Команда британських дослідників розробила новий ендоскоп, який використовує звук і світло для зображення зразків тканин на молекулярних масштабах, заснований на детекторі, який достатньо малий, щоб поміститися всередину медичної голки. У своєму дослідженні, Венфен Ся та колеги по ст Королівський коледж Лондона та University College London покращив кілька ключових аспектів техніки фотоакустичної обробки зображень – забезпечення швидкого отримання зображень без шкоди для розміру необхідного обладнання.
Фотоакустична ендоскопія — це передова техніка, яка поєднує ультразвук із оптичним ендоскопічним зображенням для створення тривимірних медичних зображень. Він працює, посилаючи лазерні імпульси через оптичне волокно ендоскопа, які поглинаються мікроскопічними структурами всередині тіла. Поглинаючи енергію світла, ці структури генерують акустичні хвилі, які самі вловлюються п’єзоелектричним ультразвуковим детектором і перетворюються на зображення.
Техніка дозволяє дослідникам виділяти широкий спектр мікроскопічних структур: від окремих клітин до ниток ДНК. Він уже розглядає багато обмежень суто оптичних ендоскопів, включаючи їхню нездатність проникати крізь декілька шарів клітин. Проте, незважаючи на ці переваги, фотоакустична ендоскопія все ще стикається з компромісом: щоб досягти вищої швидкості візуалізації, їй потрібні більш громіздкі та дорожчі ультразвукові детектори, що обмежує її застосування в мінімально інвазивній хірургії.
Щоб вирішити цю проблему, команда Ся запровадила новий підхід. Дизайн – повідомив в Експрес біомедичної оптики – перший має «цифрове мікродзеркало», що містить масив із майже мільйона мікроскопічних дзеркал, положення кожного з яких можна швидко регулювати. Дослідники використовували цю установку для точного формування хвильових фронтів лазерних променів, які використовуються для сканування зразків.
Замість п'єзоелектричного ультразвукового детектора дослідники представили набагато менш громіздкий оптичний мікрорезонатор. Встановлюючись на кінець оптичного волокна, цей пристрій містить деформівну епоксидну прокладку, затиснуту між парою спеціалізованих дзеркал. Вхідні ультразвукові хвилі деформують епоксидну смолу, змінюючи відстань між дзеркалами. Це призводить до змін у змінах відбивної здатності мікрорезонатора, оскільки ендоскоп сканується за допомогою растру над зразками.
При дослідженні другим лазером, що подається на кінчик ендоскопа вздовж окремого оптичного волокна, ці варіації змінюють кількість світла, відбитого назад уздовж волокна. Відстежуючи ці зміни, алгоритм, розроблений командою, може створювати зображення зразка та використовувати їх для розрахунку того, як хвильовий фронт скануючого лазера можна налаштувати для створення більш оптимальних зображень. За допомогою цієї інформації цифрове мікродзеркало відповідно налаштовується, і процес повторюється.
Регулюючи фокусну відстань скануючого лазерного променя, ендоскоп також може сканувати зразки з їхніх поверхонь на глибину до 20 мкм, що дозволяє команді Xia створювати оптимізовані 3D-зображення в режимі реального часу.
Щоб продемонструвати ці унікальні можливості, дослідники використали свій пристрій для зображення скупчення еритроцитів миші, розподілених по площі приблизно 100 мкм. Зшиваючи воєдино мозаїку фотоакустичних сканувань, ендоскоп виробляв тривимірні зображення клітин зі швидкістю близько 3 кадрів на секунду.
Грунтуючись на досягнутому успіху, Ся та його колеги тепер сподіваються, що їхній ендоскоп може надихнути на нові досягнення в малоінвазивній хірургії, дозволяючи клініцистам оцінювати молекулярний і клітинний склад тканин у режимі реального часу. У майбутніх дослідженнях команда намагатиметься вивчити, як штучний інтелект може допомогти ще більше підвищити швидкість фотоакустичної обробки зображень.
