Fotoakustisk avbildning, en teknik för att undersöka levande material genom användning av laserljus och ultraljudsvågor, har många potentiella tillämpningar inom medicin på grund av dess förmåga att visa allt från organ till blodkärl till tumörer.

Caltechs Lihong Wang, en pionjär inom området, har utvecklat varianter av fotoakustisk bildbehandling som kan visa organ som rör sig i realtid, utveckla tredimensionella (3-D) bilder av inre kroppsdelar, och till och med skilja cancerceller från friska celler.

Wang, Bren professor i medicinsk teknik och elektroteknik, har nu ytterligare avancerad fotoakustisk bildteknik med vad han kallar Photoacoustic Topography Through an Ergodic Relay (PATER), som syftar till att förenkla den utrustning som krävs för avbildning av denna typ.

För att förklara hur PATER fungerar, viss bakgrundsinformation behövs. Fotoakustisk avbildning fungerar genom att en puls av laserljus skickas in i vävnaden som ska undersökas. När ljuset träffar molekyler i vävnaden, det får dem att vibrera, skapar ultraljudsvågor som färdas genom vävnaden tills de plockas upp av en typ av sensor som kallas en givare som trycks mot vävnadens yta. Signalerna som detekteras av omvandlarna bearbetas av en dator för att skapa en bild av vävnadens inre struktur.

Detta system fungerar, men för att utveckla en tydlig bild, flera sensorer krävs. En iteration av tekniken använder 512 sensorer som alla måste pressas mot vävnaden på en gång.

"Varje punkt på ytan måste täckas av en rad givare, och det är lite dyrt att bygga, " säger Wang. "Vi funderar på hur vi ska göra vårt system billigare, och bärbar. Det är svårt att göra en array tillräckligt kompakt för att bära."

Att göra systemet billigare och mer kompakt innebär att man använder färre sensorer, men det skulle göra det svårt att samla in tillräckligt med data för att utveckla en bild. Nu, Wang och hans forskargrupp har hittat en lösning:ett så kallat ergodiskt relä.

Inom datorer, Det finns två huvudsakliga sätt att överföra data:seriell och parallell. Vid seriell överföring, data skickas i en enda ström genom en kommunikationskanal. Vid parallell överföring, flera bitar av data skickas samtidigt via flera kommunikationskanaler.

De två typerna av kommunikation är ungefär analoga med hur kassaapparater kan användas i en butik. Seriell kommunikation skulle vara som att ha ett kassaregister. Alla går på samma rad och ser samma kassa. Parallell kommunikation skulle vara som att ha flera register och en linje för varje.

Systemet Wang designat med 512 sensorer liknar butiken med många kassaregister. Alla sensorer fungerar samtidigt, var och en tar in en del av data om ultraljudsvibrationerna som genereras av laserpulsen.

Eftersom ultraljudsvibrationerna från systemet kommer i en kort skur, en enda sensor skulle bli överväldigad om den användes för att försöka samla in all data på den korta tiden. Det är där det ergodiska reläet kommer in.

Som Wang beskriver det, ett ergodiskt relä är en sorts kammare runt vilken ljud kan eka. När ultraljudsvibrationerna passerar genom det ergodiska reläet, de sträcks ut i tiden. För att återgå till kassametaforen, det skulle vara som att ha en annan anställd som hjälper den ensamstående kassörskan genom att säga åt kunderna att gå några varv runt butiken tills kassörskan är redo att se dem, så att kassörskan inte blir överväldigad.

Wang säger att denna första version av PATER-systemet kan generera 2-D-bilder men ännu inte kan generera 3-D-bilder som vissa av hans andra fotoakustiska system. Han tillägger att systemet, när den är mogen, kan också vara användbart för andra medicinska ändamål förutom att bara avbilda vävnader och kroppsstrukturer.

"Vi skulle kanske kunna använda den för att känna av glukosnivåer hos diabetespatienter om vi använder våglängden av ljus som absorberas av glukos, " säger han. "Vi kanske kan köra lipidpaneler? Vi kan känna av alla möjliga kemikalier om vi ställer in systemet för dessa molekyler."

Tidningen som beskriver tekniken, med titeln "Snapshot fotoakustisk topografi genom ett ergodiskt relä för högkapacitetsavbildning av optisk absorption, " visas i numret av 20 januari av Nature Photonics .