Foto-akoestische computertomografie (PACT) is een niet-invasieve hybride beeldvormingstechniek die biologische weefsels prikkelt met licht en de vervolgens gegenereerde echografie detecteert om beelden te vormen. PACT combineert de voordelen van zowel optische beeldvorming:hoog optisch contrast, en ultrasone beeldvorming - hoge resolutie en diepe penetratie in biologische weefsels. PACT is op grote schaal gebruikt voor het in kaart brengen van vasculaire netwerken, functionele hersenbeeldvorming, en tumordetectie in diepe weefsels.

Echter, door ultrasone golven te detecteren, PACT kan niet ontsnappen aan het onheil waarmee alle op golven gebaseerde beeldvormingstechnieken worden geconfronteerd:de diffractie van golven vormt een fundamentele limiet voor de ruimtelijke resolutie ervan. Door ultrasone diffractie, een absorberende puntbron wordt uitgespreid als een schijf (puntspreidingsfunctie) in zijn beeld, die een grootte heeft die vergelijkbaar is met de ultrasone golflengte. Daarom, structuren in weefsels worden uitgesmeerd door deze schijf en wazig, en alle kenmerken die worden gescheiden door een afstand die kleiner is dan de ultrageluidgolflengte kunnen niet worden opgelost. Hoewel een fijnere resolutie kan worden bereikt door ultrageluid met kortere golflengten te detecteren, de verzwakking van ultrageluid in weefsels wordt dienovereenkomstig sterker, penetratie beperken.

Onlangs, onderzoekers van het Caltech Optical Imaging Laboratory, geregisseerd door Lihong Wang, ontwikkelde een techniek voor in vivo superresolutie PACT. Het doorbreekt de akoestische diffractielimiet door de centra te lokaliseren van enkelgekleurde druppeltjes die in bloedvaten stromen. Deze techniek lost hersenbloedvaten op met een zesvoudig fijnere resolutie. Het onderzoek is gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen .

De onderzoekers fabriceerden 'fotoakoestisch heldere' olie-in-waterdruppels met behulp van een oplossing van een hydrofobe kleurstof, namelijk, IR-780 jodide in olie. De afmetingen van de druppeltjes variëren van 4 tot 30 micron, die veel kleiner zijn dan de golflengten van het gedetecteerde ultrageluid, waardoor ze uitstekende fotoakoestische puntbronnen zijn. Door gebruik te maken van hun kleine formaat, vloeistof naleving, en hoge fotoakoestische 'helderheid', eenmaal in de bloedbaan geïnjecteerd, de druppeltjes stromen soepel in bloedcapillairen en bieden uitstekende tracers voor op lokalisatie gebaseerde beeldvorming met superresolutie.

Door de druppeltjes in hersenvaten van levende muizen te injecteren, de onderzoekers bereikten PACT met superresolutie in drie stappen. De eerste stap is het afbeelden van enkelgekleurde druppeltjes met enkelvoudige laserschoten. De data-acquisitietijd van PACT (~ 50 s) is zo kort dat de vloeiende druppels in elk frame bijna bevroren zijn. Het aantal geïnjecteerde druppeltjes werd zo geregeld dat de druppeltjes meer dan een halve akoestische golflengte van elkaar gescheiden zijn, die garandeerde dat het beeld van elk (de schijf) niet overlapt met dat van zijn buren.

De tweede stap is om de exacte positie van elke druppel te bepalen door het midden van de puntspreidingsfunctie te vinden. Doordat de druppels goed gescheiden zijn, hun centra kunnen worden gelokaliseerd met precisies die veel kleiner zijn dan de ultrasone golflengte. Profiteren van druppelstroom, druppeltjes in nauw gescheiden vaten kunnen ruimtelijk worden opgelost zolang ze niet in hetzelfde beeldkader verschijnen.

De laatste stap is om de beeldvormings- en lokalisatieprocessen te herhalen totdat een voldoende dichtheid van bronpunten is verkregen. De onderzoekers verzamelden continu 36, 000 beeldframes en gelokaliseerd in totaal 220, 000 druppels. Door de posities van al deze puntbronnen in één afbeelding te markeren, een super-opgelost beeld kan worden opgebouwd, wat een fijner opgelost vasculair netwerk vertegenwoordigt, omdat de druppeltjes in de bloedvaten zijn opgesloten. De ruimtelijke resolutie van dit beeld overschrijdt de diffractielimiet, omdat het wordt bepaald door de nauwkeurigheid waarmee de positie van elke druppel kan worden geschat. Naast de resolutieverbetering, het volgen van de stromende druppeltjes stelde de onderzoekers ook in staat om de bloedstroomsnelheid in de diepe hersenen van levende muizen te karakteriseren.

Superresolutie PACT van microvasculatuur heeft een opwindend vooruitzicht. De techniek heeft het potentieel om de studie van de normale bloedvatfunctie aanzienlijk te bevorderen, evenals ziekte, zoals angiogenese bij tumoren in diep weefsel.