Optisk upplösning fotoakustisk mikroskopi (OR-PAM), en ny hybridbildteknik, låter oss lyssna på ljudet av ljus och se färgen på den biologiska vävnaden själv. Den kan användas för live, multikontrastfunktionell bildbehandling, men det begränsade våglängdsvalet för de flesta kommersiella lasrar och begränsningarna hos de befintliga skanningsmetoderna har inneburit att OR-PAM bara kan erhålla en eller två olika typer av kontrast i en enda skanning. Dessa begränsningar har gjort multikontrastfunktionell bildbehandling tidskrävande, och det har varit svårt att fånga de dynamiska förändringarna av funktionell information i biologiska vävnader.

För att övervinna dessa begränsningar, Lidai Wang och hans forskargrupp vid City University of Hong Kong utvecklade nyligen ett multivåglängds OR-PAM-system baserat på en enda laserkälla. Som rapporterats i Avancerad fotonik , det nya systemet möjliggör samtidig multikontrastavbildning av hemoglobinkoncentrationen, blodflödeshastighet, blodets syremättnad, och lymfatisk koncentration. Denna funktionella information kan ge betydande subcellulära insikter för forskare som studerar sjukdomsmodeller, till exempel inom cancerforskning.

Optisk upplösning fotoakustisk mikroskopi

Baserat på de inneboende absorptionsegenskaperna hos den målinriktade biologiska vävnaden, fotoakustisk avbildning drar fördel av det faktum att när vävnad riktas mot en pulsad laserstråle, det absorberar ljuset och genererar omedelbar värme. Den värmen orsakar termisk expansion, som genererar en mekanisk ultraljudsvåg, känd som den fotoakustiska (PA) vågen. Efter att ha samlat PA-vågen med ultraljudsgivare och rekonstruerat signalen, forskare kan få en bild som visar ljusabsorptionsfördelningen i biologisk vävnad.

Optisk upplösning fotoakustisk mikroskopi ger högupplöst och hög kontrast bildinformation för strukturen, morfologi, fungera, och metabolism av biologiska vävnader, med utsikter för breda tillämpningar inom biomolekylär avbildning.

Fiberlaserkälla med fem våglängder

Wangs team har förbättrat OR-PAM genom att utveckla en fiberlaserkälla med fem våglängder baserad på en nanosekundlaserkälla med en våglängd. Växlingstiden mellan olika våglängder sker på en submikrosekund tidsskala, vilket öppnar möjligheter för samtidig multifunktionell OR-PAM. Wangs team validerade systemets stabilitet genom att mäta energifluktuationen och driften, och testade bilddjupet, samt den laterala och axiella upplösningen för OR-PAM-avbildning.

Enligt Wang, systemet är baserat på den stimulerade Raman-spridningseffekten (SRS). I grund och botten, den pumpade laserkällan kan generera en spridd laserstråle med en längre våglängd än den ursprungliga infallande strålen genom den optiska fibern. När energin hos den pumpade laserkällan överstiger en viss tröskel, den genererade SRS-våglängden upprätthåller hög riktningsförmåga, hög monokromaticitet, och hög koherens, vilket gör den mycket lämplig som laserkälla för OR-PAM. De multipla spridda våglängderna kan användas för fotoakustisk avbildning med flera kontraster.

Multifunktionell bildbehandling och sjukdomsmodellering

Wangs team utvecklade också en multiparameter bildbehandlingsmetod för att beräkna diametern, djup, slingrande, och andra fysiologiska parametrar i mikrovaskulära kärl, tillhandahålla en bildanalysbas för modellering av sjukdom. Genom att använda OR-PAM med fem våglängder, forskargruppen genomförde vidare multifunktionell avbildning av tumörutveckling, lymfatisk clearance, och hjärnavbildning.

I deras första steg, de utförde multifunktionell mikroskopisk avbildning av små djur in vivo, inklusive hemoglobinkoncentration, blodflödeshastighet, syremättnad, och lymfatisk koncentration. De analyserade också morfologiska och funktionella skillnader (inklusive diameter, blodflöde, blodets syrenivå, etc.) av olika blodkärl i bildområdet.

Eftersom traditionell multifunktionell OR-PAM kräver flera skanningar och flera laserkällor för att uppnå sådana resultat, deras arbete har tagit itu med två betydande problem. En är att mikromiljön av blodkärl i vävnaden förändras med tiden, så flera långtidsskanningar orsakar inkonsekvenser i funktionell bildbehandling. Den andra är asynkronin mellan de olika laserkällorna. Sådana fluktuationer orsakar systematiska fel i beräkningen. Denna nya metod kan realisera multifunktionell bildbehandling med en enda laserkälla och i en enda skanning, vilket inte bara avsevärt förkortar bildtiden, men förbättrar också bildnoggrannheten.

Wang anmärker, "I framtiden, genom att optimera skanningsmetoden, och att kombinera med multivåglängden OR-PAM i detta arbete, realtidsavbildning av de dynamiska förändringarna för fysiologiska parametrar i vissa sjukdomsmodeller kan realiseras."