In vivo fotoakustisk computertomografi med superopløsning ved lokalisering af enkeltfarvede dråber

Fotoakustisk computertomografi (PACT) er en ikke-invasiv hybrid billeddannelsesteknik, der ophidser biologiske væv med lys og detekterer den efterfølgende genererede ultralyd for at danne billeder. PACT kombinerer fordelene ved både optisk billeddannelse - høj optisk kontrast, og ultralydsbilleddannelse - høj opløsning og dyb penetration i biologiske væv. PACT har været meget udbredt til kortlægning af vaskulære netværk, funktionel hjernebilleddannelse, og tumordetektion i dybe væv.

Imidlertid, ved at detektere ultralydsbølger, PACT kan ikke undslippe undergangen, som alle bølgebaserede billeddannelsesteknikker står over for:bølgernes diffraktion udgør en grundlæggende grænse for dens rumlige opløsning. På grund af ultralyd diffraktion, en absorberende punktkilde spredes som en disk (punktspredningsfunktion) i sit billede, som har en størrelse, der kan sammenlignes med ultralydsbølgelængden. Derfor, strukturer i væv smøres ud af denne disk og sløres, og alle funktioner, der er adskilt med en afstand, der er mindre end ultralydsbølgelængden, kan ikke løses. Selvom finere opløsning kan opnås ved at detektere ultralyd med kortere bølgelængder, dæmpningen af ​​ultralyd i væv bliver stærkere i overensstemmelse hermed, begrænsende penetration.

For nylig, forskere ved Caltech Optical Imaging Laboratory, instrueret af Lihong Wang, udviklet en teknik til in vivo superopløsning PACT. Det bryder den akustiske diffraktionsgrænse ved at lokalisere centrene for enkeltfarvede dråber, der strømmer i blodkar. Denne teknik løser hjernens blodkar med en seks gange finere opløsning. Forskningen er blevet offentliggjort i Lys:Videnskab og applikationer .

Forskerne fremstillede 'fotoakustisk lyse' olie-i-vanddråber ved hjælp af en opløsning af et hydrofobt farvestof, nemlig, IR-780 iodid i olie. Dråbernes størrelser varierer fra 4 til 30 mikron, som er meget mindre end bølgelængderne af den detekterede ultralyd, hvilket gør dem til fremragende fotoakustiske punktkilder. Udnytter deres små størrelser, flydende overholdelse, og høj fotoakustisk 'lysstyrke', en gang injiceret i blodbanen, dråberne flyder jævnt i blodkapillærer og giver fremragende sporstoffer til lokaliseringsbaseret superopløsningsbilleddannelse.

Ved at injicere dråberne i hjernekar fra levende mus, forskerne opnåede superopløsning PACT i tre trin. Det første trin er at billede enkeltfarvede dråber med enkeltlaserskud. Dataindsamlingstiden for PACT (~ 50 μs) er så kort, at de flydende dråber næsten er frosset i hver ramme. Antallet af de injicerede dråber blev kontrolleret, så dråber adskilles med mere end en halv akustisk bølgelængde, hvilket garanterede billedet af hver enkelt (disken) ikke overlapper med dens naboer.

Det andet trin er at bestemme den nøjagtige position for hver dråbe ved at finde midten af ​​dens punktspredningsfunktion. Fordi dråberne er godt adskilte, deres centre kan lokaliseres med præcisioner, der er meget mindre end ultralydsbølgelængden. Udnytter dråbeflow, dråber i tæt adskilte kar kan løses rumligt, så længe de ikke vises i den samme billedramme.

Det sidste trin er at gentage billeddannelses- og lokaliseringsprocesserne, indtil der er opnået en tilstrækkelig tæthed af kildepunkter. Forskerne erhvervede løbende 36, 000 billedrammer og lokaliseret i alt 220, 000 dråber. Ved at markere positionerne for alle disse punktkilder i ét billede, et superopløst billede kan bygges op, som repræsenterer et finere-løst vaskulært netværk, da dråberne er begrænset inde i karene. Den billedlige opløsning af dette billede overstiger diffraktionsgrænsen, fordi det bestemmes af den nøjagtighed, hvormed placeringen af ​​hver dråbe kan estimeres. Ud over forbedringen af ​​opløsningen, sporing af de flydende dråber tillod også forskerne at karakterisere blodgennemstrømningshastigheden i den dybe hjerne hos levende mus.

Superopløsning PAK af mikrovaskulatur har en spændende udsigt. Teknikken har potentiale til væsentligt at fremme undersøgelsen af ​​normal blodkarfunktion, samt sygdom, såsom angiogenese i tumorer i dybt væv.