Fotoakoestische microscopie met optische resolutie (OR-PAM), een nieuwe hybride beeldvormingstechniek, stelt ons in staat om naar het geluid van licht te luisteren en de kleur van biologisch weefsel zelf te zien. Het kan worden gebruikt voor live, multicontrast functionele beeldvorming, maar de beperkte golflengtekeuze van de meeste commerciële lasers en de beperkingen van de bestaande scanmethoden hebben ertoe geleid dat OR-PAM slechts één of twee verschillende soorten contrast kan verkrijgen in een enkele scan. Deze beperkingen hebben multicontrast functionele beeldvorming tijdrovend gemaakt, en het was moeilijk om de dynamische veranderingen van functionele informatie in biologische weefsels vast te leggen.

Om deze beperkingen te overwinnen, Lidai Wang en zijn onderzoeksteam aan de City University van Hong Kong hebben onlangs een OR-PAM-systeem met meerdere golflengten ontwikkeld op basis van een enkele laserbron. Zoals gemeld in Geavanceerde fotonica , het nieuwe systeem maakt gelijktijdige multicontrast-beeldvorming van de hemoglobineconcentratie mogelijk, snelheid van de bloedstroom, bloed zuurstofverzadiging, en lymfatische concentratie. Deze functionele informatie kan belangrijke subcellulaire inzichten opleveren voor wetenschappers die ziektemodellen bestuderen, bijvoorbeeld in kankeronderzoek.

Fotoakoestische microscopie met optische resolutie

Op basis van de intrinsieke absorptie-eigenschappen van het beoogde biologische weefsel, fotoakoestische beeldvorming maakt gebruik van het feit dat wanneer weefsel wordt aangevallen door een gepulseerde laserstraal, het absorbeert het licht en genereert onmiddellijke warmte. Die warmte veroorzaakt thermische uitzetting, die een mechanische ultrasone golf genereert, bekend als de foto-akoestische (PA) golf. Na het verzamelen van de PA-golf door ultrasone transducer en het reconstrueren van het signaal, wetenschappers kunnen een beeld krijgen dat de lichtabsorptiedistributie in biologisch weefsel laat zien.

Foto-akoestische microscopie met optische resolutie biedt beeldinformatie met hoge resolutie en hoog contrast voor de structuur, morfologie, functie, en metabolisme van biologische weefsels, met vooruitzichten voor brede toepassingen in biomoleculaire beeldvorming.

Vezellaserbron met vijf golflengten

Het team van Wang heeft OR-PAM verbeterd door een vijf-golflengte fiberlaserbron te ontwikkelen op basis van een nanoseconde laserbron met één golflengte. De schakeltijd tussen verschillende golflengten gebeurt op een tijdschaal van minder dan een microseconde, wat mogelijkheden opent voor gelijktijdige multifunctionele OK-PAM. Wang's team valideerde de systeemstabiliteit door de energiefluctuatie en -drift te meten, en testte de beelddiepte, evenals de laterale en axiale resolutie voor OR-PAM-beeldvorming.

Volgens Wang, het systeem is gebaseerd op het gestimuleerde Raman-verstrooiing (SRS) effect. In principe, de gepompte laserbron kan een verstrooide laserstraal genereren met een langere golflengte dan de oorspronkelijke invallende straal door de optische vezel. Wanneer de energie van de gepompte laserbron een bepaalde drempel overschrijdt, de gegenereerde SRS-golflengte behoudt een hoge gerichtheid, hoge monochromaticiteit, en hoge coherentie, wat hem zeer geschikt maakt als laserbron van OR-PAM. De meerdere verstrooide golflengten kunnen worden gebruikt voor fotoakoestische beeldvorming met meerdere contrasten.

Multifunctionele beeldvorming en ziektemodellering

Wang's team ontwikkelde ook een multiparameter-beeldverwerkingsmethode voor het berekenen van de diameter, diepte, kronkeligheid, en andere fysiologische parameters in microvasculaire vaten, het verschaffen van een beeldanalysebasis voor het modelleren van ziekte. Met behulp van de OR-PAM met vijf golflengten, het onderzoeksteam voerde verder multifunctionele beeldvorming uit van tumorontwikkeling, lymfatische klaring, en beeldvorming van de hersenen.

In hun eerste stap, ze voerden multifunctionele microscopische beeldvorming uit van kleine dieren in vivo, inclusief hemoglobineconcentratie, snelheid van de bloedstroom, zuurstofverzadiging, en lymfatische concentratie. Ze analyseerden ook morfologische en functionele verschillen (waaronder diameter, Bloedstroom, zuurstofgehalte in het bloed, enz.) van verschillende bloedvaten in het beeldvormingsgebied.

Aangezien traditionele multifunctionele OK-PAM meerdere scan- en laserbronnen vereist om dergelijke resultaten te bereiken, hun werk heeft twee belangrijke problemen aangepakt. Een daarvan is dat de micro-omgeving van bloedvaten in het weefsel met de tijd verandert, dus meerdere lange termijn scanning veroorzaakt inconsistenties in functionele beeldvorming. De andere is de asynchronie tussen de verschillende laserbronnen. Dergelijke fluctuaties veroorzaken systematische rekenfouten. Deze nieuwe methode kan multifunctionele beeldvorming realiseren met een enkele laserbron en in een enkele scan, wat niet alleen de beeldtijd aanzienlijk verkort, maar verbetert ook de beeldnauwkeurigheid.

Wang merkt op, "In de toekomst, door de scanmethode te optimaliseren, en gecombineerd met de multigolflengte OR-PAM in dit werk, real-time beeldvorming van de dynamische veranderingen voor fysiologische parameters in sommige ziektemodellen kan worden gerealiseerd."