使用针形激光看到更多

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光声显微镜 (PAM) 是一种相对较新的成像技术,它使用激光在组织中诱发超声波振动。 这些超声波振动连同处理它们的计算机可以用来创建组织结构的图像,其工作方式与超声波成像的工作方式大致相同。

在过去的几年里,加州理工学院医学工程和电气工程布伦教授 Lihong Wang 开发了 PAM 技术,可以对大脑中不断变化的血流进行成像,检测癌组织,甚至识别单个癌细胞。

王丽红

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图片来源:加州理工学院

然而,高分辨率(即光学分辨率)PAM 的一个限制是它的景深很窄,这意味着它只能聚焦在一个薄层上(大约 30 微米,或大约一个皮肤细胞的长度,用一个到两微米的分辨率)组织一次。 要查看设备正在查看的平面上方或下方的内容,它需要在该平面上方或下方重新聚焦。 为了进行比较,想象一个人戴上老花镜来做填字游戏。

景深:在左侧,用浅景深拍摄的树枝图像。 只有前景在焦点上。 右图是同一个树枝以深景深拍摄的图像。 前景和背景都在焦点上。

景深:在左侧,用浅景深拍摄的树枝图像。 只有前景在焦点上。 右图是同一个树枝以深景深拍摄的图像。 前景和背景都在焦点上。

图片来源:NightWolf1223/Wikimedia Commons

在期刊的一篇新论文中 自然光子学, Wang 和他的研究团队展示了他们如何开发一种称为针形光束光声显微镜或 NB-PAM 的 PAM 新变体,它的景深比以前可实现的景深大近 14 倍。 这意味着 NB-PAM 可以创建样品的 3-D 图像而无需重新聚焦,并且可以更好地成像表面不平坦的样品。

使用传统光声显微镜拍摄的小鼠肝组织图像(左)与使用针形光束光声显微镜拍摄的小鼠肝组织图像(右)对比。 在右图中,结构在更大的深度范围内聚焦。

使用传统光声显微镜拍摄的小鼠肝组织图像(左)与使用针形光束光声显微镜拍摄的小鼠肝组织图像(右)对比。 在右图中,结构在更大的深度范围内聚焦。

图片来源:加州理工学院

“一些应用,例如在不需要使用显微镜载玻片的情况下研究组织样本,需要以高空间分辨率对不平坦的表面进行成像,”医学工程的主要作者和博士后研究员助理 Rui Cao 说。 “传统的 PAM 努力解决分辨率和景深之间的权衡问题,而我们的新技术已经克服了这一问题。”

与相关 PAM 技术相比,NB-PAM 通过使用更长更薄的激光束来改善其景深,因此是“针形”。 光束光学特性的这种变化避免了与其他增加 PAM 技术景深的尝试相关的一些缺点,例如工作速度更慢,或需要更多的计算机处理能力。

显示 PAM 技术并排比较的插图。 一种方法是,激光到达一个清晰的焦点,只有靠近它的点才会聚焦。 另一方面,光束被拉入细长的颈部,整个颈部的物体都在焦点上。

传统光声显微镜 (PAM)(左)与针形光声显微镜 (NB-PAM)(右)的对比。 在传统的 PAM 中,只有靠近激光焦点的物体才会被清晰地成像。 在 NB-PAM 中,更长、更窄的光束允许对更大深度范围内的物体进行清晰成像。

图片来源:加州理工学院

这种针状光束是使用一种称为衍射光学元件 (DOE) 的特殊物品创建的。 对于不经意的观察者来说,DOE 看起来就像一小块玻璃,但它实际上是一块表面刻有精确图案的熔融石英。 这些图案重塑了用于成像的光束,使其不再沿着传播轴聚焦到一个尖点,而是被拉长成细长的颈部。 因此,它能够在更大的深度范围内清晰地成像物体。

戴着橡胶手套的手指出现在这张衍射光学元件的特写图像中。  DOE 显示为一个小玻璃圆盘,其中心有油漆图案。

NB-PAM 中使用的衍射光学元件 (DOE)。

图片来源:加州理工学院

研究人员通过两种方式证明了更大的景深:使用紫外线激光对新鲜器官样本进行成像,以及对新鲜器官样本进行成像。 体内 使用蓝色激光的小鼠脑血管系统。

“这项技术为研究组织样本提供了新的机会 期间 手术,这将允许完全去除癌细胞并最大程度地保留正常细胞,”Wang 说,他也是 Andrew 和 Peggy Cherng 医学工程领导主席;医学工程执行官。“进入手术室是一个自然的未来研究的方向。”

描述 NB-PAM 的论文,标题为“具有针形光束的光学分辨率光声显微镜”,发表在 12 月 1 日的 自然光子学。 共同作者是 Lei Li(PhD ’19)、Yide Zhang 和 Samuel Davis,他们都是医学工程博士后研究员; 医学工程研究生罗依琳; 斯坦福大学的 Jingjing Zhao 和 Adam de la Zerda; 宾夕法尼亚大学林杜; 以及南加州大学的 Zifa Zhou 和 Laiming Jiang。

该研究的资金由美国国立卫生研究院提供。


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