Фотоакустическая микроскопия

Схема фотоакустической визуализации

Фотоакустическая микроскопия - это метод визуализации, основанный на фотоакустическом эффекте, который является разновидностью фотоакустической томографии . Фотоакустическая микроскопия использует преимущество локального повышения температуры, которое происходит в результате поглощения света тканями. При использовании импульсного лазерного луча наносекундной длительности ткани подвергаются термоупругому расширению, что приводит к высвобождению широкополосной акустической волны, которую можно обнаружить с помощью высокочастотного ультразвукового преобразователя. ^[1]Поскольку ультразвуковое рассеяние в ткани слабее, чем оптическое рассеяние, фотоакустическая микроскопия способна получать изображения с высоким разрешением на большей глубине, чем обычные методы микроскопии. Кроме того, фотоакустическая микроскопия особенно полезна в области биомедицинской визуализации из-за ее масштабируемости. Регулируя оптические и акустические фокусы, можно оптимизировать разрешение по горизонтали для желаемой глубины изображения. ^[2]

Фотоакустический сигнал [ править ]

Цель фотоакустической микроскопии - найти локальный рост давления , который можно использовать для расчета коэффициента поглощения по формуле:${\ displaystyle p_ {0}}$ ${\ Displaystyle \ mu _ {а}}$

${\ displaystyle p_ {0} = \ Gamma \ eta _ {th} \ mu _ {a} F,}$

где - процент света, преобразованного в тепло, - локальная оптическая плотность энергии (Дж / см ² ), а безразмерный параметр Грюнайзена определяется как:${\ displaystyle \ eta _ {th}}$${\ displaystyle F}$ ${\ displaystyle \ Gamma}$

${\ displaystyle \ Gamma = {\ frac {\ beta} {\ kappa \ rho C_ {V}}},}$

где - тепловой коэффициент объемного расширения (К ^-1 ), - изотермическая сжимаемость (Па ^-1 ) и - плотность (кг / м ³ ). ^[3]${\ displaystyle \ beta}$${\ displaystyle \ kappa}$${\ displaystyle \ rho}$

После начального повышения давления фотоакустическая волна распространяется со скоростью звука в среде и может быть обнаружена ультразвуковым преобразователем.

Реконструкция изображения [ править ]

Одним из основных преимуществ фотоакустической микроскопии является простота восстановления изображения. Лазерный импульс возбуждает ткань в осевом направлении, и возникающие фотоакустические волны регистрируются ультразвуковым преобразователем . Затем преобразователь преобразует механическую энергию в сигнал напряжения, который может быть считан аналого-цифровым преобразователем для последующей обработки. Одномерное изображение, известное как А-линия, формируется в результате каждого лазерного импульса. Преобразование Гильберта A-линии раскрывает закодированную по глубине информацию. Затем можно сформировать трехмерное фотоакустическое изображение путем объединения нескольких A-линий, полученных с помощью 2D-растрового сканирования. ^[3]

Реконструкция изображения с синтетической апертурой [ править ]

Изменение задержки элементов на ультразвуковом преобразователе позволяет фокусировать ультразвуковые волны аналогично прохождению через акустическую линзу. Этот метод задержки и суммирования позволяет найти сигнал в каждой точке фокусировки. Однако поперечное разрешение ограничено наличием боковых лепестков , которые появляются под полярными углами и зависят от ширины каждого элемента. ^[4]

Контраст [ править ]

В методах фотоакустической визуализации, включая фотоакустическую микроскопию, контраст основан на фотонном возбуждении и, таким образом, определяется оптическими свойствами ткани. Когда электрон поглощает фотон, он переходит в состояние с более высокой энергией. Вернувшись на более низкий энергетический уровень, электрон подвергается либо радиационной, либо безызлучательной релаксации. Во время радиационной релаксации электрон выделяет энергию в виде фотона. С другой стороны, электрон, подвергающийся безызлучательной релаксации, выделяет энергию в виде тепла. Затем тепло вызывает повышение давления, которое распространяется как фотоакустическая волна. В связи с тем, что почти все молекулы способны к безызлучательной релаксации, фотоакустическая микроскопия может отображать широкий спектр эндогенных и экзогенных агентов. Напротив, меньшее количество молекул способно к излучательной релаксации,тем самым ограничивая такие методы флуоресцентной микроскопии, как однофотонная идвухфотонная микроскопия . ^[3] Текущие исследования в области фотоакустической микроскопии используют преимущества как эндогенных, так и экзогенных контрастных веществ для получения функциональной информации о организме, от уровня насыщения крови до скорости распространения рака.

