Birleşik Krallık'taki araştırmacılardan oluşan bir ekip, tıbbi bir iğnenin içine sığacak kadar küçük bir detektörü temel alan, doku örneklerini moleküler ölçekte görüntülemek için ses ve ışık kullanan yeni bir endoskop tasarladı. Yaptıkları çalışmada, Wenfeng Xia ve meslektaşları King's College London ve University College London gerekli ekipmanın boyutundan ödün vermeden hızlı görüntüleme süreleri sağlayarak fotoakustik görüntüleme tekniğinin birkaç önemli yönünü geliştirdi.
Fotoakustik endoskopi, 3 boyutlu tıbbi görüntüler oluşturmak için ultrasonu optik endoskopik görüntülemeyle birleştiren son teknoloji bir tekniktir. Vücudun içindeki mikroskobik yapılar tarafından emilen endoskopun optik fiberi aracılığıyla lazer darbeleri göndererek çalışır. Bu yapılar ışığın enerjisini emdikçe akustik dalgalar üretiyor ve bunlar da piezoelektrik ultrason detektörü tarafından alınıp görüntülere dönüştürülüyor.
Bu teknik, araştırmacıların tek tek hücrelerden DNA iplikçiklerine kadar çok çeşitli mikroskobik yapıları seçmesine olanak tanıyor. Birkaç hücre katmanından daha fazlasına nüfuz edememeleri de dahil olmak üzere, tamamen optik endoskopların birçok sınırlamasını zaten ele alıyor. Ancak bu avantajlara rağmen, fotoakustik endoskopi hala bir tercihle karşı karşıyadır: Daha yüksek görüntüleme hızlarına ulaşmak için daha hacimli, daha maliyetli ultrason dedektörleri gerektirir, bu da minimal invaziv cerrahide uygulanabilirliğini sınırlandırır.
Bu zorluğun üstesinden gelmek için Xia'nın ekibi yeni bir yaklaşım başlattı. Tasarım – rapor edildi Biyomedikal Optik Ekspres – ilk olarak, konumları hızla ayarlanabilen yaklaşık bir milyon mikroskobik aynadan oluşan bir dizi içeren bir “dijital mikro ayna” bulunuyor. Araştırmacılar bu düzeni, numuneleri taramak için kullanılan lazer ışınlarının dalga cephelerini hassas bir şekilde şekillendirmek için kullandılar.
Araştırmacılar, piezoelektrik ultrason dedektörü yerine çok daha az hacimli bir optik mikrorezonatörü tanıttı. Bir optik fiberin ucuna takılan bu cihaz, bir çift özel ayna arasına sıkıştırılmış, deforme olabilen bir epoksi ayırıcı içerir. Gelen ultrason dalgaları epoksiyi deforme ederek aynalar arasındaki mesafeyi değiştirir. Bu, endoskop numuneler üzerinde taramalı olarak taranırken, mikrorezonatörün yansıtıcılığında değişikliklere yol açar.
Ayrı bir optik fiber üzerinden endoskopun ucuna gönderilen ikinci bir lazerle sorgulandığında, bu değişiklikler fiber boyunca geri yansıyan ışık miktarını değiştirir. Ekip tarafından geliştirilen bir algoritma, bu değişiklikleri izleyerek numunenin görüntülerini oluşturabiliyor ve bunları, tarama lazerinin dalga cephesinin daha optimum görüntüler üretecek şekilde nasıl ayarlanabileceğini hesaplamak için kullanabiliyor. Bu bilgiyle dijital mikro ayna buna göre ayarlanır ve işlem tekrarlanır.
Endoskop, tarama lazer ışınının odak uzunluğunu ayarlayarak aynı zamanda numuneleri yüzeylerinden 20 µm derinliğe kadar tarayabilir; bu da Xia ekibinin gerçek zamanlı olarak optimize edilmiş 3D görüntüler oluşturmasına olanak tanır.
Bu benzersiz yetenekleri göstermek için araştırmacılar, cihazlarını yaklaşık 100 µm'lik bir alana yayılmış bir fare kırmızı kan hücresi kümesini görüntülemek için kullandılar. Endoskop, fotoakustik taramalardan oluşan bir mozaiği bir araya getirerek, saniyede yaklaşık 3 kare hızında hücrelerin 3 boyutlu görüntülerini üretti.
Başarılarına dayanarak, Xia ve meslektaşları artık endoskoplarının minimal invaziv cerrahide yeni ilerlemelere ilham verebileceğini ve klinisyenlerin dokuların moleküler ve hücresel ölçekteki yapısını gerçek zamanlı olarak değerlendirmesine olanak tanıyacağını umuyorlar. Ekip, gelecekteki çalışmalarda yapay zekanın fotoakustik görüntüleme hızlarını daha da artırmaya nasıl yardımcı olabileceğini keşfetmeyi hedefleyecek.
