En innovativ billedbehandlingsteknik til dynamisk optisk nanotermometri

En ny billedbehandlingsteknik udviklet af teamene af professorerne Jinyang Liang og Fiorenzo Vetrone ved Institut national de la recherche scientifique (INRS) kan hurtigt måle temperaturen i 2D uden kontakt. Resultaterne af deres forskning blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications . Denne nøjagtige temperaturdetektion i realtid kan en dag forbedre fototermisk terapi og hjælpe med tidlig diagnosticering af hudkræft.

Denne teknologi, kendt som single-shot photoluminescence lifetime imaging thermometry (SPLIT), er baseret på luminescensen af ​​nanopartikler doteret med sjældne jordarters ioner. "De betragtes som nanotermometre, fordi deres luminescerende egenskaber ændrer sig med temperaturen i omgivelserne. De er også biokompatible," siger professor Vetrone, en pioner inden for dette studieområde.

I stedet for at afbilde luminescensen punkt for punkt, hvilket er tidskrævende, bruger SPLIT et nyt ultrahøjhastighedskamera til at spore, hvor hurtigt luminescensen henfalder af disse nanopartikler i hvert rumligt punkt. "Vores kamera er forskelligt fra et almindeligt, hvor hvert klik giver ét billede:Vores kamera fungerer ved at fange alle billederne af en dynamisk begivenhed i ét snapshot. Derefter rekonstruerer vi dem, et efter et," siger Xianglei Liu, en Ph. D. studerende ved INRS og hovedforfatteren af ​​denne artikel.

Temperaturen kan derefter mærkes ved at kontrollere, hvor hurtigt det udsendte lys fader ud. Da det er i realtid, kan SPLIT følge fænomenet, mens det sker. For første gang muliggør den luminescenstermometri ved hjælp af nanopartiklernes levetid med en bevægelig prøve. "Sammenlignet med eksisterende termometriteknikker er SPLIT hurtigere og har højere opløsning. Dette muliggør en mere nøjagtig temperaturføling med både en avanceret og økonomisk løsning," tilføjer professor Liang, ekspert i ultrahurtig billeddannelse.

Sundhedsapplikationer

Professorerne Liang og Vetrone mener, at SPLIT-teknologien blandt andet kan øge evnen til at opdage og behandle hudkræft. På nuværende tidspunkt er kapaciteten til at opdage melanomer, og mere specifikt mikromelanomer, stadig begrænset. Eksisterende diagnostiske tilgange er begrænset af deres invasivitet, opløsning og nøjagtighed, hvilket fører til et stort antal unødvendige biopsier.

Optisk termometri kunne således bruges til at detektere kræftceller, hvis hurtige metabolisme fører til en højere temperatur end normalt væv, hvilket gør dem mere synlige med SPLIT.

Til at opdage melanom kan klinikker bruge et termisk kamera, men opløsningen er lav. "SPLIT markerer et vigtigt skridt i den tekniske udvikling. Med høj opløsning kunne teknologien bruges til præcist at lokalisere den kræftfremkaldende muldvarp," siger professor Liang.

Ud over detektion kan denne teknologi også bruges til at overvåge lysdosis under visse typer behandling. For eksempel angriber fototermisk terapi kræftceller gennem den varme, der genereres ved eksponering for nær-infrarødt lys. "Vi ønsker at udrydde kræften, men ikke det omkringliggende væv, så hvis temperaturen er for høj, kan behandlingen sænkes eller stoppes i et stykke tid. Hvis den er for lav, kan vi øge lyset for at få den rigtige dosis." siger Vetrone.

I 2020 anslog Canadian Cancer Society, at 8.000 canadiere alene var blevet diagnosticeret med denne form for kræft.

Artiklen, "Hurtig wide-field upconversion luminescence lifetime thermometry enabled by single-shot compressed ultrahigh-speed imaging," blev offentliggjort den 5. november 2021 i tidsskriftet Nature Communications . + Udforsk yderligere

Hudkræftbehandlinger kan bruges til at behandle andre former for sygdommen