Aufgrund der Grenzen herkömmlicher optischer Bildgebungsverfahren bei der Erzeugung hochauflösender Bilder in stark streuenden biologischen Geweben hat sich die auf dem photoakustischen Effekt basierende Photoakustische Bildgebung (PAI) als neues Bildgebungsverfahren in der biomedizinischen Forschung etabliert. PAI kombiniert den hohen Kontrast und die spektrale Erkennungsfähigkeit der optischen Bildgebung mit der großen Eindringtiefe der Ultraschallbildgebung.

Bei der photoakustischen Bildgebung (PAI) wird das Zielobjekt mit kurzgepulstem Laserlicht bestrahlt. Die absorbierte Lichtenergie führt zu einem lokalen Temperaturanstieg, der eine thermoelastische Ausdehnung und die Erzeugung von Ultraschallwellen zur Folge hat. Durch die Detektion dieser Ultraschallsignale lässt sich die Lichtabsorptionsverteilung im Zielobjekt rekonstruieren und somit ein Tiefenbild erzeugen. PAI wird in photoakustische Tomographie (PAT) und photoakustische Mikroskopie (PAM) unterteilt. Dieses Bildgebungsverfahren hat sich in verschiedenen biomedizinischen Anwendungen bewährt, darunter die Darstellung von Tumorneovaskularisation, Hämoglobin- und Sauerstoffkonzentration, Brustkrebsdiagnostik und vulnerablen Plaques in Herz-Kreislauf- und Hirngefäßen.

Reallights Subnanosekunden-Mikrochip-Laser

Die photoakustische Mikroskopie (PAM) vereint die Vorteile optischer und Ultraschallbildgebung. Als nicht-invasives Verfahren hat sich PAM in den letzten Jahren in der Untersuchung von Zellen, Mikrogefäßen und Geweben bewährt. Bei der Bildgebung biologischer Gewebe mittels photoakustischer Methoden ist das Gefäßgewebe der primäre Absorber, wobei die Kapillaren einen minimalen Durchmesser von etwa 4 μm aufweisen. Die thermische Einschlusszeit beträgt ca. 0,2 ms, die Druckeinschlusszeit ca. 1,3 ns. Daher ist die Verwendung von Lasern mit Pulsdauern unter 1,3 ns entscheidend, um thermische Diffusion während der optischen Bestrahlung zu verhindern. Kurzgepulste Laser mit Pulsdauern unter 1,5 ns verbessern die Auflösung der photoakustischen Bildgebung deutlich.

Photoakustischer mikroskopischer Bildgebungseffekt – Kapillaren im Mausohr (Abbildung aus Referenz [1])

Die Femtosekunden-Mikrochip-Laser der MC-Serie von Reallight bieten verschiedene Pulsdauern (1,5 ns, 750 ps und 350 ps) und erfüllen damit die Auflösungsanforderungen der photoakustischen Detektion. Dank ihrer Wiederholraten im kHz-Bereich verbessern diese Femtosekunden-Mikrochip-Laser die Effizienz der photoakustischen Detektion deutlich und sind somit optimal für die photoakustische Mikroskopie geeignet.

Im Juni 2022 veröffentlichte das Team um Ma Zhenhe von der Fakultät für Technische Steuerung der Northeastern University, Zweigstelle Qinhuangdao, in der Fachzeitschrift Optics Letters einen Artikel mit dem Titel: „Spektralinterferenzkontrastbasierte berührungslose photoakustische Mikroskopie mittels SDOCT“. Darin wird eine neue Methode der photoakustischen Mikroskopie (PAM) vorgestellt, die photoakustische und optische Kohärenztomographie (OCT) kombiniert. Das Team nutzte einen Subnanosekunden-Mikrochip-Laser (MCA-532-2.5-060, 532 nm, 1,5 ns, 2,5 kHz, 60 μJ) von Reallight, um klare Kapillarbilder zu erzielen. Dieser innovative Ansatz trägt zur weiteren Anwendung der photoakustischen Bildgebungstechnologie in diesem Bereich bei.

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Referenzen

Zhenhe Ma,1,2 Ning Ding,3 Zhen Li,1 Keliang Zhu,1 Ang Li,1 Zhanhong Lin,1 Yi Wang,1,2 Yuqian Zhao,1 Yao Yu,1,2 Jingmin Luan,4 Xin Zhu,5 AND Jian Liu1,2,∗，Spektraler Interferenzkontrast basierende berührungslose photoakustische Mikroskopie, realisiert von SDOCT [J] Optics Briefe, Bd. 47, Nr. 11/1. Juni 2022