Carnegie Mellon University's assistent-hoogleraar elektrische en computertechniek (ECE) Maysam Chamanzar en ECE Ph.D. student Matteo Giuseppe Scopelliti heeft vandaag een onderzoek gepubliceerd dat een nieuwe techniek introduceert die ultrageluid gebruikt om niet-invasieve optische beelden te maken door een troebel medium zoals biologisch weefsel om de organen van het lichaam in beeld te brengen. Deze nieuwe methode heeft het potentieel om de noodzaak van invasieve visuele onderzoeken met behulp van endoscopische camera's te elimineren.

Met andere woorden:op een dag, scopen hoeven mogelijk niet langer in het lichaam te worden ingebracht, zoals in de keel of onder de huid, om de maag te bereiken, brein, of andere organen voor onderzoek.

Endoscopische beeldvorming, of het gebruik van camera's die direct in de organen van het lichaam zijn ingebracht om symptomen te onderzoeken, is een invasieve procedure die wordt gebruikt om symptomen van diepe weefselziekte te onderzoeken en te diagnosticeren. Endoscopische beeldvormers, of camera's aan het uiteinde van katheterbuizen of -draden, worden meestal geïmplanteerd via een medische procedure of operatie om de diepe weefsels van het lichaam te bereiken, maar de nieuwe techniek van Chamanzar biedt een volledig niet-chirurgisch en niet-invasief alternatief.

De paper van het lab gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen , een tijdschrift uitgegeven door Springer Nature, laat zien dat ze echografie kunnen gebruiken om een ​​virtuele "lens" in het lichaam te creëren, in plaats van een fysieke lens te implanteren. Door gebruik te maken van ultrasone golfpatronen, de onderzoekers kunnen het licht effectief "focussen" in het weefsel, waardoor ze beelden kunnen maken die nooit eerder toegankelijk waren via niet-invasieve middelen.

Biologisch weefsel kan het meeste licht blokkeren, vooral licht in het zichtbare bereik van het optische spectrum. Daarom, huidige optische beeldvormingsmethoden kunnen geen licht gebruiken om toegang te krijgen tot diep weefsel vanaf het oppervlak. Chamanzars laboratorium, echter, heeft niet-invasieve ultrasone klank gebruikt om meer transparantie te veroorzaken om meer penetratie van licht door troebele media toe te laten, zoals biologisch weefsel.

"In staat zijn om beelden van organen zoals de hersenen door te geven zonder de noodzaak om fysieke optische componenten in te voegen, zal een belangrijk alternatief bieden voor het implanteren van invasieve endoscopen in het lichaam, ", zegt Chamanzar. "We gebruikten ultrasone golven om een ​​virtuele optische relaislens te vormen binnen een bepaald doelmedium, die bijvoorbeeld kan biologisch weefsel zijn. Daarom, het weefsel wordt omgezet in een lens die ons helpt de beelden van diepere structuren vast te leggen en door te geven. Deze methode kan een revolutie teweegbrengen op het gebied van biomedische beeldvorming."

Ultrageluidsgolven kunnen comprimeren en ijlen, of dun, door welk medium ze ook stromen. In gecomprimeerde regio's, licht reist langzamer in vergelijking met ijle gebieden. In deze krant, het team laat zien dat dit compressie- en verdunningseffect kan worden gebruikt om een ​​virtuele lens in het doelmedium te vormen voor optische beeldvorming. Deze virtuele lens kan worden verplaatst zonder het medium te verstoren, simpelweg door de ultrasone golven van buitenaf opnieuw te configureren. Dit maakt het mogelijk om verschillende doelregio's in beeld te brengen, allemaal niet-invasief.

De gepubliceerde methode is een platformtechnologie die in veel verschillende toepassingen kan worden toegepast. In de toekomst, het kan worden geïmplementeerd in de vorm van een handheld-apparaat of een draagbare oppervlaktepatch, afhankelijk van het orgaan dat wordt afgebeeld. Door het apparaat of de pleister op de huid te plaatsen, de clinicus zou gemakkelijk optische informatie van binnenuit het weefsel kunnen ontvangen om beelden te maken van wat erin zit zonder de vele ongemakken en bijwerkingen van endoscopie.

De meest nabije huidige toepassingen voor deze technologie zijn endoscopische beeldvorming van hersenweefsel of beeldvorming onder de huid, maar deze techniek kan ook in andere delen van het lichaam worden gebruikt voor beeldvorming. Naast biomedische toepassingen, deze techniek kan worden gebruikt voor optische beeldvorming in machinevisie, metrologie, en andere industriële toepassingen om niet-destructieve en stuurbare beeldvorming van objecten en structuren op micronschaal mogelijk te maken.

De onderzoekers toonden aan dat de eigenschappen van de virtuele "lens" kunnen worden afgestemd door de parameters van de ultrasone golven te veranderen, waardoor gebruikers afbeeldingen kunnen "focussen" die met de methode op verschillende diepten door het medium zijn genomen. Terwijl de LSA papier is gericht op de werkzaamheid van de methode voor toepassingen die dichter bij het oppervlak liggen, het team moet de limiet nog vinden tot hoe diep in het lichaamsweefsel deze ultrasoon ondersteunde optische beeldvormingsmethode kan reiken.

"Wat ons werk onderscheidt van conventionele akoesto-optische methoden, is dat we het doelmedium zelf gebruiken, wat biologisch weefsel kan zijn, om licht te beïnvloeden terwijl het zich door het medium voortplant, " legt Chamanzar uit. "Deze in-situ interactie biedt mogelijkheden om tegenwicht te bieden aan de niet-idealiteiten die de baan van het licht verstoren."

Deze techniek heeft veel potentiële klinische toepassingen, zoals het diagnosticeren van huidaandoeningen, hersenactiviteit monitoren, en diagnose en fotodynamische therapie voor het identificeren en richten van kwaadaardige tumoren.

Naast de directe implicaties van dit onderzoek voor de klinische geneeskunde, het zal ook indirecte klinische toepassingen hebben. Door deze akoesto-optische technologie te gebruiken om muismodellen van hersenaandoeningen in actie te zien en selectief verschillende neurale paden te stimuleren, onderzoekers zouden de mechanismen kunnen bestuderen die betrokken zijn bij ziektetoestanden zoals Parkinson, het informeren van het ontwerp van klinische therapeutische interventies van de volgende generatie om deze ziekten bij mensen te behandelen.

"troebele media zijn altijd beschouwd als obstakels voor optische beeldvorming, " zegt Scopelliti. "Maar we hebben aangetoond dat dergelijke media kunnen worden omgezet in bondgenoten om het licht te helpen het gewenste doel te bereiken. Als we echografie met het juiste patroon activeren, het troebele medium wordt direct transparant. Het is spannend om na te denken over de mogelijke impact van deze methode op een breed scala van gebieden, van biomedische toepassingen tot computervisie."