Multimodaalista epälineaarista optista kuvantamista (NLOI) on markkerittomana kuvantamistekniikana tullut tehokas työkalu syövän arvioinnissa. Multimodaaliseen NLOI:hen liittyvien liikeartefaktien ja optisten vaurioiden välttämiseksi yksi ratkaisu on käyttää yhtä ultranopeaa laseria virityslähteenä yhdistettynä useisiin tunnistuskanaviin signaalien keräämiseksi eri modaliteeteista erilaisten biomolekyylien tarkkailemiseksi. Tässä tapauksessa kutakin tilaa ei kuitenkaan voida optimoida itsenäisesti, ja kaikkien NLOI-moodien herättämiseen tarvitaan sopiva herätelähde. Merkitön spontaani fluoresenssimultipleksoitu (SLAM) -mikroskopia, jonka viritysaallonpituus on asetettu 1110 nm:iin, mahdollistaa signaalien samanaikaisen keräämisen neljästä moodista yhdessä viritystilanteessa eri signaalintunnistuskanavien kautta, jolloin saadaan kaksifotonifluoresenssi (2PAF) FAD:lle. , kolmen fotonin fluoresenssi (3PAF) NADH:lle, kahden oktaavin taajuus (SHG) kollageenirakenteille ja kolmen oktaavin taajuus (THG) taitekerroinmutaatiolle. taajuuden (THG) signaalit taitekerroinmutaatioissa. Tällä hetkellä useimpien SLAM-mikroskooppien ohjaamiseen käytettävien valonlähteiden on kytkettävä ultralyhyitä pulsseja fotonikidekuituihin tai -kiteisiin saavuttaakseen aallonpituuden muuntamisen, johon liittyy korkeat kustannukset, suuri jalanjälki, monimutkainen toiminta ja kyvyttömyys toimia pitkään vakaana.
To address the above problems and difficulties, the L07 group of Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences/Beijing National Research Center for Condensed Matter Physics (NRCP), based on many years of research on ultrafast fiber lasers, proposed a Yb-doped fiber laser with dual management of pre-chirp and gain, and finally obtained a pulse with a wavelength of 1110 nm, an energy of more than 90 nJ, a pulse width of 34 fs, and peak power of close to 3 MW, by finely adjusting the input energy and pre-chirp. With a wavelength of >90nJ, pulssin leveys 34fs ja huipputeho lähes 3MW, valonlähde on kompakti ja vakaa, ja se tarjoaa erinomaisen pulssilaadun SLAM-mikroskooppien käyttämiseen lääketieteelliseen kuvantamiseen.
Kuvassa 1 on kaaviokuva ytterbium-seostetusta kuitulaserjärjestelmästä, jossa on esichirp- ja vahvistuksen kaksoishallinta. Se koostuu siemenlähteestä, esivahvistusmoduulista, pre-chirp-moduulista, vahvistuksen hallinnasta (GMA) -moduulista ja pakkausmoduulista. Siemenlähde tuottaa siemenpulssin, jonka keskiaallonpituus on 1040 nm, pulssienergia 0,2 nJ ja toistotaajuus 43 MHz. Siemenpulssi esivahvistetaan 40 cm pitkällä Yb-seostetulla kuidulla, ja GMA-moduulin eteen asetetaan pari ritilää dispersion aikaansaamiseksi, ja esivahvistettuun ulostuloon lisätään negatiivinen tai positiivinen esichirp. pulssi säätämällä ritiläväliä. Lisää esisirkoitettuja pulsseja vahvistetaan 3,1 m pitkässä Yb-seostetussa kuidussa vahvistuksen hallintaa varten. Toinen vahvistettu pulssi puristetaan toisen lähetyshilaparin läpi. Näiden parametrien vaikutusta pulssin kompression laatuun tutkitaan hienosäätämällä syöttöenergiaa ja esisirkkyä, ja kokeelliset tulokset on esitetty kuvioissa 1 ja 2. 2 ja 3, jotka osoittavat, että korkealaatuisia kompressiopulsseja voidaan tuottaa erilaisilla pumpun tehoilla, syöttöenergialla ja sopivalla negatiivisella sirkulla. Kun pumpun teho on 9 W, tulopulssienergia on 0,6 nJ ja esiääni on -36000 fs2, pulssi, jonka keskiaallonpituus on 1110 nm, pulssin leveys 34 fs, energia 92,2 nJ, ja saadaan lähes 3 MW:n huipputeho, joka sopii erittäin hyvin lääketieteellisen kuvantamisen SLAM-mikroskooppeihin.
