Verbesserung der Lichtfokussierung in biologischen Geweben

Wenn Licht durch biologische Gewebe reist, kann es durch die verschiedenen Strukturen im Gewebe verzerrt werden. Das führt zu einem komplizierten Lichtmuster, das als Speckle bekannt ist. Wissenschaftler sind daran interessiert, Wege zu finden, um Laserlicht durch diese Gewebe zu fokussieren, um klarere Bilder zu erhalten oder bestimmte Bereiche innerhalb des Gewebes zu stimulieren. Ein Prozess namens Digitale Optische Phasenkonjugation (DOPC) wird dafür verwendet. Allerdings gibt es einige Herausforderungen beim Einsatz von fluoreszierenden Materialien als Führer zum Fokussieren des Lichts.

#Die Herausforderungen beim Einsatz von fluoreszierenden Leitsternen

Bei der Verwendung von fluoreszierenden Materialien zur Führung des Laserlichts gibt es vier Hauptprobleme:

1. Geringe Lichtverfügbarkeit: Fluoreszierende Materialien emittieren nur eine begrenzte Anzahl von Photonen, was die Menge des verfügbaren Lichts zum Fokussieren einschränkt.

2. Spektrale Breite: Das von diesen Materialien emittierte Licht hat ein breites Farbspektrum, was es schwierig macht, sich auf eine einzelne Wellenlänge zu konzentrieren.

3. Stokes-Verschiebung: Es gibt eine Verschiebung der Wellenlänge des emittierten Lichts im Vergleich zu dem Licht, das verwendet wird, um das fluoreszierende Material zu aktivieren, was den Fokussierungsprozess kompliziert.

4. Fehlender Referenzstrahl: DOPC benötigt normalerweise einen Referenzstrahl, aber dieser kann fehlen, wenn fluoreszierende Materialien verwendet werden, was es schwieriger macht, die resultierende Wellenfront zu messen.

#Neue Techniken zur Fokussierung von Licht

Forscher haben Wege gefunden, diese Herausforderungen zu überwinden und erfolgreich Laserstrahlen durch streuende Proben zu fokussieren. Sie haben ein System entwickelt, das Speckle-Muster in einem einzigen Schritt misst, ohne einen Referenzstrahl zu benötigen. Diese Methode verwendet einen hochauflösenden Wellenfrontsensor, um die komplexen Lichtmuster zu analysieren.

#Fokussierung von Laserlicht

Licht tief im Gewebe oder durch streuende Materialien zu fokussieren, ist entscheidend für verschiedene Anwendungen. Dazu gehört:

• Bildgebung: Klarere Bilder aus dem Gewebe zu erhalten.
• Foto-Stimulation: Licht an bestimmte Zellen oder Bereiche zu liefern, um sie zu aktivieren.
• Phototherapie: Licht zur Behandlung bestimmter Erkrankungen zu verwenden.

Wenn Licht tiefer als eine bestimmte Distanz im Gewebe reist, verwandelt es sich in ein zufälliges Specklemuster. Diese Veränderung verringert dramatisch die Fähigkeit, klare Bilder aufzunehmen, da die Signalqualität abnimmt.

#Adaptive Optik und Wellenfront-Formung

Um zu kontrollieren, wie Licht durch Gewebe bewegt wird, kommen adaptive Optik und Wellenfront-Formungstechniken zum Einsatz.

• Adaptive Optik (AO): Diese Methode korrigiert Lichtverzerrungen, die durch das Gewebe verursacht werden. Sie funktioniert am besten, wenn das Licht glatten Verzerrungen ausgesetzt ist.

• Wellenfront-Formung: Wenn sich Lichtpfade komplizierter gestalten und Streuung involvieren, kommen Techniken zur Wellenfront-Formung ins Spiel. Das ist besonders wichtig für tiefes Gewebe, wo Licht mehrfach gestreut wird.

#Iterative vs. Einzelaufnahme-Techniken

Es gibt zwei Hauptstrategien zur Korrektur von Lichtverzerrungen: iterative Techniken und Einzelaufnahme-Techniken.

• Iterative Techniken: Diese erfordern mehrere Messungen, um die Korrektur für Verzerrungen zu verfeinern. Sie sind effektiv, können aber langsam sein, was bei sich schnell bewegenden biologischen Proben ein Problem darstellt.

• Einzelaufnahme-Techniken: Diese messen die Wellenfront in einem Durchgang, was sie schneller macht. Leider erschwert die Verwendung fluoreszierender Materialien die Messung des ausgehenden Wellenfeldes ohne mehrere Aufnahmen.

#Die Rolle der Wellenfrontsensoren

Wellenfrontsensoren sind entscheidend für die Analyse, wie Licht transformiert wird, während es durch Gewebe geht. Sie können die Phase und Intensität des Lichts messen. Ein spezieller Typ von Wellenfrontsensor, der in diesen Situationen verwendet wird, ist der Shack-Hartmann-Wellenfrontsensor.

Shack-Hartmann-Wellenfrontsensoren sind kompakt, referenzfrei und können mit verschiedenen Lichtquellen arbeiten. Sie messen Änderungen in der Lichtwellenfront, benötigen aber weitere Berechnungen, um die endgültige Phase zu bestimmen.

