Visste du att musik och bilddiagnostik har något gemensamt? Ljud har en lägre eller högre tonhöjd beroende på storleken på objektet som skapar dem. Tubas och kontrabasar är stora och producerar djupa, låga ljud, medan flöjter och fioler är små och producerar höga ljud. Vad som är intressant är att samma effekt uppstår när biologiska strukturer som celler eller vävnader avger ljud - tonhöjden varierar med storleken.

Men vilken typ av ljud gör biologiska strukturer? Dessutom, hur kan vi lyssna på dem?

Utnyttja korrelationen mellan storlek och tonhöjd, en Ryerson-ledd forskargrupp som arbetar från Institute for Biomedical Engineering, Science &Technology (iBEST) vid St. Michael's Hospital utvecklade nyligen ett sätt att avbilda så nytt att deras studieresultat publicerades i tidskriften Nature, Kommunikationsfysik .

En uppskattning av detta genombrott börjar med grunderna för fotoakustisk (PA) bildbehandling, en modalitet som snabbt vinner inslag i biomedicinsk forskning. Liksom sin kusin Ultrasound (US) bildbehandling, PA-avbildning skapar en visuell bild av biologiska strukturer genom att samla in ljudvågor.

Medan amerikansk bildteknik involverar att skicka ljudvågor in i en biologisk struktur och lyssna på ekon när de studsar runt, PA-bildteknik gör något helt annat.

"Med fotoakustisk bildbehandling, vi projicerar ljus in i strukturer som kommer att absorbera det, såsom blodkärl, " säger Dr Michael Kolios, PA:s bildpionjär som övervakade studien. "Ljusvågor gör att biologiska strukturer värms upp med en liten bråkdel, vilket utlöser en nästan omärklig expansion i volym. När det händer, ljud genereras, som åska efter ett blixtnedslag."

De flesta befintliga PA-bildtekniker mäter amplitud (ljudstyrka), visar områden som avger högre ljud med ljusare pixlar. Vad det Ryerson-ledda teamet ville utveckla var en teknik som skulle mäta frekvensen (tonhöjden) av ljud som emitteras från biologiska strukturer.

"Beroende på storleken på en biologisk struktur, tonhöjden på ljudvågorna den avger kommer att vara högre eller lägre, " säger Dr Michael Moore, en Medical Physics Resident vid Grand River Hospital i Kitchener som ledde forskargruppen som doktorand under ledning av Kolios. "Om vi ​​kunde filtrera inkommande ljud efter frekvens, vi kan skapa bilder som fokuserar på strukturer av en viss storlek, som skulle hjälpa till att avslöja funktioner som annars kan vara dolda eller mindre framträdande."

Teamet utvecklade en teknik som de kallar F-Mode (för frekvens), vilket gjorde det möjligt för dem att dela in PA-signaler i olika frekvensband. De visade sedan framgångsrikt selektiv förbättring av egenskaper av olika storlekar i prover från biologiska celler till levande zebrafisklarver - allt utan användning av kontrastfärger som vanligtvis skulle krävas av andra toppmoderna bildtekniker.

Moore och Kolios är snabba med att påpeka att en nyckel till deras framgång var möjligheten att arbeta på iBEST och med Dr. Xiao-Yan Wen och hans team på Zebrafish Center for Advanced Drug Discovery. "Utan kunskapen och expertis från teamet på Wen Lab, det skulle inte ha varit möjligt att visa att vår teknik fungerar, säger Moore.

Forskargruppen, som inkluderar Ryerson Biomedical Physics doktorander Eno Hysi och Muhannad Fadhel, tar nu steg mot att översätta F-Mode till kliniska tillämpningar, där det kommer att vara till stor nytta. Till exempel, förmågan att segmentera och förbättra egenskaper hos olika skalor har betydande potential inom områden som oftalmologi, neurokirurgi och upptäckt av olika tillstånd såsom hypertoni.