Developing opto-acoustic microscopy instruments for biomedical imaging applications

Abstract

Opto-acoustic Microscopy is an emerging technique for cross-sectional imaging that provides structural and functional volumetric information with micrometer resolution. This allows for non-invasive detection of endogenous contrast agents and chromophores without using ionizing radiation. The objective of this thesis is to investigate the potential of opto-acoustic microscopy combined with optical coherence tomography in developing advanced diagnostic tools for biomedical applications, in particular for cancer diagnosis. To achieve this objective, the thesis focuses on in-vivo multi-spectral optoacoustic microscopy imaging of multiple endogenous contrast agents in Xenopuslaevis. The study used a high-resolution opto-acoustic microscopy instrument capable of multi-spectral imaging covering two octaves of the spectrum, and a novel technique to distinguish between different chromophores in the sample. An optical coherence tomography instrument was integrated in the opto-acoustic microscopy system to guide imaging and provide reliable structural information. Additionally, visible light optical coherence tomography system was developed as an ultra-high resolution alternative. Prior to this study, mapping of lipids in Xenopus laevis was achieved using an in-house all-fibre supercontinuum optical source developed in DTU, Denmark operating in the extended near-infrared region. Both opto-acoustic microscopy and optical coherence tomography instruments are capable of acquiring cross sectional and volumetric images in real-time. Finally, a high-resolution opto-acoustic microscopy set-up to explore the impact of picosecond pulse duration excitation on the axial resolution of the imaging system. The study compared a picosecond pulse duration laser-based optoacoustic microscopy instrument to a nanosecond laser-based one in terms of axial resolution and obtained unprecedented in-vivo images of the brain in Xenopus laevistadpoles.

Η Οπτικοακουστική Μικροσκοπία είναι μια αναδυόμενη τεχνική για απεικόνιση που παρέχει δομικές και λειτουργικές τρισδιάστατες πληροφορίες με ανάλυση μικρότερη από 1 μικρόμετρο. Αυτό επιτρέπει τη μη επεμβατική ανίχνευση ενδογενούς αντίθεσης και χρωμοφόρων χωρίς τη χρήση ιοντίζουσας ακτινοβολίας. Ο στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση της δυναμικής της οπτο-ακουστικής μικροσκοπίας σε συνδυασμό με την οπτική τομογραφία συμβατότητας για την ανάπτυξη προηγμένων διαγνωστικών εργαλείων για βιοϊατρικές εφαρμογές, με ιδιαίτερη έμφαση στη διάγνωση του καρκίνου. Για την επίτευξη αυτού του στόχου, η διατριβή επικεντρώνεται στην in-vivo πολυ-φασματική οπτο-ακουστική μικροσκοπία πολλών ενδογενών αντισταθμιστικών παραγόντων σε Xenopus laevis. Στη μελέτη χρησιμοποιήθηκε ένα όργανο οπτο-ακουστικής μικροσκοπίας υψηλής ανάλυσης ικανό για πολυφασματική απεικόνιση καλύπτοντας δύο οκτάβες του φάσματος, καθώς και μια νέα τεχνική για τη διάκριση διαφόρων χρωμοφόρων στο δείγμα. Ενσωματώθηκε ένα όργανο οπτικής τομογραφίας συμβατότητας στο σύστημα οπτικοακουστικής μικροσκοπίας για καθοδήγηση στην απεικόνιση και την παροχή αξιόπιστων δομικών πληροφοριών. Επιπλέον, αναπτύχθηκε ένα σύστημα οπτικής τομογραφίας συμβατότητας με ορατό φως ως εναλλακτική λύση υπερύψηλης ανάλυσης. Πριν από αυτήν τη μελέτη, η χαρτογράφηση των λιπιδίων στο Xenopus laevis επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας μια οπτική πηγή υπερσυνεχούς φάσματος που αναπτύχθηκε στο DTU της Δανίας, η οποία λειτουργεί στην εκτεταμένη περιοχή του κοντινού υπέρυθρου. Και τα δύο όργανα, οπτο-ακουστικής μικροσκοπίας και οπτικής τομογραφίας συμβατότητας, είναι ικανά να αποκτούν διατομικές και τρισδιάστατες εικόνες σε πραγματικό χρόνο. Τέλος, δημιουργήθηκε μια διάταξη υψηλής ανάλυσης οπτικοακουστικής μικροσκοπίας για να εξετάσει την επίδραση του χρόνου εκπομπής της παλμικής διάρκειας 80 ps διέγερσης στην άξια ανάλυσης του συστήματος απεικόνισης. Η μελέτη σύγκρινε ένα όργανο οπτο-ακουστικής μικροσκοπίας με βάση λέιζερ ps παλμικής διάρκειας με ένα με βάση λέιζερ νανοδευτερόλεπτης παλμικής διάρκειας σε όρους άξιας ανάλυσης και απέκτησε πρωτοφανείς in-vivo εικόνες του εγκεφάλου στους μεταμεταλλακτικούς πυθμένους του Xenopus laevis.