Группа британских исследователей разработала новый эндоскоп, который использует звук и свет для изображения образцов тканей на молекулярном уровне, основанный на детекторе, достаточно маленьком, чтобы поместиться внутри медицинской иглы. В своем исследовании, Вэньфэн Ся и коллеги в Королевский колледж в Лондоне и University College London улучшил несколько ключевых аспектов метода фотоакустической визуализации, обеспечив быстрое время визуализации без ущерба для размера необходимого оборудования.
Фотоакустическая эндоскопия — это передовой метод, сочетающий ультразвук с оптической эндоскопической визуализацией для создания трехмерных медицинских изображений. Он работает, отправляя лазерные импульсы через оптическое волокно эндоскопа, которые поглощаются микроскопическими структурами внутри тела. Поглощая энергию света, эти структуры генерируют акустические волны, которые сами улавливаются пьезоэлектрическим ультразвуковым детектором и преобразуются в изображения.
Этот метод позволяет исследователям выделять широкий спектр микроскопических структур: от отдельных клеток до нитей ДНК. Он уже устраняет многие ограничения чисто оптических эндоскопов, в том числе их неспособность проникать более чем через несколько слоев клеток. Тем не менее, несмотря на эти преимущества, фотоакустическая эндоскопия по-прежнему сталкивается с компромиссом: для достижения более высоких скоростей визуализации требуются более громоздкие и дорогие ультразвуковые детекторы, что ограничивает ее применимость в минимально инвазивной хирургии.
Чтобы решить эту проблему, команда Ся представила новый подход. Дизайн — сообщается в Биомедицинская оптика Экспресс – первый имеет «цифровое микрозеркало», содержащее массив почти из миллиона микроскопических зеркал, положение каждого из которых может быть быстро отрегулировано. Исследователи использовали эту установку для точного формирования волновых фронтов лазерных лучей, используемых для сканирования образцов.
Вместо пьезоэлектрического ультразвукового детектора исследователи внедрили гораздо менее громоздкий оптический микрорезонатор. Это устройство, устанавливаемое на кончик оптического волокна, содержит деформируемую прокладку из эпоксидной смолы, зажатую между парой специализированных зеркал. Входящие ультразвуковые волны деформируют эпоксидную смолу, изменяя расстояние между зеркалами. Это приводит к изменениям отражательной способности микрорезонатора при растровом сканировании образцов эндоскопом.
При опросе вторым лазером, подаваемым на кончик эндоскопа по отдельному оптическому волокну, эти изменения изменяют количество света, отраженного обратно по волокну. Отслеживая эти изменения, алгоритм, разработанный командой, может создавать изображения образца и использовать их для расчета того, как можно отрегулировать волновой фронт сканирующего лазера для получения более оптимальных изображений. С помощью этой информации цифровое микрозеркало соответствующим образом настраивается, и процесс повторяется.
Регулируя фокусное расстояние сканирующего лазерного луча, эндоскоп также может сканировать образцы с поверхности на глубину до 20 мкм, что позволяет команде Ся создавать оптимизированные 3D-изображения в режиме реального времени.
Чтобы продемонстрировать эти уникальные возможности, исследователи использовали свое устройство для визуализации скопления эритроцитов мыши, разбросанных по площади примерно 100 мкм в поперечнике. Соединяя мозаику фотоакустических сканов, эндоскоп создавал трехмерные изображения клеток со скоростью около 3 кадров в секунду.
Основываясь на своем успехе, Ся и его коллеги теперь надеются, что их эндоскоп может вдохновить на новые достижения в минимально инвазивной хирургии, позволяя клиницистам оценивать молекулярный и клеточный состав тканей в режиме реального времени. В будущих исследованиях команда будет стремиться изучить, как искусственный интеллект может помочь еще больше повысить скорость фотоакустических изображений.
