Ученые нашли способ усовершенствовать техники фотоакустического медицинского отображения

[donmigel_62]

Ученые нашли способ усовершенствовать техники фотоакустического медицинского отображения

Фотоакустическая методика отображения напоминает ультразвуковую визуализацию. Она использует импульсы света для генерации звуковых волн внутри тканей, которые позволяют сформировать образ, к примеру, кровеносных сосудов или опухолей. Новая фотоакустическая техника, предложенная учеными из США, позволяет преодолеть обычное ограничение – дифракционный предел методики, позволяя исследователям различать отдельные клетки и даже структуры внутри этих клеток. Разработанная методика в будущем позволит реализовать внутриклеточную визуализацию биологических тканей без необходимости добавления флуоресцентных красителей и других контрастных агентов.

Принцип фотоакустической микроскопии (ФАМ) основан на фотоакустическом эффекте. Когда короткий импульс света попадает на материал, он нагревается и незначительно расширяется, что производит звуковые волны, которые вполне можно обнаружить при помощи датчика. Чем сильнее поглощения света в определенной области – тем громче излучаемый звук. Чтобы создать визуальный образ биологической ткани, исследователи последовательно фокусируют лазер в различных точках внутри образца и записывают громкость звука от каждого такого «пикселя». Некоторые биомолекулы, такие как гемоглобин в крови или меланин в коже, обеспечивают очень сильный фотоакустический сигнал, так что в их присутствии не требуется независимый искусственный краситель или контрастный агент, необходимый для других исследовательских методик (в частности, флуоресцентной микроскопии).

Основным преимуществом фотоакустической микроскопии на фоне других исследовательских методик является тот факт, что ФАМ позволяет получить более глубокие изображения живых тканей (по сравнению, к примеру, с флуоресцентной микроскопией), поскольку звуковые волны в этих тканях распространяются на гораздо большие расстояния. Эта особенность позволяет использовать фотоакустическую микроскопию, к примеру, для отображения кровеносных сосудов в руке человека. Кроме того, ученые надеются адаптировать методику и к общему сканированию тела пациентов.

Пространственное разрешение ФАМ определяется шириной фокусной области применяемого лазера, которая не может быть сокращена более чем до 200 нм (таков дифракционный предел лазерного излучения). Флуоресцентная микроскопия, как и другие методики, позволяет применять различные «трюки» для преодоления дифракционного предела, и теперь аналогичные подходы группа ученых из Washington
University (США) предложила использовать для ФАМ.




Как и некоторые методы флуоресцентного отображения высокого разрешения, предложенная учеными модификация ФАМ использует технику фотообесцвечивания – эффект, при котором некоторые молекулы теряют способность поглощать свет определенной длины волны сразу после облучения импульсом этой длины волны. Исследователи предложили использовать два последовательных лазерных импульса, направленных в одну и ту же точку. Первый импульс «обесцвечивает» молекулы в центре фокального пятна (где интенсивность излучения максимальна), оставляя без изменений периферийные молекулы. Второй импульс, таким образом, в состоянии генерировать звуковые волны только от «оболочки» вокруг центральной фокальной области. Вычитание второго звукового сигнала из первого позволяет избавиться от размытых очертаний, получив резкий «пиксель» изображения.

Эксперименты показали, что методика позволяет в 1,7 раза улучшить разрешение при исследовании красных кровяных клеток и в 2 раза улучшить детализацию при исследовании раковых клеток кожи (меланомы). Как считают ученые, именно в изучении меланомы, где биологи заинтересованы в субклеточных особенностях, меньших, чем дифракционный предел стандартных методик наблюдения, предложенная техника может дать наибольший эффект.

Подробные результаты работы описаны в журнале Physical Review Letters.

http://physics.aps.org/articles/v7/3