提高光声显微镜的灵敏度,促进医学进步

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发表时间:2024-02-03 08:17

光学分辨光声显微镜是一种前景广阔的生物医学成像技术,可用于研究糖尿病、癌症和中风等多种疾病。然而,灵敏度不足一直是其广泛应用的障碍。

提高光声显微镜的灵敏度,促进医学进步

(a) SLD-PAM 系统和 (b) 通过探针和滤波器提高灵敏度。图片来源:Zhang, Y. et al.,来源:

最近,香港城市大学(城大)的一个研究小组建立了一个多光谱、超低剂量光声显微镜系统,大大提高了系统的灵敏度极限,促进了未来的临床转化和新的生物医学应用。

光声显微镜是一种生物医学成像技术,它将超声检测和激光诱导的光声信号整合在一起,生成精细的生物组织图像。在使用脉冲激光照射生物组织时,会产生超声波,然后感应超声波并将其转化为电信号进行成像。与传统的光学显微镜方法相比,这种吸引注意力的方法可以获得亚细胞或毛细血管级的高分辨率和更高的深度。然而,灵敏度不足阻碍了该技术的广泛应用。

高灵敏度对于高质量成像非常重要。高灵敏度有助于检测不强烈吸收光的发色团(通过吸收特定波长的可见光而赋予材料颜色的分子)。它还有助于减少光漂白和光毒性,降低对脆弱器官生物组织的干扰,并扩大低成本、低功率激光器在宽光谱方面的选择范围。---王立岱教授,香港城市大学生物医学工程系副教授

例如,在眼科评估中使用低功率激光会更舒适、更安全。他说,药代动力学或血流的长期跟踪需要低剂量成像,以减轻对组织功能的干扰。

为了克服灵敏度的挑战,王教授和他的研究小组开发了一种多光谱、超低剂量光声显微镜(SLD-PAM)系统,突破了传统光声显微镜的灵敏度极限,将灵敏度大幅提高了约33倍。

他们通过改进光声传感器设计和创新四维光谱空间滤波计算算法实现了这一发现。他们利用实验室定制的高数值孔径声学透镜,改进了光学和声学对准,并优化了光学和声学合束器,从而改进了传感器设计。SLD-PAM 还使用了廉价的多波长脉冲激光器,提供从绿光到红光的 11 种波长。激光器的重复频率高达百万赫兹,光谱切换时间为亚微秒级。

在使用绿光和红光光源的超低脉冲能量下,研究小组通过活体动物成像对其进行了全面评估,并取得了显著成果。

首先,SLD-PAM 促进了高质量的体内功能和解剖成像。超低激光功率和高灵敏度大大降低了大脑和眼睛成像的干扰,为临床转化奠定了基础。其次,在不影响图像质量的情况下,SLD-PAM 使用较低的激光功率,将光漂白减少了约 85%,并有助于使用范围更广的分子和纳米探针。此外,该系统的价格也大大降低,使诊所和研究实验室能够以更低的成本使用该系统。

SLD-PAM 能够对生物组织进行无创成像,对受试者的损伤极小,为解剖、功能和分子成像提供了一种强大而有前途的工具。我们相信,SLD-PAM 有助于推动光声成像的应用,实现众多新的生物医学应用,并为临床转化铺平新的道路。--王立岱教授,香港城市大学生物医学工程系副教授

接下来,王教授和他的研究团队将利用 SLD-PAM 系统对生物成像中的更多微小分子和基因编码生物标记进行评估。他们还考虑采用更多种类、更宽光谱的低功耗光源来构建便携式或可穿戴显微镜。

相关成果发表在科学杂志《先进科学》上。

第一作者为张亚超博士和陈江波博士,通讯作者为王教授。共同第一作者是张亚超博士和陈江波博士;通讯作者是王教授;共同第二作者是孙红艳教授、张杰博士、刘超博士和博士生朱静怡。他们均来自香港城市大学。该研究得到香港研究资助局和国家自然科学基金的资助。

参考资料

Zhang, Y., et al. (2023). Super-Low-Dose Functional and Molecular Photoacoustic Microscopy. Advanced Science. dx.doi.org/10.1002/advs.202302486

文章分类: 光电百科
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