Los investigadores han informado de un enfoque para la obtención de imágenes fotoacústicas que ofrece una resolución muy mejorada, preparando el escenario para la obtención de imágenes in vivo detalladas de tejido profundo. La técnica se basa en mejoras computacionales, para que se pueda realizar con el hardware de imágenes existente, y, por lo tanto, podría proporcionar una opción práctica y de bajo costo para mejorar las imágenes biomédicas para la investigación y el diagnóstico.

Después de más refinamientos, el enfoque podría ofrecer la oportunidad de observar los detalles minuciosos de los procesos que ocurren en los tejidos vivos, como el crecimiento de pequeños vasos sanguíneos, y, por lo tanto, proporcionar información sobre el desarrollo normal o los procesos patológicos como el cáncer.

"Nuestro principal objetivo es desarrollar un microscopio que pueda ver la microvasculatura y los vasos capilares, "dijo Ori Katz, investigador de la Universidad Hebrea de Jerusalén, Israel, y autor principal del estudio. "Es importante poder ver cómo estos crecen con los tumores cercanos, por ejemplo."

En Optica , La revista de la Optical Society (OSA) para investigaciones de alto impacto, los investigadores describen superar el límite de difracción acústica, una barrera que anteriormente limitaba la resolución obtenible con imágenes fotoacústicas, explotando las fluctuaciones de señal derivadas del movimiento natural de los glóbulos rojos. De lo contrario, dichas fluctuaciones podrían considerarse ruido o verse como perjudiciales para las mediciones.

"Con las imágenes fotoacústicas, puede ver mucho más profundamente en el tejido que con un microscopio óptico, pero la resolución está limitada por la longitud de onda acústica, ", Dijo Katz." Lo que hemos descubierto es una forma de obtener imágenes fotoacústicas con una resolución considerablemente mejor, sin ningún cambio en el hardware ".

Superar el límite de difracción acústica

Las imágenes fotoacústicas combinan iluminación óptica (que usa ondas de luz) y ultrasonido (que usa ondas de sonido) para obtener imágenes de muestras biológicas de formas que no serían posibles con ninguna de las dos modalidades por sí solas. Los métodos ópticos pueden proporcionar una resolución excelente, pero a menudo solo cerca de la superficie, ya que la luz está muy dispersa en el tejido. El ultrasonido puede ser mucho más profundo, pero no ofrece el mismo contraste que las imágenes ópticas. Integrando las dos modalidades, los investigadores han podido superar los inconvenientes de cada uno para avanzar en una gran cantidad de aplicaciones.

Sin embargo, la técnica de imagen tiene ciertas limitaciones. Las imágenes fotoacústicas se basan en la detección acústica, por lo que la resolución de la imagen está determinada por la longitud de onda acústica. Mientras que la microscopía óptica, por ejemplo, puede ver objetos en la escala de menos de una micra, La formación de imágenes fotoacústicas está limitada a decenas de micrones. Esto significa que las imágenes fotoacústicas no pueden resolver objetos pequeños como microvasos o capilares.

Katz ideó el método para superar el límite de difracción acústica en colaboración con Emmanuel Bossy, ahora en la Université Grenoble Alpes en Grenoble, Francia. En el corazón de su trabajo se encuentra un marco de análisis estadístico avanzado que aplican a las imágenes de los glóbulos rojos que fluyen a través de los vasos; las células sanguíneas facilitan la obtención de imágenes al absorber luz en longitudes de onda particulares. Al aumentar la resolución computacionalmente, evitaron la necesidad de hardware adicional, por lo que los avances descritos se pueden lograr utilizando los sistemas de imágenes fotoacústicas existentes.

Inspirándose en una técnica basada en la fluorescencia

Las herramientas necesarias para lograr la súper resolución con imágenes fotoacústicas fueron descritas hace casi una década en un trabajo en microscopía óptica con la técnica de imágenes de fluctuación óptica de súper resolución (SOFI). Katz y sus colegas llegaron a este trabajo después de lidiar con el problema del límite de difracción acústica y descubrieron que las mismas matemáticas utilizadas con SOFI podrían usarse para mejorar las imágenes fotoacústicas.

"Alguien solo necesitaba hacer la conexión, ", Dijo Katz." Es la misma ecuación:la ecuación de onda. Matemáticamente, se podría decir que es el mismo problema ".

En un estudio publicado en Optica el año pasado, Katz y sus colegas demostraron la capacidad de superar el límite de difracción acústica utilizando una técnica de imagen fotoacústica inspirada en SOFI. Ese trabajo tenía dos limitaciones principales. Primero, requirió el uso de un láser de coherencia larga, no es una parte estándar de los sistemas de imágenes fotoacústicas, para formar patrones de interferencia estructurados dinámicos llamados moteado para crear las fluctuaciones de la señal. Segundo, por sus reducidas dimensiones, el uso de motas como iluminación dinámica dio como resultado que las fluctuaciones tuvieran una amplitud baja con respecto a la señal fotoacústica media, lo que a su vez dificultaba la resolución del espécimen en cuestión.

En el nuevo Optica estudio, los investigadores demostraron que podían superar estas limitaciones aplicando el marco de análisis estadístico a las fluctuaciones de señal inherentes causadas por el flujo de glóbulos rojos, por lo que los investigadores no necesitaban depender de una iluminación estructurada coherente, y además demostraron experimentalmente que podían Realice imágenes fotoacústicas de superresolución utilizando un sistema de imágenes convencional.

Avanzando hacia el uso in vivo

La demostración sirvió como prueba de principio de la nueva técnica. Los investigadores ahora están enfocados en desarrollarlo más, para aprovechar su potencial para aplicaciones in vivo.

Katz describió dos desafíos principales para alcanzar este objetivo. El primero es el problema de los artefactos de movimiento. En su demostración, los investigadores obtuvieron imágenes de sangre fluyendo a través de pequeños tubos. En modelos animales y en humanos, aunque, el flujo sanguíneo es solo uno de los movimientos que tendrían que considerar. La técnica también debería tener en cuenta los latidos del corazón, el volumen cambiante de los vasos e incluso los movimientos a microescala del propio tejido.

El otro desafío principal se relaciona con los niveles de señal. En experimentos recientes, la sangre fue el único absorbente en juego, pero en escenarios del mundo real estarían presentes otros absorbentes. Los investigadores ahora están trabajando en formas de ver mejor la señal que se origina en el flujo mientras se suprimen las señales de fondo.

Además de abordar estos desafíos, el equipo está trabajando para aplicar algoritmos de reconstrucción sofisticados que aumentarán aún más la resolución y la reducción del fondo al tener en cuenta la información previa sobre el flujo sanguíneo, la respuesta del sistema de imágenes y otros factores.