Os pesquisadores relataram uma abordagem à imagem fotoacústica que oferece uma resolução muito melhor, preparando o terreno para imagens detalhadas in vivo de tecidos profundos. A técnica é baseada em melhorias computacionais, para que possa ser realizado com o hardware de imagem existente, e, portanto, pode fornecer uma opção prática e de baixo custo para melhorar a imagem biomédica para pesquisa e diagnóstico.

Após mais refinamentos, a abordagem pode oferecer a oportunidade de observar os detalhes minuciosos dos processos que ocorrem no tecido vivo, como o crescimento de pequenos vasos sanguíneos, e, portanto, fornecer informações sobre o desenvolvimento normal ou processos de doenças como o câncer.

"Nosso principal objetivo é desenvolver um microscópio que possa ver a microvasculatura e os vasos capilares, "disse Ori Katz, um pesquisador da Universidade Hebraica de Jerusalém, Israel, e autor sênior do estudo. "É importante poder observá-los crescer com tumores próximos, por exemplo."

No Optica , O jornal da The Optical Society (OSA) para pesquisas de alto impacto, os pesquisadores descrevem a superação do limite de difração acústica, uma barreira que anteriormente limitava a resolução obtida com imagens fotoacústicas, explorando as flutuações de sinal decorrentes do movimento natural dos glóbulos vermelhos. De outra forma, tais flutuações podem ser consideradas ruído ou vistas como prejudiciais às medições.

"Com a imagem fotoacústica, você pode ver muito mais profundamente no tecido do que com um microscópio óptico, mas a resolução é limitada pelo comprimento de onda acústica, "Katz disse." O que descobrimos é uma maneira de obter imagens fotoacústicas com resolução consideravelmente melhor, sem qualquer alteração no hardware. "

Superando o limite de difração acústica

A imagem fotoacústica combina iluminação óptica (que usa ondas de luz) e ultrassom (que usa ondas sonoras) para obter imagens de amostras biológicas de maneiras que não seriam possíveis com qualquer uma das modalidades sozinhas. Os métodos ópticos podem fornecer excelente resolução, mas muitas vezes apenas perto da superfície, pois a luz é altamente espalhada no tecido. O ultra-som pode ir muito mais fundo, mas não oferece o mesmo contraste que a imagem óptica. Ao integrar as duas modalidades, os pesquisadores conseguiram superar as desvantagens de cada um para desenvolver uma série de aplicações.

Contudo, a técnica de imagem tem certas limitações. A imagem fotoacústica depende da detecção acústica, portanto, a resolução da imagem é determinada pelo comprimento de onda acústica. Enquanto microscopia óptica, por exemplo, pode ver objetos na escala de menos de um mícron, a imagem fotoacústica é limitada a dezenas de mícrons. Isso significa que a imagem fotoacústica não consegue resolver pequenos objetos como microvasos ou capilares.

Katz desenvolveu o método para superar o limite de difração acústica em colaboração com Emmanuel Bossy, agora na Université Grenoble Alpes em Grenoble, França. No centro de seu trabalho está uma estrutura de análise estatística avançada que eles aplicam a imagens de glóbulos vermelhos fluindo através dos vasos; as células sanguíneas facilitam a geração de imagens, absorvendo luz em determinados comprimentos de onda. Ao aumentar a resolução computacionalmente, eles evitaram a necessidade de qualquer hardware adicional, portanto, os avanços descritos podem ser alcançados usando os sistemas de imagem fotoacústica existentes.

Inspirando-se em uma técnica baseada em fluorescência

As ferramentas necessárias para atingir a super-resolução com imagens fotoacústicas foram descritas há quase uma década em um trabalho em microscopia óptica com a técnica de super-resolução de imagem por flutuação óptica (SOFI). Katz e seus colegas chegaram a este trabalho depois de lidar com o problema do limite de difração acústica e descobriram que a mesma matemática usada com SOFI poderia ser usada para melhorar a imagem fotoacústica.

"Alguém só precisava fazer a conexão, "Katz disse." É a mesma equação - a equação da onda. Matematicamente, você poderia dizer que é o mesmo problema. "

Em um estudo publicado em Optica ano passado, Katz e seus colegas demonstraram a capacidade de superar o limite de difração acústica usando uma técnica de imagem fotoacústica inspirada em SOFI. Esse trabalho teve duas limitações principais. Primeiro, exigia o uso de um laser de longa coerência, não é uma parte padrão dos sistemas de imagem fotoacústica, a fim de formar padrões de interferência estruturados dinâmicos chamados speckle para criar as flutuações de sinal. Segundo, devido às suas pequenas dimensões, o uso de manchas como iluminação dinâmica resultou nas flutuações com baixa amplitude em relação ao sinal fotoacústico médio, o que por sua vez dificultou a resolução do espécime em questão.

No novo Optica estude, os pesquisadores mostraram que podiam superar essas limitações aplicando a estrutura de análise estatística às flutuações de sinal inerentes causadas pelo fluxo de glóbulos vermelhos - portanto, os pesquisadores não precisavam confiar em iluminação estruturada coerente - e, além disso, demonstraram experimentalmente que podiam realizar imagens fotoacústicas de super-resolução usando um sistema de imagem convencional.

Movendo-se para o uso in vivo

A demonstração serviu como prova de princípio para a nova técnica. Os pesquisadores agora estão focados em desenvolvê-lo ainda mais, para cumprir seu potencial para aplicações in vivo.

Katz descreveu dois desafios principais para atingir esse objetivo. O primeiro é o problema dos artefatos de movimento. Em sua demonstração, os pesquisadores imaginaram o sangue fluindo por pequenos tubos. Em modelos animais e em humanos, no entanto, o fluxo sanguíneo é apenas um dos movimentos que eles deveriam considerar. A técnica também precisaria levar em consideração o batimento cardíaco, a variação do volume dos vasos e até mesmo os movimentos em microescala do próprio tecido.

O outro desafio principal está relacionado aos níveis de sinal. Em experimentos recentes, o sangue era o único absorvedor em jogo, mas em cenários do mundo real, outros absorvedores estariam presentes. Os pesquisadores agora estão trabalhando em maneiras de ver melhor o sinal proveniente do fluxo, suprimindo quaisquer sinais de fundo.

Além de enfrentar esses desafios, a equipe está trabalhando para aplicar algoritmos de reconstrução sofisticados que aumentarão ainda mais a resolução e a redução de fundo, levando em consideração as informações anteriores sobre o fluxo sanguíneo, a resposta do sistema de imagem e outros fatores.