Forskere kombinerer fotoakustisk og fluorescensbilleddannelse i en lille pakke

Forskere har demonstreret et nyt endoskop, der unikt kombinerer fotoakustisk og fluorescerende billeddannelse i en enhed på tykkelsen af ​​et menneskehår. Enheden kunne en dag give ny indsigt i hjernen ved at muliggøre måling af bloddynamik samtidig med neuronal aktivitet.

"Kombination af disse billeddannelsesmetoder kan forbedre vores forståelse af hjernens struktur og adfærd under specifikke tilstande, såsom efter behandling med et målrettet lægemiddel, " sagde leder af forskerholdet Emmanuel Bossy fra CNRS/Université Grenobe Alpes Laboratoire Interdisciplinaire de Physique. "Endoskopets lille størrelse hjælper med at minimere skader på væv, når det indsættes i hjernen på små dyr til billeddannelse."

I tidsskriftet The Optical Society (OSA) Biomedicinsk optik Express , Bossys forskerhold, i samarbejde med Paul C. Beard's team fra University College London, beskrive deres nye multimodalitetsendoskop og vise, at det kan erhverve fotoakustiske og fluorescerende billeder af røde blodlegemer og fluorescerende perler.

To billeder er bedre end ét

Erhvervelse af fluorescens og fotoakustiske billeder med den samme enhed giver automatisk samregistrerede billeder med komplementære oplysninger. Fluorescerende signaler, som dannes, når en fluorescerende markør absorberer lys og genudsender det med en anden bølgelængde, er mest nyttige til mærkning af bestemte områder af væv. På den anden side, fotoakustiske billeder, som fanger en akustisk bølge genereret efter absorption af lys, kræver ikke etiketter og kan dermed bruges til at afbilde bloddynamik, for eksempel.

Det nye endoskop bruger en teknik kaldet optisk bølgefrontformning til at skabe et fokuseret lyspunkt ved billedspidsen af ​​en meget lille multi-mode optisk fiber. "Lys, der forplanter sig til en multi-mode fiber, er forvrænget, gør det umuligt at gennemskue fiberen, "sagde Bossy." Dog, denne type fiber er fordelagtig til endoskopi, fordi den er ekstremt lille sammenlignet med bundterne af billeddannende fibre, der bruges til mange medicinske endoskopiske enheder."

For at gennemskue multi-mode optisk fiber, forskerne brugte den rumlige lysmodulator til at sende bestemte lysmønstre gennem fiberen og skabe et fokuspunkt i billedenden. Når fokuspunktet rammer prøven, det skaber et signal, der kan bruges til at opbygge et billede punkt for punkt ved raster at scanne stedet over prøven. Selvom andre forskere har brugt multimodefibre til fluorescensendoskopi, det nye arbejde repræsenterer første gang, at fotoakustisk billeddannelse er blevet indarbejdet i denne type endoskopdesign.

Tilføjelse af lydfølsomhed

Forskerne tilføjede fotoakustisk billeddannelse ved at inkorporere en yderligere, meget tynd optisk fiber med en speciel sensortip, der er følsom over for lyd. Fordi kommercielt tilgængelige fiberoptiske akustiske sensorer ikke er følsomme eller små nok til denne applikation, forskerne brugte en meget følsom fiberoptisk sensor for nylig udviklet af Beards forskerhold.

"Det fokuserede lyspunkt gør det muligt for os at opbygge billedet pixel for pixel og samtidig øge styrken af ​​fluorescens og fotoakustiske signaler, fordi det koncentrerer lyset ved fokuspunktet, "forklaret Bossy." Dette koncentrerede lys kombineret med en følsom detektor gjorde det muligt at opnå billeder ved hjælp af kun en laserpuls pr. pixel, hvorimod kommercielle fiberoptiske akustiske sensorer ville have krævet mange laserimpulser."

Forskerne fremstillede et prototype -mikroendoskop, der målte kun 250 x 125 mikron i kvadrat og brugte det til at afbilde fluorescerende perler og blodlegemer ved hjælp af begge billeddannelsesmetoder. De opdagede med succes flere 1-mikron fluorescerende perler og individuelle 6-mikron røde blodlegemer.

Fordi fluorescensendoskopi i gnaverens hjerne er blevet udført af andre videnskabsmænd, forskerne er overbeviste om, at deres dobbeltmodalitetsenhed vil fungere under lignende forhold. De fortsætter nu arbejdet med at øge enhedens anskaffelseshastighed, med et mål om at få et par billeder i sekundet.