Optisk opløsning i fotoakustisk mikroskopi-innovation muliggør samtidig multikontrastbilleddannelse

Fotoakustisk mikroskopi med optisk opløsning (OR-PAM), en ny hybrid billeddannelsesteknik, giver os mulighed for at lytte til lyden af ​​lys og se farven på selve det biologiske væv. Det kan bruges til live, multikontrast funktionel billeddannelse, men det begrænsede bølgelængdevalg for de fleste kommercielle lasere og begrænsningerne ved de eksisterende scanningsmetoder har betydet, at OR-PAM kun kan opnå en eller to forskellige typer kontrast i en enkelt scanning. Disse begrænsninger har gjort multikontrast funktionel billeddannelse tidskrævende, og det har været svært at fange de dynamiske ændringer af funktionel information i biologiske væv.

For at overvinde disse begrænsninger, Lidai Wang og hans forskerhold ved City University of Hong Kong udviklede for nylig et OR-PAM-system med flere bølgelængder baseret på en enkelt laserkilde. Som rapporteret i Avanceret fotonik , det nye system muliggør samtidig multikontrastbilleddannelse af hæmoglobinkoncentration, blodgennemstrømningshastighed, iltmætning i blodet, og lymfekoncentration. Denne funktionelle information kan give betydelig subcellulær indsigt for forskere, der studerer sygdomsmodeller, for eksempel inden for kræftforskning.

Fotoakustisk mikroskopi i optisk opløsning

Baseret på de iboende absorptionsegenskaber for det målrettede biologiske væv, fotoakustisk billeddannelse drager fordel af det faktum, at når væv er målrettet af en pulserende laserstråle, det absorberer lyset og genererer øjeblikkelig varme. Denne varme forårsager termisk ekspansion, som genererer en mekanisk ultralydsbølge, kendt som den fotoakustiske (PA) bølge. Efter at have indsamlet PA -bølgen ved hjælp af ultralydstransducer og rekonstrueret signalet, forskere kan få et billede, der viser lysabsorptionsfordelingen i biologisk væv.

Optisk-opløsning fotoakustisk mikroskopi giver billedinformation i høj opløsning og høj kontrast til strukturen, morfologi, fungere, og metabolisme af biologiske væv, med udsigt til brede anvendelser inden for biomolekylær billeddannelse.

Fem-bølgelængde fiberlaserkilde

Wangs team har forbedret OR-PAM ved at udvikle en fiberbølgelaserkilde med fem bølgelængder baseret på en nanosekundlaserkilde med en enkelt bølgelængde. Skiftetiden mellem forskellige bølgelængder sker på en submikrosekund tidsskala, hvilket åbner muligheder for samtidig multifunktionel OR-PAM. Wangs team validerede systemstabiliteten ved at måle energifluktuationer og drift, og testede billeddybden samt den laterale og aksiale opløsning til OR-PAM-billeddannelse.

Ifølge Wang, systemet er baseret på den stimulerede Raman scattering (SRS) effekt. I bund og grund, den pumpede laserkilde kan generere en spredt laserstråle med en længere bølgelængde end den originale indfaldende stråle gennem den optiske fiber. Når energien fra den pumpede laserkilde overstiger en bestemt tærskel, den genererede SRS -bølgelængde opretholder høj direktivitet, høj monokromatik, og høj sammenhæng, hvilket gør den meget velegnet som laserkilde til OR-PAM. De flere spredte bølgelængder kan bruges til fotokustisk billedbehandling med flere kontraster.

Multifunktionel billeddannelse og sygdomsmodellering

Wangs team udviklede også en multiparameter billedbehandlingsmetode til beregning af diameteren, dybde, tortuositet, og andre fysiologiske parametre i mikrovaskulære kar, tilvejebringelse af et billedanalysegrundlag for modellering af sygdomme. Ved hjælp af OR-PAM med fem bølgelængder, forskergruppen udførte yderligere multifunktionel billeddannelse af tumorudvikling, lymfatisk clearance, og hjernebilleddannelse.

I deres første trin, de udførte multifunktionel mikroskopisk billeddannelse af små dyr in vivo, herunder hæmoglobinkoncentration blodgennemstrømningshastighed, iltmætning, og lymfekoncentration. De analyserede også morfologiske og funktionelle forskelle (herunder diameter, blodgennemstrømning, iltniveau i blodet, osv.) af forskellige blodkar i billeddannelsesområdet.

Da traditionel multifunktionel OR-PAM kræver flere scanninger og flere laserkilder for at opnå sådanne resultater, deres arbejde har løst to væsentlige problemer. Den ene er, at mikromiljøet i blodkar i vævet ændres med tiden, så flere langsigtede scanninger forårsager inkonsekvenser i funktionel billeddannelse. Den anden er asynkronien mellem de forskellige laserkilder. Sådanne udsving forårsager systematiske fejl i beregningen. Denne nye metode kan realisere multifunktionel billeddannelse med en enkelt laserkilde og i en enkelt scanning, hvilket ikke kun reducerer billedbehandlingstiden i høj grad, men forbedrer også billeddannelsesnøjagtigheden.

Wang bemærker, "I fremtiden, ved at optimere scanningsmetoden, og kombinerer med flerbølgelængden OR-PAM i dette arbejde, real-time billeddannelse af de dynamiske ændringer for fysiologiske parametre i nogle sygdomsmodeller kan realiseres. "