In der biologischen Bildgebung werden diese Sensoren verwendet, um niedriggradige Aberrationen oder Verzerrungen zu messen. Sie stossen jedoch oft an ihre Grenzen, wenn sie mit den komplexen Mustern konfrontiert werden, die durch mehrere Optische Wirbel entstehen.

#Optische Wirbel

Optische Wirbel sind Bereiche in einem Lichtfeld, in denen die Intensität auf null sinkt. Ihre Präsenz kann die Messungen der Wellenfront komplizieren. Die Phase aus Messungen zurückzugewinnen, die diese Wirbel beinhalten, war eine grosse Herausforderung.

Jüngste Fortschritte haben gezeigt, dass diese Sensoren komplexe Wellenfelder, die eine hohe Dichte optischer Wirbel enthalten, effektiv messen können. Dieser Fortschritt ermöglicht verbesserte Methoden zur Fokussierung von Licht durch streuende Materialien.

#Spektrale Empfindlichkeit in biologischen Geweben

Biologische Gewebe streuen Licht oft auf einzigartige Weise, was den Fokussierungsprozess komplizieren kann. Die Struktur dieser Gewebe führt normalerweise zu grossen Anisotropiefaktoren, die beeinflussen, wie Licht gestreut wird. Trotz der Streuung haben diese Gewebe Eigenschaften, die zu grösseren Bandbreiten spektraler Korrelation führen können.

Studien haben gezeigt, dass sogar in Gegenwart von Streuung bestimmte Ebenen in diesen Geweben existieren, die bei der Lichtrefokussierung helfen können. Solche Erkenntnisse überbrücken die Kluft zwischen verschiedenen Ansätzen und zeigen die bedeutende Rolle sowohl von ballistischem Licht als auch von mehrfach gestreutem Licht.

#Erreichen von Einzelaufnahme-DOPC

Einzelaufnahme-DOPC-Techniken ermöglichen Wissenschaftlern, Laserstrahlen durch streuende Proben ohne Referenzstrahlen zu fokussieren. Jüngste Experimente haben gezeigt, dass mit geeigneten Wellenfrontsensoren DOPC effektiv mit fluoreszierenden Leitsternen durchgeführt werden kann.

Um dies zu erreichen, haben Forscher Systeme eingerichtet, die sowohl Intensitäts- als auch Phaseninformationen schnell und genau messen. Der Erfolg dieser Methode hängt stark vom Verständnis und der Manipulation optischer Wirbel im Wellenfeld ab.

#Einrichtung des Experiments

Bei den Experimenten wird ein Leitstern-Laserstrahl auf eine streuende Probe fokussiert, und das gestreute Licht wird gesammelt. Das gesammelte Licht wird durch einen Wellenfrontsensor geleitet und von einem räumlichen Lichtmodulator (SLM) reflektiert. Die vom Wellenfrontsensor gemessenen Phaseninformationen werden verwendet, um Verzerrungen, die durch das Medium verursacht werden, zu korrigieren.

Die Forscher haben gezeigt, dass es möglich ist, einen scharfen Fokus hinter der streuenden Probe zu erreichen, indem die gemessene Phase auf dem SLM angezeigt wird, was die Bedeutung effektiver Lichtkontrolltechniken betont.

#Messung der Fokussierungseffizienz

Um zu bestimmen, wie gut das System funktioniert, konzentrieren sich die Forscher auf den Bruchteil der Lichtenergie, der erfolgreich vom System refokussiert wurde. Sie vergleichen die Lichtenergie im fokussierten Punkt mit dem Licht, das über das Kamerabild verteilt ist.

#Nutzung von fluoreszierenden Perlen

In einigen Experimenten werden fluoreszierende Perlen als Leitsterne verwendet. Diese Perlen ermöglichen die Anregung und Messung der emittierten Fluoreszenz. Obwohl es aufgrund der geringen Lichtverfügbarkeit und der spektralen Bandbreite herausfordernd ist, zeigen die Ergebnisse, dass Einzelaufnahme-DOPC sogar unter diesen schwierigen Bedingungen effektiv durchgeführt werden kann.

Die Anwesenheit der Perlen kann zusätzliche Komplikationen aufgrund von Brechungsindexunterschieden zwischen den Perlen und dem umgebenden Medium mit sich bringen, aber die Forscher haben bedeutende Fortschritte gemacht, um diese Herausforderungen zu überwinden.

#Fazit

Die Fortschritte in der Einzelaufnahme-DOPC mit fluoreszierenden Materialien, die hinter streuenden Proben verborgen sind, stellen einen bedeutenden Schritt nach vorne in der optischen Bildgebung und Manipulationstechniken dar. Durch das Verständnis und die Nutzung der einzigartigen Eigenschaften der Lichtstreuung sind Forscher jetzt in der Lage, klarere Bilder zu erhalten und präzise lichtbasierte Operationen tief im biologischen Gewebe durchzuführen.

Diese Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten für detaillierte Bildgebung, therapeutische Anwendungen und weitere Forschung zu den optischen Eigenschaften biologischer Materialien. Während sich die Techniken weiter verbessern, wird die Fähigkeit, Licht in komplexen Umgebungen zu manipulieren, wachsen, was zu detaillierteren Einblicken in biologische Prozesse und Strukturen führen wird.