Forskare har visat ett nytt endoskop som unikt kombinerar fotoakustisk och fluorescerande bild i en enhet ungefär lika tjock som ett människohår. Enheten skulle en dag kunna ge nya insikter i hjärnan genom att göra det möjligt att mäta bloddynamiken samtidigt som neuronaktivitet.

"Att kombinera dessa avbildningsmetoder kan förbättra vår förståelse av hjärnans struktur och beteende under specifika förhållanden, till exempel efter behandling med ett riktat läkemedel, " sa forskargruppsledaren Emmanuel Bossy från CNRS/Université Grenobe Alpes Laboratoire Interdisciplinaire de Physique. "Endoskopets ringa storlek hjälper till att minimera skador på vävnad när det sätts in i hjärnan på små djur för avbildning."

I tidskriften The Optical Society (OSA). Biomedicinsk optik Express , Bossys forskargrupp, i samarbete med Paul C. Beards team från University College London, beskriva deras nya multimodalitetsendoskop och visa att det kan förvärva fotoakustiska och fluorescerande bilder av röda blodkroppar och fluorescerande pärlor.

Två bilder är bättre än en

Att få fluorescens och fotoakustiska bilder med samma enhet ger automatiskt samregistrerade bilder med kompletterande information. Fluorescerande signaler, som skapas när en fluorescerande markör absorberar ljus och återutsänder det med en annan våglängd, är mest användbara för att märka specifika vävnadsregioner. Å andra sidan, fotoakustiska bilder, som fångar en akustisk våg som genereras efter absorption av ljus, kräver inte etiketter och kan därför användas för att avbilda bloddynamik, till exempel.

Det nya endoskopet använder en teknik som kallas optisk vågfrontsformning för att skapa en fokuserad ljuspunkt vid avbildningsspetsen på en mycket liten multi-mode optisk fiber. "Ljus som sprider sig till en fiber med flera lägen förvrängs, gör det omöjligt att se genom fibern, "sa Bossy." Men denna typ av fiber är fördelaktig för endoskopi eftersom den är extremt liten jämfört med buntarna av bildfibrer som används för många medicinska endoskopiska apparater."

För att se igenom multi-mode optisk fiber, forskarna använde den rumsliga ljusmodulatorn för att skicka specifika ljusmönster genom fibern och skapa en fokuspunkt vid avbildningsänden. När fokuspunkten träffar provet, den skapar en signal som kan användas för att bygga upp en bild punkt för punkt genom att rasterskanna punkten över provet. Även om andra forskare har använt multimodfibrer för fluorescensendoskopi, det nya verket representerar första gången som fotoakustisk bildbehandling har införlivats i denna typ av endoskopdesign.

Lägger till ljudkänslighet

Forskarna lade till fotoakustisk bildåtergivning genom att införliva ytterligare, mycket tunn optisk fiber med en speciell sensorspets som är känslig för ljud. Eftersom kommersiellt tillgängliga fiberoptiska akustiska sensorer inte är känsliga eller tillräckligt små för denna applikation, forskarna använde en mycket känslig fiberoptisk sensor som nyligen utvecklats av Beards forskargrupp.

"Den fokuserade ljuspunkten gör att vi kan bygga bilden pixel för pixel samtidigt som vi ökar styrkan hos fluorescens och fotoakustiska signaler eftersom den koncentrerar ljuset vid brännpunkten, " förklarade Bossy. "Detta koncentrerade ljus i kombination med en känslig detektor gjorde det möjligt att få bilder med endast en laserpuls per pixel, medan kommersiella fiberoptiska akustiska sensorer skulle ha krävt många laserpulser."

Forskarna tillverkade en prototyp av mikroendoskop som mätte bara 250 gånger 125 mikron i kvadrat och använde den för att avbilda fluorescerande pärlor och blodkroppar med hjälp av båda avbildningsmetoderna. De upptäckte framgångsrikt flera 1-mikrons fluorescerande pärlor och individuella 6-mikrons röda blodkroppar.

Eftersom fluorescensendoskopi i gnagarens hjärna har utförts av andra forskare, forskarna är övertygade om att deras enhet med dubbla modaliteter kommer att fungera under liknande förhållanden. De fortsätter nu arbetet med att öka enhetens anskaffningshastighet, med ett mål att få några bilder per sekund.