Superakologisk fotoakustisk billeddannelse kan give forskere mulighed for at se blodkar med forbedret opløsning

Forskere har rapporteret en tilgang til fotoakustisk billeddannelse, der tilbyder stærkt forbedret opløsning, indstilling af scenen for detaljeret in vivo -billeddannelse af dybt væv. Teknikken er baseret på beregningsmæssige forbedringer, så det kan udføres med eksisterende billeddannelseshardware, og dermed kunne give en praktisk og billig mulighed for at forbedre biomedicinsk billeddannelse til forskning og diagnostik.

Efter yderligere forbedringer, tilgangen kunne give mulighed for at observere de små detaljer om processer, der forekommer i levende væv, såsom vækst af små blodkar, og giver derfor indsigt i normal udvikling eller sygdomsprocesser som kræft.

"Vores hovedmål er at udvikle et mikroskop, der kan se mikrovaskulaturen og kapillarkarrene, "sagde Ori Katz, en forsker ved det hebraiske universitet i Jerusalem, Israel, og seniorforfatter af undersøgelsen. "Det er vigtigt at kunne se disse vokse med tumorer i nærheden, for eksempel."

I Optica , The Optical Society's (OSA) journal for high impact research, forskerne beskriver at overvinde den akustiske diffraktionsgrænse, en barriere, der tidligere begrænsede den opløsning, der kan opnås med fotoakustisk billeddannelse, ved at udnytte signaludsving, der stammer fra de røde blodlegemers naturlige bevægelse. Sådanne udsving kan ellers betragtes som støj eller betragtes som skadelige for målingerne.

"Med fotoakustisk billeddannelse kan du se meget dybere i væv, end du kan med et optisk mikroskop, men opløsningen er begrænset af den akustiske bølgelængde, "Katz sagde." Det, vi har opdaget, er en måde at opnå fotoakustiske billeder med betydeligt bedre opløsning, uden nogen ændring i hardwaren. "

Overvindelse af den akustiske diffraktionsgrænse

Fotoakustisk billeddannelse kombinerer optisk belysning (som bruger lysbølger) og ultralyd (der bruger lydbølger) til at se biologiske prøver på måder, der ikke ville være mulige med hverken modalitet alene. Optiske metoder kan give fremragende opløsning, men ofte kun nær overfladen, da lys er stærkt spredt i væv. Ultralyd kan gå meget dybere, men giver ikke den samme kontrast som optisk billeddannelse. Ved at integrere de to metoder, forskere har været i stand til at overvinde ulemperne ved hver enkelt at fremme et væld af applikationer.

Imidlertid, billedbehandlingsteknikken har visse begrænsninger. Fotoakustisk billeddannelse er afhængig af akustisk detektion, så billedopløsningen bestemmes af den akustiske bølgelængde. Mens optisk mikroskopi, for eksempel, kan se objekter på en skala på mindre end en mikron, fotoakustisk billeddannelse er begrænset til titalls mikron. Det betyder, at fotoakustisk billeddannelse ikke kan løse små genstande som mikrokar eller kapillærer.

Katz udarbejdede metoden til at overgå grænsen for akustisk diffraktion i samarbejde med Emmanuel Bossy, nu på Université Grenoble Alpes i Grenoble, Frankrig. Kernen i deres arbejde er en avanceret statistisk analyse ramme, som de anvender på billeder af røde blodlegemer, der strømmer gennem karrene; blodcellerne letter billeddannelse ved at absorbere lys ved bestemte bølgelængder. Ved at øge opløsningen beregningsmæssigt, de undgik behovet for yderligere hardware, så de beskrevne fremskridt kan opnås ved hjælp af eksisterende fotoakustiske billeddannelsessystemer.

Henter inspiration fra en fluorescensbaseret teknik

De værktøjer, der er nødvendige for at opnå superopløsning med fotoakustisk billeddannelse, blev beskrevet for næsten et årti siden i et arbejde i optisk mikroskopi med teknikken superopløsning optisk fluktuationsbilleddannelse (SOFI). Katz og kolleger kom til dette arbejde efter at have kæmpet med problemet med den akustiske diffraktionsgrænse og opdagede, at den samme matematik, der blev brugt med SOFI, kunne bruges til at forbedre fotoakustisk billeddannelse.

"Nogen skulle bare oprette forbindelsen, "Sagde Katz." Det er den samme ligning - bølgelegningen. Matematisk, man kan sige, at det er det samme problem. "

I en undersøgelse offentliggjort i Optica sidste år, Katz og hans kolleger demonstrerede evnen til at overskride grænsen for akustisk diffraktion ved hjælp af en SOFI-inspireret fotoakustisk billedteknik. Det arbejde havde to hovedbegrænsninger. Først, det krævede brug af en laser med lang kohærens, ikke en standard del af fotoakustiske billeddannelsessystemer, for at danne dynamiske strukturerede interferensmønstre kaldet speckle for at skabe signaludsving. Sekund, på grund af deres små dimensioner, brugen af ​​pletter som dynamisk belysning resulterede i, at udsvingene havde en lav amplitude i forhold til det gennemsnitlige fotoakustiske signal, hvilket igen gjorde det svært at løse den pågældende prøve.

I det nye Optica undersøgelse, forskerne viste, at de kunne overvinde disse begrænsninger ved at anvende den statistiske analyseramme på de iboende signalsvingninger forårsaget af strømmen af ​​røde blodlegemer - så forskerne ikke behøvede at stole på sammenhængende struktureret belysning - og demonstrerede endvidere eksperimentelt, at de kunne udføre superopløselig fotoakustisk billeddannelse ved hjælp af et konventionelt billeddannelsessystem.

Bevæger sig mod in vivo -brug

Demonstrationen tjente som et principbevis for den nye teknik. Forskerne fokuserer nu på at udvikle det yderligere, at opfylde sit potentiale for in vivo -applikationer.

Katz beskrev to hovedudfordringer for at nå dette mål. Det første er problemet med bevægelsesartefakter. I deres demonstration, forskerne afbildede blodstrømning gennem små rør. I dyremodeller og hos mennesker, selvom, blodgennemstrømning er kun et af de bevægelser, de skal overveje. Teknikken skal også tage højde for hjerteslag, fartøjernes skiftende volumen og endda mikroskala bevægelser af selve vævet.

Den anden hovedudfordring vedrører signalniveauer. I de seneste forsøg var blod den eneste absorber i spil, men i virkelige scenarier ville andre absorbere være til stede. Forskerne arbejder nu på måder til bedre at se signalet, der stammer fra flow, mens de undertrykker eventuelle baggrundsignaler.

Udover at tackle disse udfordringer, teamet arbejder på at anvende sofistikerede genopbygningsalgoritmer, der yderligere vil øge opløsningen og baggrundsreduktionen ved at tage hensyn til forudgående oplysninger om blodgennemstrømning, billeddannelsessystemets respons og andre faktorer.