Forskare har rapporterat ett tillvägagångssätt för fotoakustisk avbildning som erbjuder väsentligt förbättrad upplösning, ställa scenen för detaljerad in vivo avbildning av djup vävnad. Tekniken är baserad på beräkningsförbättringar, så det kan utföras med befintlig bildhårdvara, och därmed kunna ge ett praktiskt och billigt alternativ för att förbättra biomedicinsk avbildning för forskning och diagnostik.

Efter ytterligare förbättringar, tillvägagångssättet kan erbjuda möjlighet att observera de små detaljerna i processer som sker i levande vävnad, såsom tillväxt av små blodkärl, och ger därför insikter om normal utveckling eller sjukdomsprocesser som cancer.

"Vårt främsta mål är att utveckla ett mikroskop som kan se mikrovaskulaturen och kapillärkärlen, "sa Ori Katz, en forskare vid hebreiska universitetet i Jerusalem, Israel, och senior författare till studien. "Det är viktigt att kunna se dessa växa med tumörer i närheten, till exempel."

I Optica , The Optical Society's (OSA) tidskrift för högeffektiv forskning, forskarna beskriver att övervinna gränsen för akustisk diffraktion, en barriär som tidigare begränsade upplösningen med fotoakustisk avbildning, genom att utnyttja signalfluktuationer som härrör från röda blodkroppars naturliga rörelse. Sådana fluktuationer kan annars betraktas som buller eller ses som skadliga för mätningarna.

"Med fotoakustisk avbildning kan du se mycket djupare i vävnaden än du kan med ett optiskt mikroskop, men upplösningen begränsas av den akustiska våglängden, "Katz sa." Det vi har upptäckt är ett sätt att få fotoakustiska bilder med betydligt bättre upplösning, utan någon förändring av hårdvaran. "

Övervinna gränsen för akustisk diffraktion

Fotoakustisk avbildning kombinerar optisk belysning (som använder ljusvågor) och ultraljud (som använder ljudvågor) för att avbilda biologiska prover på sätt som inte skulle vara möjliga med endera modaliteten ensam. Optiska metoder kan ge utmärkt upplösning men ofta bara nära ytan eftersom ljus är mycket spritt i vävnad. Ultraljud kan gå mycket djupare men erbjuder inte samma kontrast som optisk bildbehandling. Genom att integrera de två metoderna, forskare har kunnat övervinna nackdelarna med varje för att avancera en mängd applikationer.

Dock, bildtekniken har vissa begränsningar. Fotoakustisk avbildning är beroende av akustisk detektion, så bildupplösningen bestäms av den akustiska våglängden. Medan optisk mikroskopi, till exempel, kan se föremål på skalan mindre än en mikron, fotoakustisk avbildning är begränsad till tiotals mikron. Det betyder att fotoakustisk avbildning inte kan lösa små föremål som mikrokärl eller kapillärer.

Katz utarbetade metoden för att överskrida gränsen för akustisk diffraktion i samarbete med Emmanuel Bossy, nu på Université Grenoble Alpes i Grenoble, Frankrike. Kärnan i deras arbete är en avancerad statistisk analysram som de tillämpar på bilder av röda blodkroppar som strömmar genom kärlen; blodcellerna underlättar avbildning genom att absorbera ljus vid särskilda våglängder. Genom att öka upplösningen beräknat, de undvek behovet av ytterligare hårdvara, så att de beskrivna framstegen kan uppnås med hjälp av befintliga fotoakustiska avbildningssystem.

Hämtar inspiration från en fluorescensbaserad teknik

Verktygen som behövs för att uppnå superupplösning med fotoakustisk avbildning beskrevs för nästan ett decennium sedan i ett arbete inom optisk mikroskopi med tekniken superupplöst optisk fluktuationsavbildning (SOFI). Katz och kollegor kom till detta arbete efter att ha kämpat med problemet med gränsen för akustisk diffraktion och upptäckte att samma matematik som används med SOFI kan användas för att förbättra fotoakustisk avbildning.

"Någon behövde bara göra anslutningen, "Sa Katz." Det är samma ekvation - vågekvationen. Matematiskt, man kan säga att det är samma problem. "

I en studie publicerad i Optica förra året, Katz och hans kollegor visade förmågan att överskrida gränsen för akustisk diffraktion med en SOFI-inspirerad fotoakustisk bildteknik. Det arbetet hade två huvudbegränsningar. Först, det krävde användning av en långkoherenslaser, inte en standarddel i fotoakustiska bildsystem, för att bilda dynamiska strukturerade interferensmönster som kallas speckle för att skapa signalfluktuationer. Andra, på grund av deras små dimensioner, användningen av fläckar som dynamisk belysning resulterade i att fluktuationerna hade en låg amplitud med avseende på den genomsnittliga fotoakustiska signalen, vilket i sin tur gjorde det svårt att lösa exemplaret i fråga.

I det nya Optica studie, forskarna visade att de kunde övervinna dessa begränsningar genom att tillämpa den statistiska analysramen på de inneboende signalfluktuationerna som orsakas av flödet av röda blodkroppar - så forskarna behövde inte förlita sig på sammanhängande strukturerad belysning - och visade dessutom experimentellt att de kunde utföra superupplöst fotoakustisk avbildning med ett konventionellt bildsystem.

Går mot användning in vivo

Demonstrationen fungerade som ett principbevis för den nya tekniken. Forskarna är nu inriktade på att utveckla det ytterligare, för att uppfylla sin potential för in vivo -applikationer.

Katz beskrev två huvudutmaningar för att nå detta mål. Det första är problemet med rörelseartefakter. I deras demonstration, forskarna avbildade blod som strömmade genom små rör. I djurmodeller och hos människor, fastän, blodflödet är bara en av de rörelser de skulle behöva överväga. Tekniken skulle också behöva redogöra för hjärtslaget, kärlens förändrade volym och till och med mikroskala rörelser i själva vävnaden.

Den andra huvudutmaningen gäller signalnivåer. I de senaste experimenten var blod den enda absorberaren i spelet, men i verkliga scenarier skulle andra absorberare vara närvarande. Forskarna arbetar nu med sätt att bättre se signalen som härrör från flöde samtidigt som de undertrycker eventuella bakgrundssignaler.

Förutom att hantera dessa utmaningar, teamet arbetar med att tillämpa sofistikerade rekonstruktionsalgoritmer som ytterligare kommer att öka upplösningen och bakgrundsminskningen genom att ta hänsyn till tidigare information om blodflöde, bildsystemets svar och andra faktorer.