Fotoakustisk datortomografi (PACT) är en icke-invasiv hybridavbildningsteknik som exciterar biologiska vävnader med ljus och detekterar det därefter genererade ultraljudet för att bilda bilder. PACT kombinerar fördelarna med både optisk bildbehandling – hög optisk kontrast, och ultraljudsavbildning – hög upplösning och djup penetration i biologiska vävnader. PACT har använts i stor utsträckning för kartläggning av kärlnätverk, funktionell hjärnbildning, och tumördetektering i djupa vävnader.

Dock, genom att detektera ultraljudsvågor, PACT kan inte undkomma undergången som alla vågbaserade bildtekniker står inför:diffraktionen av vågor utgör en grundläggande gräns för dess rumsliga upplösning. På grund av ultraljudsfraktion, en absorberande punktkälla sprids ut som en skiva (punktspridningsfunktion) i sin bild, som har en storlek som är jämförbar med ultraljudsvåglängden. Därför, strukturer i vävnader smetas ut av denna skiva och suddas ut, och alla funktioner som är separerade med ett avstånd som är mindre än ultraljudsvåglängden kan inte lösas. Även om finare upplösning kan uppnås genom att detektera ultraljud med kortare våglängder, dämpningen av ultraljud i vävnader blir starkare i enlighet därmed, begränsande penetration.

Nyligen, forskare vid Caltech Optical Imaging Laboratory, regisserad av Lihong Wang, utvecklat en teknik för in vivo superupplöst PACT. Det bryter gränsen för akustisk diffraktion genom att lokalisera centren för enfärgade droppar som flyter i blodkärlen. Denna teknik löser hjärnans blodkärl med en sexfaldig finare upplösning. Forskningen har publicerats i Ljus:Vetenskap och tillämpningar .

Forskarna tillverkade "fotoakustiskt ljusa" olja-i-vattendroppar med en lösning av ett hydrofobt färgämne, nämligen, IR-780 jodid i olja. Storleken på dropparna sträcker sig från 4 till 30 mikron, som är mycket mindre än våglängderna för det detekterade ultraljudet, vilket gör dem till utmärkta fotoakustiska punktkällor. Dra nytta av deras små storlekar, vätskeöverensstämmelse, och hög fotoakustisk 'ljusstyrka', en gång injicerat i blodomloppet, dropparna flyter smidigt i blodkapillärer och ger utmärkta spårämnen för lokaliseringsbaserad superupplöst avbildning.

Genom att injicera dropparna i hjärnkärl hos levande möss, forskarna uppnådde superupplöst PACT i tre steg. Det första steget är att avbilda enfärgade droppar med enstaka laserskott. Datainsamlingstiden för PACT (~ 50 μs) är så kort att de strömmande dropparna nästan fryses i varje bildruta. Antalet injicerade droppar kontrollerades så att droppar separeras med mer än en halv akustisk våglängd, vilket garanterade att bilden av var och en (disken) inte överlappar med grannens.

Det andra steget är att bestämma den exakta positionen för varje droppe genom att hitta mitten av dess punktspridningsfunktion. Eftersom dropparna är väl separerade, deras centrum kan lokaliseras med precisioner som är mycket mindre än ultraljudsvåglängden. Dra nytta av droppflöde, droppar i nära separerade kärl kan lösas rumsligt så länge de inte dyker upp i samma bildram.

Det sista steget är att upprepa avbildnings- och lokaliseringsprocesserna tills en tillräcklig täthet av källpunkter har erhållits. Forskarna förvärvade kontinuerligt 36, 000 bildramar och lokaliserade totalt 220, 000 droppar. Genom att markera positionerna för alla dessa punktkällor i en bild, en superupplöst bild kan byggas upp, vilket representerar ett finare upplöst kärlnät eftersom dropparna är begränsade i kärlen. Den rumsliga upplösningen för denna bild överskrider diffraktionsgränsen, eftersom det bestäms av den noggrannhet med vilken positionen för varje droppe kan uppskattas. Förutom upplösningsförbättringen, spårning av de flödande dropparna tillät också forskarna att karakterisera blodflödeshastigheten i den djupa hjärnan hos levande möss.

Superupplösning PACT av mikrovaskulatur har en spännande framtid. Tekniken har potential att avsevärt främja studiet av normal blodkärlsfunktion, liksom sjukdom, såsom angiogenes i tumörer i djup vävnad.