Optično sipanje je resničen problem za biološko slikanje. S tem, ko preprečujejo, da bi se svetloba osredotočila globoko v biološko tkivo, učinki sipanja omejujejo globino slike na približno 100 mikronov, pri čemer nastanejo le zamegljene slike. Nova tehnika, imenovana z ultrazvokom inducirana optična čistilna mikroskopija, bi lahko to razdaljo povečala za več kot faktor šest, zahvaljujoč nekoliko protislovnemu koraku vstavljanja plasti plinastih mehurčkov v območje, ki ga slikamo. Dodajanje te plasti mehurčkov zagotavlja, da fotoni ne odstopajo, ko se širijo skozi vzorec.
Optično sipanje se pojavi, ko svetloba interagira s strukturami, ki so manjše od njene valovne dolžine. Vpadna svetloba moti elektrone v strukturi in tvori nihajoče dipolne momente, ki ponovno oddajajo svetlobo v veliko različnih smereh.
"Tehnike, kot je konfokalna mikroskopija, se pogosto uporabljajo v raziskavah znanosti o življenju, kot je slikanje raka in možganskega tkiva, vendar so zaradi te težave omejene," pojasnjuje Jin Ho Chang pri DGIST (Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology) v Koreji. »Omejitev globine slikanja je predvsem posledica vpadnih fotonov, ki so zaradi optičnega sipanja močno odklonjeni od prvotne smeri širjenja. Dejansko se število nerazpršenih fotonov eksponentno zmanjšuje z razdaljo, ki jo prepotujejo fotoni, zato svetlobe ni mogoče natančno fokusirati po globini približno 100 mikronov.«
Medtem ko so raziskovalci razvili različne vrste tehnik oblikovanja svetlobnih valov, da bi odpravili to omejitev, nobene od njih ni mogoče uporabiti za snemanje tridimenzionalnih slik. Te druge tehnike zahtevajo tudi visoko zmogljive optične module in sofisticirane optične sisteme.
Brez optičnega sipanja v oblaku mehurčkov
V najnovejšem delu so Chang in sodelavci razvili nov pristop, pri katerem uporabljajo ultrazvok visoke intenzivnosti za ustvarjanje plinskih mehurčkov v volumnu tkiva, ki se nahaja pred slikovno ravnino. Da bi preprečili, da bi se mehurčki sesedli in morebitno poškodovali tkivo, so raziskovalci med postopkom slikanja z laserskim skenirnim mikroskopom neprekinjeno oddajali ultrazvok nizke intenzivnosti in ves čas vzdrževali neprekinjen tok mehurčkov. Ugotovili so, da ko je koncentracija plinskih mehurčkov v prostornini višja od 90 %, fotoni iz slikovnega laserja skoraj ne doživljajo optičnega sipanja znotraj območja plinskih mehurčkov (imenovanega "oblak mehurčkov"). To je zato, ker začasno ustvarjeni plinski mehurčki zmanjšajo optično sipanje v isti smeri kot širjenje vpadne svetlobe in tako povečajo njeno globino prodiranja.
"Posledično je lahko laser tesno osredotočen na slikovno ravnino, prek katere običajna laserska skenirna mikroskopija ne more pridobiti ostrih slik," pravi Chang Svet fizike. "Ta pojav je podoben optičnemu čiščenju, ki temelji na kemičnih sredstvih, zato smo naš pristop poimenovali ultrazvočno inducirana optična čistilna mikroskopija (US-OCM)."
Za razliko od običajnih metod optičnega čiščenja lahko UC-OCM lokalizira optično čiščenje v območju, ki nas zanima, in obnovi prvotne optične lastnosti v območju, ko je tok mehurčkov izklopljen. To pomeni, da mora biti tehnika neškodljiva za živo tkivo.
Po mnenju raziskovalcev, ki svoje delo podrobno opisujejo v Narava fotonika, so glavne prednosti US-OCM: povečanje globine slikanja za faktor več kot šest z ločljivostjo, ki je podobna ločljivosti običajne laserske mikroskopije; hitro pridobivanje slikovnih podatkov in rekonstrukcija slike (samo 125 milisekund je potrebnih za eno okvirno sliko, sestavljeno iz 403 x 403 slikovnih pik); in 3D slike, ki jih je enostavno dobiti.
In to še ni vse: ekipa poudarja, da izvajanje nove metode zahteva le razmeroma preprost akustični modul (en sam ultrazvočni pretvornik in sistem za pogon pretvornika), ki se doda običajni nastavitvi laserske skenirne mikroskopije. Tehniko bi lahko razširili tudi na druge tehnike laserske vrstične mikroskopije, kot sta večfotonska in fotoakustična mikroskopija.
Ultrazvok in svetloba se enostavno kombinirata
"Osebno verjamem, da je razvoj hibridne tehnologije ena od novih raziskovalnih smeri, ultrazvok in svetlobo pa je razmeroma enostavno združiti, da bi povečali svoje prednosti in hkrati dopolnjevali slabosti drug drugega," pravi Chang. "Raziskovalci, ki delajo na področju ultrazvoka, že dolgo vedo, da lahko močan ultrazvok ustvari plinske mehurčke v biološkem tkivu in da lahko popolnoma izginejo, ne da bi poškodovali tkivo."
Kerkerjevo sipanje locira delce s subatomsko natančnostjo
Zamisel za eksperiment se je pojavila med pogovori s članom ekipe Jae Youn Hwangom, specialistom za optiko pri DGIST. Misel je bila, da bi lahko z ultrazvokom povzročene plinske mehurčke uporabili kot sredstvo za optično čiščenje, če bi lahko nekako ustvarili gosto zapakirane mehurčke na območju, ki nas zanima. "Konvencionalno optično čiščenje temelji na dejstvu, da je optično sipanje minimalno, ko so lomni količniki razpršilcev svetlobe v tkivu podobni drug drugemu," pojasnjuje Chang. "Kemični agensi se uporabljajo za zmanjšanje visokega lomnega indeksa razpršilcev, tako da se približa indeksu samega tkiva."
Po besedah ekipe DGIST bi lahko tehniko uporabili za slikanje možganskega tkiva z visoko ločljivostjo, zgodnjo diagnozo Alzheimerjeve bolezni in natančno diagnozo rakastega tkiva v kombinaciji z endoskopsko tehnologijo. "Verjamem tudi, da je osnovni koncept te študije mogoče uporabiti za optične terapije, kot so fototermalne in fotodinamične terapije, da bi izboljšali njihovo učinkovitost, ker tudi trpijo zaradi omejenega prodora svetlobe," pravi Chang.
