Техника, получившая название «одноимпульсная фотоакустическая компьютерная томография (SIP-PACT)», использует лучшее из света и ультразвука, чтобы заглянуть внутрь живых животных. Исследователи из Университета Дьюка и Калифорнийского технологического института показали, что эта гибридная технология визуализации преодолевает давние барьеры разрешения и скорости при визуализации всего тела мелких животных. Он обеспечивает полный вид в разрезе внутренних функций маленького животного в режиме реального времени.
Результаты будут опубликованы 10 мая 2017 года в журнале Nature Biomedical Engineering.«Ожидается, что фотоакустическая визуализация позволит получить изображение всего тела маленького животного в режиме реального времени с богатой функциональной информацией», — сказал Джунцзе Яо, доцент кафедры биомедицинской инженерии в Университете Дьюка. «Благодаря этому прогрессу исследователи могут легко наблюдать, как лекарства распределяются по животному, и отслеживать реакцию различных органов».Фотоакустическая визуализация объединяет различные методы визуализации на одной платформе.Традиционная световая микроскопия обеспечивает быстрые изображения с высоким разрешением, которые сохраняют важную функциональную информацию на основе длин волн света (т.
Е. Цветов), которые ткань поглощает, отражает или излучает. Однако значительное количество света, который рассеивается при прохождении через ткани, ограничивает глубину световой микроскопии всего несколькими миллиметрами.Ультразвуковые волны легко проходят через ткань, обеспечивая гораздо более глубокое изображение, но не имеют возможности считывать химические компоненты ткани и упускать большую часть важной информации, которую несет с собой свет. Магнитно-резонансная томография (МРТ) также позволяет видеть глубоко в ткани, но требует сильного магнитного поля и часто занимает от секунд до минут, чтобы сформировать изображение.
Рентгеновские лучи и позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) доставляют субъекту слишком много излучения, чтобы его можно было практиковать в течение длительного периода времени.В фотоакустической визуализации используются мощные, но очень короткие лазерные импульсы, которые безопасно заставляют клетки излучать ультразвуковые волны, которые затем беспрепятственно проходят обратно через ткань.
«По сути, это сжатие одной секунды солнечного света в летний полдень на области ногтя в одну наносекунду», — сказал Яо, который работает с этой технологией почти десять лет. «Когда лазер попадает в клетку, энергия заставляет ее немного нагреваться и мгновенно расширяться, создавая ультразвуковую волну. Это похоже на разницу между нажатием на что-то, чтобы медленно двигать его, и ударами, чтобы вызвать вибрацию».
Результатом является метод визуализации, который позволяет заглядывать на расстояние до пяти сантиметров в типичную биологическую ткань с субмиллиметровым разрешением, сохраняя при этом функциональную информацию, предоставляемую традиционной оптической микроскопией. Например, меланин поглощает ближний инфракрасный свет, а реакция крови на свет зависит от того, сколько кислорода она переносит.В новой статье Яо и его коллеги под руководством доктора Лихонга Ванга из Калифорнийского технологического института добавляют желаемую скорость и панорамные виды к репертуару технологии визуализации.
Они построили круговой ультразвуковой детектор и систему быстрого сбора данных, которая может триангулировать источник ультразвуковой волны из любой точки тела небольшого животного. А с помощью быстрого лазера, работающего в пределах безопасности, модернизированное устройство может отображать полное поперечное сечение взрослой крысы 50 раз в секунду, обеспечивая подробные видеоролики о ее внутренней работе с разрешением 120 микрометров.«Панорамный эффект предоставляет информацию со всех сторон и под всеми углами, поэтому вы не теряете никакой информации от каждого лазерного выстрела», — сказал Яо. «Вы можете увидеть динамику тела в действии — сердцебиение, расширение артерий, работу различных тканей».
В статье Яо и его коллеги описывают, как они используют эти способности для отслеживания раковых клеток меланомы, перемещающихся по кровеносным сосудам мыши. Они также демонстрируют способность наблюдать за срабатыванием целых нейронных сетей в реальном времени.
«Этот подход особенно эффективен, потому что он не основан на инъекции какого-либо контрастного вещества», — сказал Яо. «Вы можете быть уверены, что изменения не вызваны внешними переменными. Мы думаем, что эта технология имеет большой потенциал как для доклинической визуализации, так и для клинического перевода».