I ricercatori hanno segnalato un approccio all'imaging fotoacustico che offre una risoluzione notevolmente migliorata, ponendo le basi per l'imaging in vivo dettagliato dei tessuti profondi. La tecnica si basa su miglioramenti computazionali, in modo che possa essere eseguito con l'hardware di imaging esistente, e quindi potrebbe fornire un'opzione pratica ea basso costo per migliorare l'imaging biomedico per la ricerca e la diagnostica.

Dopo ulteriori affinamenti, l'approccio potrebbe offrire l'opportunità di osservare i minimi dettagli dei processi che si verificano nei tessuti viventi, come la crescita di minuscoli vasi sanguigni, e quindi fornire approfondimenti sul normale sviluppo o sui processi patologici come il cancro.

"Il nostro obiettivo principale è sviluppare un microscopio in grado di vedere il microcircolo e i vasi capillari, " disse Ori Katz, un ricercatore presso l'Università Ebraica di Gerusalemme, Israele, e autore senior dello studio. "È importante essere in grado di vederli crescere con i tumori vicini, Per esempio."

In ottica , La rivista della Optical Society (OSA) per la ricerca ad alto impatto, i ricercatori descrivono il superamento del limite di diffrazione acustica, una barriera che in precedenza limitava la risoluzione ottenibile con l'imaging fotoacustico, sfruttando le fluttuazioni del segnale derivanti dal movimento naturale dei globuli rossi. Tali fluttuazioni potrebbero altrimenti essere considerate rumore o considerate dannose per le misurazioni.

"Con l'imaging fotoacustico puoi vedere molto più in profondità nei tessuti rispetto a quanto puoi con un microscopio ottico, ma la risoluzione è limitata dalla lunghezza d'onda acustica, " ha detto Katz. "Quello che abbiamo scoperto è un modo per ottenere immagini fotoacustiche con una risoluzione notevolmente migliore, senza alcun cambiamento nell'hardware."

Superare il limite di diffrazione acustica

L'imaging fotoacustico combina l'illuminazione ottica (che utilizza le onde luminose) e gli ultrasuoni (che utilizza le onde sonore) per visualizzare campioni biologici in modi che non sarebbero possibili con nessuna delle due modalità da sole. I metodi ottici possono fornire un'eccellente risoluzione, ma spesso solo vicino alla superficie poiché la luce è altamente dispersa nei tessuti. Gli ultrasuoni possono andare molto più in profondità ma non offrono lo stesso contrasto dell'imaging ottico. Integrando le due modalità, i ricercatori sono stati in grado di superare gli svantaggi di ciascuno per far avanzare una serie di applicazioni.

Però, la tecnica di imaging ha alcune limitazioni. L'imaging fotoacustico si basa sul rilevamento acustico, quindi la risoluzione dell'immagine è determinata dalla lunghezza d'onda acustica. Mentre la microscopia ottica, Per esempio, può vedere oggetti su una scala inferiore a un micron, l'imaging fotoacustico è limitato a decine di micron. Ciò significa che l'imaging fotoacustico non è in grado di risolvere piccoli oggetti come microvasi o capillari.

Katz ha ideato il metodo per superare il limite di diffrazione acustica in collaborazione con Emmanuel Bossy, ora all'Université Grenoble Alpes di Grenoble, Francia. Al centro del loro lavoro c'è un quadro avanzato di analisi statistica che applicano alle immagini dei globuli rossi che scorrono attraverso i vasi; le cellule del sangue facilitano l'imaging assorbendo la luce a particolari lunghezze d'onda. Aumentando la risoluzione computazionalmente, hanno evitato la necessità di hardware aggiuntivo, quindi i progressi descritti possono essere raggiunti utilizzando i sistemi di imaging fotoacustico esistenti.

Traendo ispirazione da una tecnica basata sulla fluorescenza

Gli strumenti necessari per ottenere la super-risoluzione con l'imaging fotoacustico sono stati descritti quasi un decennio fa in un lavoro di microscopia ottica con la tecnica dell'imaging a fluttuazione ottica a super-risoluzione (SOFI). Katz e colleghi sono giunti a questo lavoro dopo aver affrontato il problema del limite di diffrazione acustica e hanno scoperto che la stessa matematica utilizzata con SOFI potrebbe essere utilizzata per migliorare l'imaging fotoacustico.

"Qualcuno aveva solo bisogno di stabilire la connessione, "Ha detto Katz. "È la stessa equazione, l'equazione delle onde. Matematicamente, si potrebbe dire che è lo stesso problema."

In uno studio pubblicato su ottica l'anno scorso, Katz e i suoi colleghi hanno dimostrato la capacità di superare il limite di diffrazione acustica utilizzando una tecnica di imaging fotoacustica ispirata a SOFI. Quel lavoro aveva due limiti principali. Primo, richiedeva l'uso di un laser a lunga coerenza, non è una parte standard dei sistemi di imaging fotoacustico, al fine di formare modelli di interferenza strutturati dinamici chiamati speckle per creare le fluttuazioni del segnale. Secondo, per le loro piccole dimensioni, l'uso di macchioline come illuminazione dinamica ha comportato fluttuazioni di bassa ampiezza rispetto al segnale fotoacustico medio, che a sua volta ha reso difficile la risoluzione dell'esemplare in questione.

Nel nuovo ottica studio, i ricercatori hanno dimostrato di poter superare queste limitazioni applicando il quadro dell'analisi statistica alle fluttuazioni del segnale intrinseche causate dal flusso dei globuli rossi, quindi i ricercatori non avevano bisogno di fare affidamento su un'illuminazione strutturata coerente, e inoltre hanno dimostrato sperimentalmente che potevano eseguire immagini fotoacustiche ad alta risoluzione utilizzando un sistema di imaging convenzionale.

Verso l'uso in vivo

La dimostrazione è servita come prova di principio per la nuova tecnica. I ricercatori sono ora concentrati sullo sviluppo ulteriore, per realizzare il suo potenziale per applicazioni in vivo.

Katz ha descritto due sfide principali per raggiungere questo obiettivo. Il primo è il problema degli artefatti da movimento. Nella loro dimostrazione, i ricercatori hanno ripreso il sangue che scorre attraverso piccoli tubi. Nei modelli animali e nell'uomo, anche se, il flusso sanguigno è solo uno dei movimenti che dovrebbero prendere in considerazione. La tecnica dovrebbe anche tenere conto del battito cardiaco, il volume variabile dei vasi e persino i movimenti su microscala del tessuto stesso.

L'altra sfida principale riguarda i livelli di segnale. In recenti esperimenti il ​​sangue era l'unico assorbitore in gioco, ma negli scenari del mondo reale sarebbero presenti altri assorbitori. I ricercatori stanno ora lavorando su modi per vedere meglio il segnale proveniente dal flusso sopprimendo eventuali segnali di fondo.

Oltre ad affrontare queste sfide, il team sta lavorando per applicare sofisticati algoritmi di ricostruzione che aumenteranno ulteriormente la risoluzione e la riduzione del fondo tenendo conto delle informazioni precedenti sul flusso sanguigno, la risposta del sistema di imaging e altri fattori.