Принцип УЗИ-ОКМ для визуализации глубоких тканей.
Предоставлено: Nature Photonics (2022). DOI: 10.1038/s41566-022-01068-х

Оптическая визуализация и терапевтические технологии широко используются в медико-биологических исследованиях и клинической практике. Однако из-за возникновения оптического рассеяния в ткани светопропускание низкое . Следовательно, существует неотъемлемое ограничение в получении изображений и лечении глубоких тканей. Это существенно тормозит расширение области применения.

Чтобы преодолеть это, в 2017 году команда профессора Джин Хо Чанга предположила, что можно будет использовать пузырьки газа микрометрового размера, которые обычно наблюдаются при воздействии на ткани ультразвука высокой интенсивности. Они разработали технологию, основанную на том факте, что пузырьки газа, временно создаваемые ультразвуковыми волнами, вызывают оптическое рассеяние в том же направлении, что и распространение падающего света, тем самым увеличивая глубину проникновения света.

Кроме того, совместная исследовательская группа профессоров Джин Хо Чанг и Джэ Юн Хван сосредоточилась на расширении применения технологии оптической визуализации с использованием пузырьков газа, индуцированных ультразвуком. Конфокальный флуоресцентный микроскоп — это устройство, которое избирательно обнаруживает сигналы флуоресценции, генерируемые в фокальной плоскости света, и обеспечивает высококонтрастные изображения микроструктур, таких как раковые клетки, с высоким разрешением. Это наиболее широко используемое устройство в исследованиях в области наук о жизни из-за его высокой производительности. Однако на глубинах более 100 мкм фокус света размывается из-за рассеяния света, происходящего внутри ткани, что существенно ограничивает применение и эффективность конфокальной флуоресцентной микроскопии.

Чтобы увеличить максимальную глубину изображения оптических методов визуализации, таких как конфокальная флуоресцентная микроскопия, фотоны, составляющие облучаемый свет, не должны иметь явления, при котором направление их распространения искажается из-за рассеяния света в тканях. Однако разработанный ранее метод, основанный на разреженных пузырьках газа, создаваемых ультразвуком, не являлся решением проблемы.

Поэтому эта совместная исследовательская группа разработала ультразвуковую технологию для создания пузырькового слоя в нужной области с плотными пузырьками газа (с плотностью 90% и более) внутри живой ткани и для поддержания образующихся пузырьков газа при получении изображения. В этом газопузырьковом слое искажения направления распространения фотонов не происходит.

Поэтому экспериментально доказано, что фокусировка света возможна даже в более глубоких биологических тканях. Кроме того, путем применения этой технологии (т. е. прозрачности тканей, вызванной ультразвуком) к конфокальному флуоресцентному микроскопу впервые в мире была разработана оптическая просветляющая микроскопия, индуцированная ультразвуком (US-OCM), названная в этом исследовании. глубина изображения в шесть раз больше, чем у обычной конфокальной микроскопии.

В частности, УЗ-ОКМ, разработанный в этом исследовании, не вызывал какого-либо повреждения ткани, потому что при прекращении ультразвукового облучения генерируемые пузырьки газа исчезали, а оптические свойства возвращались к состоянию до образования пузырьков газа, что позволяет предположить, что это безвредно для ткани живого тела.

Профессор Джин Хо Чанг из Департамента электротехники и компьютерных наук DGIST говорит, что «благодаря тесному сотрудничеству с экспертами по ультразвуковой и оптической визуализации мы смогли преодолеть ограничения, присущие существующим технологиям оптической визуализации и лечения».

«Технология, полученная в ходе этого исследования, будет применяться к различным методам оптической визуализации, включая многофотонную микроскопию и фотоакустическую микроскопию, в дополнение к нескольким оптическим терапиям, включая фототермическую терапию и фотодинамическую терапию. Это улучшит применение существующих технологий за счет увеличения их изображения и глубины лечения. "

Результаты этого исследования были опубликованы в журнале Nature Photonics.