Hören mit Laser: Hybrid-Technik sieht in den menschlichen Körper



Susan Reiss ist ein Wissenschaftsjournalist für die US National Science Foundation (NSF). Trug sie diesen Artikel, um Live Science Experten stimmen: Op-Ed & Einblicke.

Ein menschlicher Schädel, ist im Durchschnitt etwa 6,8 Millimeter (0,3 Zoll) dick, oder etwa die Tiefe der das neueste Smartphone. Menschliche Haut ist auf der anderen Seite über 2 bis 3 Millimeter (0,1 Zoll) tief oder etwa drei Salzkörner tief. Während beide dieser Dimensionen extrem dünn sind, präsentieren sie große Hürden für jede Art der Bildgebung mit Laserlicht.

Warum? Die Photonen in Laser Lichtstreuung wenn sie biologisches Gewebe auftreten. Corralling kleine Photonen um sinnvolle Details zu Gewebe zu erhalten hat sich als eines der schwierigsten Probleme, die Laser-Forscher bis heute konfrontiert sind.

Forscher an der Washington University in St. Louis (WUSTL) entschied jedoch die Photon-Roundup eliminieren und Streuung zu ihrem Vorteil verwenden. Das Ergebnis: ein bildgebendes Verfahren, das direkt in ein Schädel, Gewebe in tiefen Eindringen peer würde bis zu 7 Zentimeter (ungefähr 2,8 Zoll).

Der photoakustischen Effekt

Der Ansatz, der Laser-Licht und Ultraschall verbindet, basiert auf dem photoakustischen Effekt, ein Konzept, das von Alexander Graham Bell in den 1880er Jahren entdeckt. In seinem Werk entdeckt Bell, dass die schnelle Unterbrechung eines fokussierten Lichtstrahls Klang erzeugt.

Um den photoakustischen Effekt zu produzieren, konzentriert Bell einen Lichtstrahl auf einen Selen-Block. Dann unterbrach er schnell den Strahl mit einem rotierenden Schlitzplatte. Er entdeckte, dass diese Tätigkeit Schallwellen erzeugt. Bell zeigte, dass der photoakustischen Effekt von der Absorption von Licht durch den Block hing, und die Stärke des akustischen Signals, wie viel abhing Licht das Material absorbiert.

"Wir kombinieren einige sehr alte Physik mit einem modernen bildgebenden Konzept", sagte WUSTL Forscher Lihong Wang, der Pionier den Ansatz. Wang und seine Kollegen WUSTL waren die ersten, funktionale photoakustische Tomografie (PAT) beschreiben und 3D photoakustische Mikroskopie (PAM). [Mit Lasern hören: Hybrid-Technik sieht in den menschlichen Körper]

Die beiden Techniken folgen die gleichen Grundprinzipien: Wenn die Forscher ein gepulsten Laserstrahls in biologischem Gewebe Leuchten, der Strahl breitet sich aus und erzeugt einen kleinen, aber schnellen Anstieg der Temperatur. Dies erzeugt Schallwellen, die von konventionellem Ultraschall-Sensoren erkannt werden. Bild-Wiederaufbau-Software wandelt die Schallwellen in Bilder mit hoher Auflösung.

Nach einem gewundenen Pfad

Wang begann die Kombination aus Klang und Licht als Postdoc zu erforschen. Damals entwickelte er Computermodelle von Photonen, da sie durch biologisches Material reisten. Diese Arbeit führte zu einer NSF Faculty Early Career Development (CAREER) Zuschuss Ultraschall Codierung des Laserlichts zu "Trick" Informationen aus dem Laserstrahl zu studieren.

Im Gegensatz zu anderen optischen bildgebende Verfahren, erkennt photoakustische Bildgebung Ultraschallwellen induziert durch absorbierten Photonen, egal wie viele Male die Photonen zerstreut haben. Mehrere externe Detektoren erfassen die Schallwellen unabhängig von ihren ursprünglichen Speicherorten. "Während das Licht auf einen stark gewundenen Pfad reist, die Ultraschallwelle in eine saubere und klar definierte Weise propagiert", sagte Wang. "Wir sehen optische Absorption Kontrast durch das hören auf das Objekt."

Da der Ansatz Injektion imaging Agents nicht erforderlich ist, können Forscher biologisches Material in seiner natürlichen Umgebung studieren. Photoakustische Bildgebung verwenden, können Forscher eine Reihe von biologischem Material, von Zellen und deren Bestandteile, Gewebe und Organe visualisieren. Wissenschaftler können sogar einzelne rote Blutkörperchen im Blut oder Fett und Protein-Ablagerungen in den Arterien erkennen.

Während PAT und PAM in erster Linie im Labor Einstellungen verwendet werden, arbeiten an mehreren klinischen Anwendungen Wang und andere. Beispielsweise verwenden die Forscher PAM, um die Flugbahn der Blutzellen zu studieren, da sie durch Gefäße im Gehirn fließen.

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"Durch den Anblick der einzelnen Blutzellen, können Forscher identifizieren, was zu den Zellen geschieht, wie sie durch die Gefäße zu bewegen beginnen. Beobachten, wie sich diese Zellen bewegen als ein Frühwarnsystem zur Erkennung von möglichen Blockierung Websites erlauben handeln könnte", sagte Richard Conroy, Direktor der Division of Applied Science und Technology an US nationale Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering.

Hüten die Lücke

Da PAT und PAM Bilder mit denen mit anderen Techniken, wie die Magnetresonanztomographie (MRT) oder Positronen-Emissions-Tomographie (PET), erzeugt korreliert werden können sind diese Techniken ergänzen. "Eine bildgebende Modalität nicht alles tun", sagte Conroy. "Vergleich der Ergebnisse aus verschiedenen Modalitäten bietet ein genaueres Verständnis der Geschehnisse aus der Ebene der Zelle für das ganze Tier."

Der Ansatz könnte dazu beitragen, die Kluft zwischen Mensch und Tier Forschung, vor allem in den Neurowissenschaften.

"Photoakustische Bildgebung hilft uns zu verstehen, wie das Gehirn der Maus funktioniert,", sagte Wang. "Wir können dann diese Informationen, um besser zu verstehen, wie das menschliche Gehirn arbeitet anwenden." Wang, wendet sich mit seinem Team sowohl PAT und PAM Mausfunktion des Gehirns zu untersuchen.

Eine der Herausforderungen derzeit Neurowissenschaftler sagte der Mangel an verfügbaren Tools, Aktivität des Gehirns zu studieren, Wang. "Der Heilige Gral der Hirnforschung zu Bild Aktionspotentiale,", sagte Wang. (Ein Aktionspotential tritt auf, wenn elektrische Signale Reisen entlang der Axone, die langen Fasern, die Signale vom Nerv Zelle Körper zu tragen.) Mit Mitteln aus der US-Gehirn-Initiative, entwickeln Wang und seine Gruppe jetzt eine PAT-System, Bilder zu erfassen jede Tausendstel einer Sekunde, schnell genug zu Bild Aktionspotentiale im Gehirn.

"Photoakustische Bildgebung füllt eine Lücke zwischen Lichtmikroskopie und Ultraschall," sagte Conroy. "Die revolutionäre Aspekt dieser [Wang] Ansatz ist, dass es neu definiert hat, dass unser Verständnis von wie tief wir mit Licht-basierte Bildgebung zu sehen", sagte Conroy.

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