Optik saçılma, biyolojik görüntüleme için gerçek bir problemdir. Saçılma efektleri, ışığın biyolojik dokuya derinlemesine odaklanmasını önleyerek, görüntüleme derinliklerini yaklaşık 100 mikron ile sınırlar ve ötesinde yalnızca bulanık görüntüler üretir. Ultrason kaynaklı optik temizleme mikroskobu adı verilen yeni bir teknik, görüntülenmekte olan alana bir gaz kabarcıkları katmanı yerleştirme şeklindeki biraz mantıksız adım sayesinde, bu mesafeyi altı kattan daha fazla artırabilir. Bu kabarcık katmanının eklenmesi, fotonların numune boyunca yayılırken sapmamasını sağlar.
Optik saçılma, ışık dalga boyundan daha küçük yapılarla etkileşime girdiğinde meydana gelir. Gelen ışık, yapıdaki elektronları rahatsız ederek ışığı birçok farklı yöne yeniden yayan salınımlı dipol momentleri oluşturur.
"Konfokal mikroskopi gibi teknikler, kanser ve beyin dokusu görüntüleme gibi yaşam bilimi araştırmalarında yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak bu sorun nedeniyle sınırlıdırlar" diye açıklıyor. Jin Ho Chang at DGİST (Daegu Gyeongbuk Bilim ve Teknoloji Enstitüsü) Kore'de. "Görüntüleme derinliği sınırlaması, temel olarak gelen fotonların, optik saçılmanın bir sonucu olarak orijinal yayılma yönlerinden ciddi şekilde sapmasından kaynaklanmaktadır. Gerçekten de saçılmayan fotonların sayısı, fotonların kat ettiği mesafeyle katlanarak azalır, bu nedenle ışık, yaklaşık 100 mikronluk bir derinlikten sonra sıkı bir şekilde odaklanamaz.”
Araştırmacılar, bu sınırlamayı gidermek için çeşitli ışık dalga cephesi şekillendirme teknikleri geliştirmiş olsalar da, bunların hiçbiri üç boyutlu görüntüler çekmek için kullanılamaz. Bu diğer teknikler ayrıca yüksek performanslı optik modüller ve gelişmiş optik sistemler gerektirir.
Kabarcık bulutunda optik saçılma yok
Son çalışmada Chang ve meslektaşları, görüntüleme düzleminin önünde bulunan doku hacminde gaz kabarcıkları oluşturmak için yüksek yoğunluklu ultrason kullandıkları yeni bir yaklaşım geliştirdiler. Baloncukların çökmesini ve muhtemelen dokuya zarar vermesini önlemek için, araştırmacılar lazer tarama mikroskobu görüntüleme işlemi sırasında sürekli olarak düşük yoğunluklu ultrason ilettiler ve boyunca sürekli bir kabarcık akışı sağladılar. Hacimdeki gaz kabarcıklarının konsantrasyonu %90'dan yüksek olduğunda, görüntüleme lazerinden gelen fotonların gaz kabarcığı bölgesinde ("kabarcık bulutu" olarak adlandırılan) neredeyse hiç optik saçılma yaşamadığını bulmuşlardır. Bunun nedeni, geçici olarak oluşturulan gaz kabarcıklarının, gelen ışığın yayılmasıyla aynı yönde optik saçılmayı azaltması ve böylece penetrasyon derinliğini artırmasıdır.
Chang, "Sonuç olarak, lazer, geleneksel lazer tarama mikroskobunun ötesinde keskin görüntüler elde edemediği görüntüleme düzlemine sıkıca odaklanabilir" diyor. Fizik dünyası. "Bu fenomen, kimyasal maddelere dayalı optik temizlemeye benzer, bu nedenle yaklaşımımıza ultrason kaynaklı optik temizleme mikroskobu (US-OCM) adını verdik."
Geleneksel optik temizleme yöntemlerinden farklı olarak UC-OCM, optik temizlemeyi ilgili bölgede lokalize edebilir ve kabarcık akışı kapatıldıktan sonra bölgeye orijinal optik özellikleri geri yükleyebilir. Bu, tekniğin canlı dokuya zararsız olması gerektiği anlamına gelir.
Çalışmalarını detaylandıran araştırmacılara göre Tabiat fotonik, US-OCM'nin ana avantajı şunlardır: geleneksel lazer mikroskopininkine benzer bir çözünürlükle görüntüleme derinliğinde altı kattan fazla bir artış; hızlı görüntü verisi toplama ve görüntü yeniden oluşturma (125 x 403 pikselden oluşan bir kare görüntü için yalnızca 403 milisaniye gereklidir); ve elde edilmesi kolay 3D görüntüler.
Hepsi bu kadar da değil: ekip, yeni yöntemi uygulamanın geleneksel bir lazer tarama mikroskobu kurulumuna eklenmesi için yalnızca nispeten basit bir akustik modül (tek bir ultrason dönüştürücü ve bir dönüştürücü sürücü sistemi) gerektirdiğine dikkat çekiyor. Bu teknik, çoklu foton ve fotoakustik mikroskopi gibi diğer lazer taramalı mikroskopi tekniklerine de genişletilebilir.
Ultrason ve ışığın birleştirilmesi kolay
Chang, "Şahsen hibrit teknolojinin geliştirilmesinin yeni araştırma yönlerinden biri olduğuna inanıyorum ve ultrason ve ışığın avantajlarını en üst düzeye çıkarmak ve birbirlerinin dezavantajlarını tamamlamak için birleştirmenin nispeten kolay olduğuna inanıyorum" diyor Chang. "Ultrason alanında çalışan araştırmacılar, güçlü ultrasonun biyolojik dokuda gaz kabarcıkları oluşturabileceğini ve bunların dokuya zarar vermeden tamamen yok olabileceğini uzun zamandır biliyorlar."
Kerker saçılması, parçacıkları atom altı hassasiyetle bulur
Deney fikri, DGIST'te bir optik uzmanı olan ekip üyesi Jae Youn Hwang ile yapılan tartışmalar sırasında ortaya çıktı. Düşünce, ultrasonla indüklenen gaz kabarcıklarının, ilgili alanda bir şekilde yoğun bir şekilde paketlenmiş kabarcıklar oluşturabilmeleri halinde optik bir temizleme maddesi olarak kullanılabileceğiydi. Chang, "Geleneksel optik temizleme, dokudaki ışık saçıcılarının kırılma indeksleri birbirine benzer olduğunda optik saçılımın minimum olduğu gerçeğine dayanır" diye açıklıyor. "Saçıcıların yüksek kırılma indeksini, dokunun kendisininkine yaklaşacak şekilde azaltmak için kimyasal maddeler kullanılır."
DGIST ekibine göre, teknik, endoskop teknolojisi ile birlikte yüksek çözünürlüklü beyin dokusu görüntüleme, Alzheimer hastalığının erken teşhisi ve kanser dokusunun kesin teşhisi için kullanılabilir. Chang, "Ayrıca, bu çalışmanın temel konseptinin, etkinliklerini artırmak için fototermal ve fotodinamik terapiler gibi optik terapilere uygulanabileceğine inanıyorum çünkü bunlar aynı zamanda sınırlı ışık penetrasyonundan muzdariptir" diyor.