Kuva Kuva 2. Eri tulopulssienergioiden vaikutus GMA-pulssikompressioon 9 W:n pumpun teholla ja -36000 fs2:n esiäänellä. (a) Puristuspulssin leveys ja Strehl-suhde eri tuloenergioissa. (b) Lähtöspektrit eri tuloenergioilla. (c) Punainen käyrä: kompressoidun pulssin mitattu autokorrelaatiorata, musta käyrä: spektrilaskelmalla saatu muunnetun rajapulssin autokorrelaatiorata
Kuva 3. Erilaisten esiäänien vaikutus GMA-pulssikompressioon tulopulssienergialla 0,6 nJ ja pumpun teholla 9 W. Tulokset on tiivistetty seuraavasti (a) Pakatun pulssin leveys ja Strehl-suhde erilaisille esisilputuksille. (b) Ulostulospektrit eri esipiippauksilla. (c) Punainen käyrä: kompressoidun pulssin mitattu autokorrelaatiorata, musta käyrä: spektrilaskelmalla saatu muunnetun rajapulssin autokorrelaatiorata.
Tiimi sovelsi tätä ultranopeaa valonlähdettä kasvainpatologian tutkimiseen eri kudoksissa, mukaan lukien suoliston adenokarsinoomassa, keuhkojen adenokarsinoomassa ja maksakudoksissa, solujen ja solunulkoisten komponenttien kuvaamiseksi samanaikaisesti SLAM-tekniikalla. SLAM-kuva suoliston adenokarsinoomakudoksesta on esitetty kuvassa 4, jossa vihreä tarkoittaa SHG:tä, magenta THG:tä, keltainen 2PEF:ää ja sininen 3PEF:ää. SLAM-kuvaus voi tarjota paljon rikkaampia solu- ja kudostietoja kuin perinteiset H&E-värjätyt kuvat, jotka voivat auttaa ymmärtämään biokomponenttien muutoksia sekä kasvaimissa että normaaleissa kudoksissa sekä etsimään biomarkkereita syövän diagnoosia ja ennustetta varten.
Kuva Kuva 4. (a) Suoliston adenokarsinoomakudoksen SHG/THG/2PEF/3PEF-kuvaus. Eri kiinnostavat alueet ovat suurennettuina (c) - (e) (valkoiset katkoviivat). (b) Vastaavat H&E-värjäyskuvat. (c) 2PEF/3PEF-kuvaus normaalista suolen limakalvokudoksesta. (d) SHG/THG-kuvaus normaalista suolen limakalvokudoksesta. (e) SHG-kuvaus interstitiaalisista kuiduista ja rasvavakuoleista, punainen nuoli: suolirauhanen, sininen nuoli: tyvikalvo, vihreä nuoli: kuppisolujen erittämä lima, valkoinen nuoli: makrofagi, keltainen nuoli: interstitiaaliset kuidut, violetti nuoli: rasvavakuolit. Mittakaava: 200 μm
Kaiken kaikkiaan tutkimusryhmä saavutti korkealaatuisen ultranopean pulssin tuoton kehittämällä esisilputun ja vahvistuksen kaksoisohjatun Yb-seostetun kuitulaserin, jota sovellettiin menestyksekkäästi SLAM-kuvaukseen, tekniikkaan, joka voi tarjota rikkaampia solu- ja kudosyksityiskohtia. voi auttaa onkopatologisissa tutkimuksissa ja syövän diagnosoinnissa. Lisäksi ultranopea valonlähde on kompakti ja kestävä, joten se sopii erinomaisesti käytettäväksi kliinisissä olosuhteissa erilaisten fysiologisten ja patologisten prosessien nopeaan ja kattavaan arviointiin. Tämän tutkimuksen innovatiivisten tulosten odotetaan edistävän lääketieteellisen diagnostiikan ja terapian alaa tarjoamalla tarkempaa ja kattavampaa tietoa syövän diagnosointiin, tehon arviointiin ja yksilölliseen hoitoon. Koska tekniikka kehittyy ja optimoidaan edelleen, SLAM-kuvantamisen odotetaan olevan tärkeämpi rooli kliinisessä käytännössä tulevaisuudessa. Tähän kehitykseen liittyvää laitetta ja ydinlaitetta on haettu kansallisiin keksintöpatenteihin.
Tulokset julkaistiin äskettäin Biomedical Optics Expressin, Optical Society of America -lehdessä (10.1364/BOE.506915), ja ensimmäinen kirjoittaja on Yuting Xing, tutkija Guoqing Changin ohjaama tohtoriopiskelija.
Tätä työtä tukivat Kiinan kansallinen luonnontieteellinen säätiö (apurahanumerot 92250307, 62227822 ja 62175255) ja Kiinan tiedeakatemian tärkeä instrumenttikehitysohjelma (apuraha nro YJKYYQ20190034). Tutkija Guoqing Chang ja tohtori Yaobing Chen Wuhan Tongjin sairaalasta olivat vastaavat kirjoittajat ja tohtoriopiskelijat Runshi Chen, Lihao Zhang, Yang Liu, Xinzai Diao ja tutkija Shu Zhang Wuhan Tongjin sairaalasta, professori Yishi Shi ja tutkija Zhiyi Wei yliopistosta. Kiinan tiedeakatemian edustajat olivat myös mukana tämän työn suunnittelussa ja keskustelussa.
