические агенты используются для уменьшения высокого показателя преломления рассеивателей, чтобы он приближался к показателю самой ткани».
По словам команды DGIST, этот метод может использоваться для визуализации тканей головного мозга с высоким разрешением, ранней диагностики болезни Альцгеймера и точной диагностики раковой ткани в сочетании с технологией эндоскопии. «Я также считаю, что основная концепция этого исследования может быть применена к оптической терапии, такой как фототермическая и фотодинамическая терапия, для повышения их эффективности, поскольку они также страдают от ограниченного проникновения света», — говорит Чанг.
