Imagens ópticas médicas com a primeira tecnologia de “transparência tecidual induzida por ultrassom” do mundo

Princípio do US-OCM para imagens de tecidos profundos. Reconhecimento: fotônica da natureza (2022). DOI: 10.1038/s41566-022-01068-x

Uma equipe de pesquisa conjunta do DGIST, liderada pelos professores Jin Ho Chang e Jae Youn Hwang do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação, desenvolveu a primeira tecnologia de microscopia de varredura a laser do mundo que permite uma observação mais profunda e detalhada de tecidos biológicos usando bolhas de gás transitórias feito por ultra-som.

Imagens ópticas e tecnologias terapêuticas são amplamente utilizadas na pesquisa em ciências da vida e na prática clínica. No entanto, devido à ocorrência de espalhamento óptico no tecido, a transmissão de luz é baixa. Consequentemente, há uma limitação inerente na imagem e tratamento de tecidos profundos. Isso dificulta significativamente a expansão do campo de aplicação.

Para superar isso, a equipe do professor Jin Ho Chang imaginou em 2017 que poderia ser possível usar bolhas de gás do tamanho de um micrômetro, que normalmente são observadas quando os tecidos são expostos a ultrassom de alta intensidade. Eles desenvolveram uma tecnologia baseada no fato de que bolhas de gás geradas temporariamente por ondas ultrassônicas causam espalhamento óptico na mesma direção da propagação da luz incidente, aumentando assim a profundidade de penetração da luz.

Além disso, a equipe de pesquisa conjunta dos professores Jin Ho Chang e Jae Youn Hwang concentrou-se na expansão da aplicação da tecnologia de imagem óptica usando bolhas de gás induzidas por ultrassom. Um microscópio de fluorescência confocal é um dispositivo que detecta seletivamente os sinais de fluorescência gerados no plano focal da luz, fornecendo imagens de alta resolução e alto contraste de microestruturas, como células cancerígenas. Devido ao seu alto desempenho, é o dispositivo mais utilizado na pesquisa de ciências da vida. No entanto, em profundidades superiores a 100 µm, o foco da luz torna-se desfocado devido à dispersão da luz que ocorre no tecido, o que limita severamente a aplicação e a eficácia da microscopia de fluorescência confocal.

Para aumentar a profundidade máxima de imagem das modalidades de imagem óptica, como a microscopia de fluorescência confocal, os fótons que formam a luz incidente não devem apresentar um fenômeno em que sua direção de propagação seja distorcida pela dispersão da luz nos tecidos. No entanto, o método desenvolvido anteriormente baseado em bolhas de gás geradas esparsamente por ultra-som não foi uma solução.

Portanto, esta equipe de pesquisa conjunta desenvolveu uma tecnologia ultrassônica para gerar uma camada de bolhas com bolhas de gás densas (com densidade de 90% ou mais) em tecido vivo na área desejada e manter as bolhas de gás geradas durante a aquisição da imagem. Nessa camada de bolhas de gás, não ocorre a distorção na direção de propagação dos fótons.

Portanto, foi comprovado experimentalmente que a focagem da luz também é possível em tecidos biológicos mais profundos. Além disso, ao aplicar esta tecnologia (ou seja, transparência tecidual induzida por ultra-som) a um microscópio de fluorescência confocal, a microscopia de limpeza óptica induzida por ultra-som (US-OCM), referida neste estudo, foi desenvolvida pela primeira vez no mundo com um profundidade de imagem seis vezes maior do que a microscopia confocal convencional.

Em particular, o US-OCM desenvolvido neste estudo não causou nenhum dano aos tecidos, uma vez que as bolhas de gás geradas desapareceram quando a irradiação ultrassônica foi interrompida e as propriedades ópticas antes da geração das bolhas de gás foram restauradas, sugerindo que é inofensivo para os seres vivos. corpo.

“Trabalhando em estreita colaboração com especialistas em ultra-som e imagens ópticas, conseguimos superar as limitações inerentes às tecnologias de tratamento e imagens ópticas existentes”, diz o professor Jin Ho Chang, do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do DGIST.

“A tecnologia garantida por este estudo é aplicada a várias modalidades de imagem óptica, incluindo microscopia multifotônica e microscopia fotoacústica, além de várias terapias ópticas, incluindo terapia fototérmica e terapia fotodinâmica. Isso melhoraria a aplicação das tecnologias existentes, aumentando sua imagem e profundidade de tratamento. “

Os resultados desta pesquisa foram publicados em fotônica da natureza.

Fornecido pelo DGIST (Instituto de Ciência e Tecnologia Daegu Gyeonbuk)