Оптичне розсіювання є справжньою проблемою для біологічних зображень. Запобігаючи глибокому фокусуванню світла в біологічній тканині, ефекти розсіювання обмежують глибину зображення приблизно до 100 мікрон, створюючи лише розмиті зображення. Нова техніка під назвою ультразвукова мікроскопія з оптичним просвітленням може збільшити цю відстань більш ніж у шість разів завдяки дещо суперечливому етапу введення шару бульбашок газу в область зображення. Додавання цього бульбашкового шару гарантує, що фотони не відхиляються, коли вони поширюються крізь зразок.
Оптичне розсіювання відбувається, коли світло взаємодіє зі структурами, меншими за його довжину хвилі. Падаюче світло збурює електрони в структурі, утворюючи коливальні дипольні моменти, які повторно випромінюють світло в багатьох різних напрямках.
«Такі методи, як конфокальна мікроскопія, широко використовуються в наукових дослідженнях, таких як рак і зображення тканин мозку, але вони обмежені через цю проблему», — пояснює Джин Хо Чанг в DGIST (Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology) в Кореї. «Обмеження глибини зображення в основному пов’язане з тим, що падаючі фотони сильно відхиляються від початкового напрямку поширення в результаті оптичного розсіювання. Дійсно, кількість нерозсіяних фотонів експоненціально зменшується з відстанню, пройденою фотонами, тому світло не може бути чітко сфокусованим після глибини приблизно 100 мікрон».
Хоча дослідники розробили різні типи методів формування фронту світлової хвилі, щоб усунути це обмеження, жоден із них не можна використовувати для отримання тривимірних зображень. Ці інші методи також вимагають високопродуктивних оптичних модулів і складних оптичних систем.
Відсутність оптичного розсіювання в бульбашковій хмарі
В останній роботі Чанг і його колеги розробили новий підхід, у якому вони використовують ультразвук високої інтенсивності для створення бульбашок газу в об’ємі тканини, розташованому перед площиною зображення. Щоб запобігти згортанню бульбашок і можливому пошкодженню тканини, дослідники безперервно передавали ультразвук низької інтенсивності під час процесу отримання зображень за допомогою лазерного скануючого мікроскопа, підтримуючи безперервний потік бульбашок. Вони виявили, що коли концентрація бульбашок газу в об’ємі перевищує 90%, фотони від лазера формування зображення майже не зазнають оптичного розсіювання всередині області газової бульбашки (яка називається «хмарою бульбашок»). Це тому, що тимчасово створені газові бульбашки зменшують оптичне розсіювання в тому ж напрямку, що й падаюче світло, збільшуючи таким чином глибину його проникнення.
«В результаті лазер може бути щільно сфокусований на площині зображення, за межами якої звичайна лазерна скануюча мікроскопія не може отримати чіткі зображення», — розповідає Чанг. Світ фізики. «Це явище аналогічно оптичному просвітленню, заснованому на хімічних агентах, тому ми назвали наш підхід оптичною очисною мікроскопією, індукованою ультразвуком (US-OCM)».
На відміну від звичайних методів оптичного просвітлення, UC-OCM може локалізувати оптичне просвітлення в цікавій області та відновити вихідні оптичні властивості в цій області після вимкнення бульбашкового потоку. Це означає, що методика повинна бути нешкідливою для живих тканин.
За словами дослідників, які детально описують свою роботу в природа Фотоніка, основною перевагою УЗ-ОКМ є: збільшення глибини зображення більш ніж у шість разів із роздільною здатністю, подібною до роздільної здатності традиційної лазерної мікроскопії; швидкий збір даних зображення та реконструкція зображення (всього 125 мілісекунд потрібно для одного кадру зображення, що складається з 403 x 403 пікселів); і легкі для отримання 3D-зображень.
І це ще не все: команда зазначає, що для впровадження нового методу потрібно лише відносно простий акустичний модуль (єдиний ультразвуковий перетворювач і система управління перетворювачем), які потрібно додати до традиційної установки лазерної скануючої мікроскопії. Цей метод також можна поширити на інші методи лазерної скануючої мікроскопії, такі як багатофотонна та фотоакустична мікроскопія.
Ультразвук і світло легко поєднувати
«Особисто я вважаю, що розробка гібридної технології є одним із нових напрямків дослідження, а ультразвук і світло відносно легко поєднати, щоб максимізувати їхні переваги, одночасно доповнюючи недоліки один одного», — говорить Чанг. «Дослідники, які працюють у галузі ультразвуку, вже давно знають, що сильний ультразвук може створювати бульбашки газу в біологічних тканинах і що вони можуть повністю зникати, не пошкоджуючи тканини».
Керкерівське розсіювання визначає місцезнаходження частинок із субатомною точністю
Ідея експерименту виникла під час обговорення з членом команди Дже Йон Хваном, фахівцем з оптики DGIST. Думка полягала в тому, що газові бульбашки, викликані ультразвуком, можна було б використовувати як оптичний просвітлювач, якщо вони могли якимось чином створити щільно упаковані бульбашки в цікавій області. «Звичайне оптичне очищення ґрунтується на тому факті, що оптичне розсіювання мінімальне, коли показники заломлення розсіювачів світла в тканинах схожі один на одного», — пояснює Чанг. «Хімічні агенти використовуються для зменшення високого показника заломлення розсіювачів, щоб він наблизився до показника самої тканини».
За словами команди DGIST, цей метод може бути використаний для візуалізації тканин мозку з високою роздільною здатністю, ранньої діагностики хвороби Альцгеймера та точної діагностики ракової тканини в поєднанні з технологією ендоскопа. «Я також вважаю, що основну концепцію цього дослідження можна застосувати до оптичних методів терапії, таких як фототермічна та фотодинамічна терапії, щоб підвищити їхню ефективність, оскільки вони також страждають від обмеженого проникнення світла», — говорить Чанг.
