Ett team av brittiska forskare har designat ett nytt endoskop som använder ljud och ljus för att avbilda vävnadsprover på molekylära skalor, baserat runt en detektor som är tillräckligt liten för att passa in i en medicinsk nål. I deras studie, Wenfeng Xia och kollegor på King's College London och University College London förbättrat flera nyckelaspekter av den fotoakustiska avbildningstekniken – vilket säkerställer snabba avbildningstider utan att offra storleken på den utrustning som krävs.
Fotoakustisk endoskopi är en banbrytande teknik som kombinerar ultraljud med optisk endoskopisk avbildning för att bygga upp medicinska 3D-bilder. Det fungerar genom att sända ut laserpulser genom ett endoskops optiska fiber, som absorberas av mikroskopiska strukturer inuti kroppen. När de absorberar ljusets energi genererar dessa strukturer akustiska vågor – som själva fångas upp av en piezoelektrisk ultraljudsdetektor och omvandlas till bilder.
Tekniken gör det möjligt för forskare att välja ut ett brett spektrum av mikroskopiska strukturer: från enskilda celler till DNA-strängar. Den tar redan upp många begränsningar för rent optiska endoskop, inklusive deras oförmåga att penetrera genom mer än några lager av celler. Men trots dessa fördelar står fotoakustisk endoskopi fortfarande inför en avvägning: för att uppnå högre bildhastigheter kräver den mer skrymmande, dyrare ultraljudsdetektorer, vilket begränsar dess tillämpbarhet vid minimalt invasiv kirurgi.
För att möta denna utmaning har Xias team introducerat ett nytt tillvägagångssätt. Designen – rapporterad i Biomedicinsk optik Express – har först en "digital mikrospegel" som innehåller en uppsättning av nästan en miljon mikroskopiska speglar, vars positioner kan justeras snabbt. Forskarna använde denna inställning för att exakt forma vågfronterna av laserstrålar som används för att skanna över prover.
Istället för en piezoelektrisk ultraljudsdetektor introducerade forskarna en mycket mindre skrymmande optisk mikroresonator. Den här enheten passar på spetsen av en optisk fiber och innehåller en deformerbar epoxidistans mellan ett par specialiserade speglar. De inkommande ultraljudsvågorna deformerar epoxin och ändrar avståndet mellan speglarna. Detta leder till förändringar i mikroresonatorns reflektionsförändringar när endoskopet rasterskannas över prover.
När de avfrågas med en andra laser, levererad till spetsen av endoskopet längs en separat optisk fiber, ändrar dessa variationer mängden ljus som reflekteras tillbaka längs fibern. Genom att övervaka dessa förändringar kan en algoritm som utvecklats av teamet bygga upp bilder av provet och använda dem för att beräkna hur skanningslaserns vågfront kan justeras för att producera mer optimala bilder. Med denna information justeras den digitala mikrospegeln därefter, och processen upprepas.
Genom att justera brännvidden på den skanande laserstrålen kan endoskopet även skanna prover från deras ytor ner till djup på 20 µm – vilket gör att Xias team kan bygga upp optimerade 3D-bilder i realtid.
För att demonstrera dessa unika möjligheter använde forskarna sin enhet för att avbilda ett kluster av röda blodkroppar från mus, spridda över ett område med en diameter på cirka 100 µm. Genom att sy ihop en mosaik av fotoakustiska skanningar producerade endoskopet 3D-bilder av cellerna, med hastigheter på cirka 3 bilder per sekund.
Baserat på deras framgång hoppas Xia och kollegor nu att deras endoskop kan inspirera till nya framsteg inom minimalinvasiv kirurgi – vilket gör det möjligt för läkare att bedöma vävnadernas molekylära och cellulära skala i realtid. I framtida studier kommer teamet att sikta på att utforska hur artificiell intelligens kan bidra till att förbättra fotoakustisk bildhastighet ytterligare.
