Optisk spridning är ett verkligt problem för biologisk avbildning. Genom att förhindra ljus från att fokuseras djupt in i biologisk vävnad, begränsar spridningseffekter avbildningsdjupen till cirka 100 mikron, vilket endast producerar suddiga bilder bortom. En ny teknik som kallas ultraljudsinducerad optisk clearingmikroskopi kan öka detta avstånd med mer än en faktor sex, tack vare det något kontraintuitiva steget att infoga ett lager av gasbubblor i området som avbildas. Att lägga till detta bubbelskikt säkerställer att fotonerna inte avviker när de fortplantar sig genom provet.
Optisk spridning uppstår när ljus interagerar med strukturer som är mindre än dess våglängd. Det infallande ljuset stör elektroner i strukturen och bildar oscillerande dipolmoment som återutsänder ljuset i många olika riktningar.
"Tekniker som konfokalmikroskopi används i stor utsträckning inom biovetenskaplig forskning som cancer och hjärnvävnadsavbildning, men de är begränsade på grund av detta problem", förklarar Jin Ho Chang vid DGIST (Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology) i Korea. "Begränsningen av bilddjupet beror främst på att infallande fotoner kraftigt avböjs från sina ursprungliga utbredningsriktningar som ett resultat av optisk spridning. Faktum är att antalet icke-spridda fotoner minskar exponentiellt med avståndet som fotonerna tillryggalägger, så ljus kan inte fokuseras hårt efter ett djup på cirka 100 mikron."
Medan forskare har utvecklat olika typer av ljusvågfrontsformningstekniker för att ta itu med denna begränsning, kan ingen av dem användas för att ta tredimensionella bilder. Dessa andra tekniker kräver också högpresterande optiska moduler och sofistikerade optiksystem.
Ingen optisk spridning i bubbelmolnet
I det senaste arbetet utvecklade Chang och kollegor ett nytt tillvägagångssätt där de använder högintensivt ultraljud för att generera gasbubblor i vävnadsvolymen som ligger framför avbildningsplanet. För att förhindra att bubblorna kollapsar och eventuellt skadar vävnaden, överförde forskarna lågintensivt ultraljud kontinuerligt under avbildningsprocessen med lasermikroskop, och upprätthöll ett kontinuerligt flöde av bubblor hela tiden. De fann att när koncentrationen av gasbubblor i volymen är högre än 90 % upplever fotoner från bildlasern knappast någon optisk spridning inuti gasbubblområdet (kallat "bubbelmolnet"). Detta beror på att de tillfälligt skapade gasbubblorna minskar optisk spridning i samma riktning som utbredningen av det infallande ljuset, vilket ökar dess penetrationsdjup.
"Som ett resultat kan lasern fokuseras hårt på avbildningsplanet, bortom vilket konventionell laserskanningsmikroskopi inte kan få skarpa bilder," säger Chang. Fysikvärlden. "Detta fenomen är analogt med optisk clearing baserad på kemiska medel, så vi kallade vår metod för ultraljudsinducerad optisk clearingmikroskopi (US-OCM)."
Till skillnad från konventionella optiska rensningsmetoder kan UC-OCM lokalisera den optiska rensningen i området av intresse och återställa de ursprungliga optiska egenskaperna till regionen när bubbelflödet stängs av. Detta innebär att tekniken bör vara ofarlig för levande vävnad.
Enligt forskarna, som detaljerat sitt arbete i Natur fotonik, den största fördelen med US-OCM är: en ökning av bilddjupet med en faktor på mer än sex med en upplösning som liknar den för konventionell lasermikroskopi; snabb bilddatainsamling och bildrekonstruktion (bara 125 millisekunder krävs för en rambild bestående av 403 x 403 pixlar); och lättillgängliga 3D-bilder.
Och det är inte allt: teamet påpekar att implementeringen av den nya metoden endast kräver en relativt enkel akustisk modul (en enda ultraljudsgivare och ett givaredrivande system) som ska läggas till en konventionell laserskanningsmikroskopi. Tekniken skulle också kunna utvidgas till andra laserskanningsmikroskopitekniker såsom multifoton och fotoakustisk mikroskopi.
Ultraljud och ljus lätt att kombinera
"Jag tror personligen att utvecklingen av hybridteknologi är en av de nya forskningsriktningarna, och ultraljud och ljus är relativt lätta att kombinera för att maximera sina fördelar samtidigt som de kompletterar varandras nackdelar", säger Chang. "Forskare som arbetar inom ultraljudsområdet har länge vetat att starkt ultraljud kan skapa gasbubblor i biologisk vävnad och att de kan försvinna helt utan att skada vävnaden."
Kerker-spridning lokaliserar partiklar med subatomär precision
Idén till experimentet kom upp under diskussioner med teammedlemmen Jae Youn Hwang, en optikspecialist vid DGIST. Tanken var att ultraljudsinducerade gasbubblor skulle kunna användas som ett optiskt rensningsmedel om de på något sätt kunde skapa tätt packade bubblor i området av intresse. "Konventionell optisk clearing bygger på det faktum att optisk spridning är minimal när brytningsindexen för ljusspridare i vävnad liknar varandra", förklarar Chang. "Kemiska medel används för att minska det höga brytningsindexet för spridare så att det närmar sig det för själva vävnaden."
Enligt DGIST-teamet kan tekniken användas för högupplöst hjärnvävnadsavbildning, tidig diagnos av Alzheimers sjukdom och exakt diagnos av cancervävnad i kombination med endoskopteknologi. "Jag tror också att grundkonceptet för denna studie kan tillämpas på optiska terapier, såsom fototermiska och fotodynamiska terapier för att förbättra deras effektivitet eftersom de också lider av begränsad ljuspenetration", säger Chang.
