Die photoakustische Bildgebung ist eine Spitzentechnologie, die Licht und Ton verwendet, um Bilder des Körperinneren zu erzeugen. Wenn ein gepulster Laser die Oberfläche biologischen Gewebes beleuchtet, wird ein Teil der Photonenenergie vom Gewebe absorbiert, um Wärme zu erzeugen. Die Erhöhung der Wärme bewirkt eine thermoelastische Ausdehnung des Gewebes, wodurch Energie in Form von Ultraschallwellen freigesetzt wird. Durch das Scannen der Probe und das Sammeln der entsprechenden photoakustischen Signale können die Forscher 2D- oder 3D-Bilder des biologischen Gewebes rekonstruieren.
Üblicherweise sammeln Ultraschallwandler die photoakustischen Signale. Da Schallwellen jedoch in Luft gedämpft werden, ist es normalerweise notwendig, Wasser oder Ultraschallgel zwischen die Gewebeprobe und den Schallkopf zu geben, um die Empfindlichkeit der Signalerkennung zu gewährleisten. Ein solcher physischer Kontakt oder ein solches Eintauchen kann erhebliche Auswirkungen auf biologische Proben haben, was die Anwendbarkeit herkömmlicher photoakustischer Bildgebung in vielen praktischen Szenarien stark einschränkt.
Andererseits sind aufgrund der inhärenten Struktur- und Materialeigenschaften von Ultraschallwandlern ihre zentrale Ansprechfrequenz und Detektionsbandbreite begrenzt, was die Empfindlichkeit des Systems in Bezug auf die breitbandige Signaldetektion verringern kann. Unter Berücksichtigung dieser Einschränkungen erfordert die traditionelle photoakustische Bildgebung ein Update für qualitativ hochwertige photoakustische Forschung.
Die photoakustische Fernerkundungsbildgebung ist eine neuartige photoakustische Bildgebungsmodalität. Im Gegensatz zur herkömmlichen akustischen Detektion mit Ultraschallwandlern verwendet die photoakustische Fernerkundung einen weiteren Laserstrahl, um akustische Signale zu detektieren. Insbesondere wird eine andere Laserquelle als mit dem Anregungsstrahl konfokaler Sondenstrahl verwendet. Wenn die Probe Energie absorbiert, um einen Anfangsdruck zu erzeugen, ändert sich der Brechungsindex der Probenoberfläche aufgrund der elasto-optischen Brechungsindexmodulation augenblicklich.
Durch Überwachung der Reflexionsintensität des Sondenstrahls können die entsprechenden photoakustischen Signale analysiert werden. Die rein optische Erfassung akustischer Signale eliminiert den direkten Kontakt mit der Probe. Aufgrund der optischen Erfassung kann die Detektionsbandbreite leicht von dem begrenzten Ultraschallwandler auf eine breitere Fotodiode übertragen werden, was die Möglichkeit bietet, die Detektionsempfindlichkeit und das Signal-Rausch-Verhältnis des Systems weiter zu verbessern.
Basierend auf den oben genannten Erkenntnissen hat ein Forschungsteam der University of Hong Kong kürzlich über die photoakustische Fernerkundungsmikroskopie im nahen Infrarot zur berührungslosen Bildgebung von Lipiden berichtet. Wie beschrieben in Advanced Photonics Nexusverwendet die photoakustische Fernerkundungsmikroskopie des Teams einen 1,7-μm-Thulium-dotierten Faserlaser als Pumpstrahl, um selektiv die C-H-Bindung in Lipiden zu stimulieren. Gleichzeitig wird ein weiterer 1,5-μm-Laser mit kontinuierlicher Welle (CW) als Erfassungsstrahl verwendet, der konfokal mit dem Pumpstrahl ist, um den anfänglichen Ultraschalldruck zu erfassen. Diese optische Erfassung von Ultraschallsignalen eliminiert die Verwendung von Ultraschallwandlern und realisiert eine Fernerfassung von photoakustischen Signalen. Gleichzeitig bietet dieses Verfahren eine breitere Detektionsbandbreite und verbessert die Detektionsempfindlichkeit und das Signal-Rausch-Verhältnis des Systems.
In ihrem Experiment demonstrierte das Team zunächst die Bildgebungsergebnisse von zwei Formen reiner Lipidproben durch photoakustische Fernerkundung und analysierte die entsprechende Leistungsspektrumsdichte der Signale. Sie fanden heraus, dass die optische Detektionsmethode im Vergleich zu einem herkömmlichen Wandler einen breiteren Frequenzgang liefern könnte. Sie führten auch photoakustische Fernerkundungsbildgebung an biologischen Proben durch, darunter Nematoden und Gehirnschnitte, die einen guten Kontrast und ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis zeigten, was eine leistungsstarke Bildgebungsfähigkeit im Gewebemaßstab demonstrierte.
„Die photoakustische Fernerkundungsmikroskopie erzielt eine markierungsfreie Bildgebung, die auf spezifische molekulare Bindungen abzielen kann“, bemerkt der korrespondierende Autor Kenneth KY Wong, Professor für Ingenieurwissenschaften an der Universität von Hongkong. Er fügt hinzu: „Die optische Erfassung von Ultraschallsignalen ermöglicht einen berührungslosen Betrieb und einen breiteren Frequenzgang. Unterdessen zeigt die photoakustische Fernerkundungsmikroskopie eine hohe Leistung für die Kartierung der Lipidverteilung im Gewebemaßstab.“
Die neu entwickelte Technik weist auf ein großes Anwendungspotential in einer Vielzahl biomedizinischer Forschung hin.
Mehr Informationen:
Guyue Hu et al, Berührungslose photoakustische Lipidbildgebung durch Fernerkundung am ersten Oberton der CH-Bindung, Advanced Photonics Nexus (2023). DOI: 10.1117/1.APN.2.2.026011