Эндогенные контрастные вещества [ править ]

Эндогенные контрастные вещества, молекулы, встречающиеся в природе в организме, полезны в фотоакустической микроскопии благодаря тому, что их можно визуализировать неинвазивным способом. Эндогенные агенты также нетоксичны и не влияют на свойства исследуемой ткани. В частности, эндогенные поглотители можно классифицировать по длинам волн поглощения. ^[2]

Поглотители ультрафиолета [ править ]

В диапазоне ультрафиолетового света (λ = 180–400 нм) первичными поглотителями в организме являются ДНК и РНК . С помощью ультрафиолетовой фотоакустической микроскопии ДНК и РНК можно визуализировать в ядрах клеток без использования флуоресцентного мечения. Поскольку рак связан с нарушением репликации ДНК , УФ-фотоакустическая микроскопия может использоваться для раннего обнаружения рака. ^[5]

Видимые поглотители света [ править ]

Поглотители видимого света (λ = 400-700 нм) включают оксигемоглобин , дезоксигемоглобин , меланин и цитохром c . Фотоакустическая микроскопия в видимом свете особенно полезна для определения концентрации гемоглобина и насыщения кислородом из-за разницы в профилях поглощения оксигемоглобина и дезоксигемоглобина. Затем можно использовать анализ в реальном времени для определения скорости кровотока и скорости метаболизма кислорода. ^[3] Кроме того, фотоакустическая микроскопия способна обнаруживать меланому на ранней стадии из-за высокой концентрации меланина, обнаруженного в раковых клетках кожи.

Поглотители ближнего инфракрасного диапазона [ править ]

Поглотители ближнего инфракрасного диапазона (λ = 700–1400 нм) включают воду, липиды и глюкозу. Фотоакустическое определение уровня глюкозы в крови может использоваться для лечения диабета, в то время как изучение концентрации липидов в кровеносных сосудах важно для мониторинга прогрессирования атеросклероза . ^[2] По-прежнему возможно количественно оценить и сравнить концентрации дезоксигемоглобина и гемоглобина на этой длине волны, обменяв более глубокое проникновение в ткани на более низкое поглощение. ^[6]

Экзогенные контрастные вещества [ править ]

Хотя эндогенные контрастирующие агенты неинвазивны и проще в использовании, они ограничены присущим им поведением и концентрацией, что затрудняет мониторинг определенных процессов при слабом оптическом поглощении. С другой стороны, могут быть созданы экзогенные агенты для специфического связывания с определенными интересующими молекулами. Кроме того, концентрация экзогенных агентов может быть оптимизирована для получения более сильного сигнала и увеличения контраста. Посредством селективного связывания экзогенные контрастные вещества способны воздействовать на конкретные представляющие интерес молекулы, а также улучшать получаемые изображения. ^[3]

Органические красители [ править ]

Органические красители, такие как ICG -PEG и синий Эванса , используются для улучшения сосудистой сети, а также для улучшения визуализации опухолей. Кроме того, красители легко фильтруются из организма благодаря их небольшому размеру (≤ 3 нм). ^[2]

Наночастицы [ править ]

В настоящее время исследуются наночастицы из-за их химической неактивности и способности воздействовать на опухолевые клетки. Эти свойства позволяют отслеживать распространение рака и потенциально позволяют удалять рак во время операции. Однако необходимы дополнительные исследования краткосрочных токсических эффектов, чтобы определить, подходят ли наночастицы для клинических исследований. ^[2] Золотые наночастицы оказались многообещающими в качестве контрастного вещества в медицине с визуальным контролем. AuNP широко используются в качестве контрастных агентов из-за их сильного и регулируемого оптического поглощения. ^[7]

Флуоресцентные белки [ править ]

Флуоресцентные белки были разработаны для получения изображений с помощью флуоресцентной микроскопии и уникальны тем, что они могут быть генетически закодированы и, следовательно, не нуждаются в доставке в организм. Используя фотоакустическую микроскопию, флуоресцентные белки можно визуализировать на глубинах, превышающих пределы обычных методов микроскопии. ^[2] Частотно-зависимое акустическое затухание в ткани и подавление более высоких частот ограничивает полосу пропускания света через более глубокие области ткани. Флуоресцентные белки действуют как источник света в целевой области, минуя ограничение оптического ослабления . Однако эффективность флуоресцентных белков ограничена низкими изменениями флюенса , посколькуУравнение рассеивания света предсказывает увеличение менее чем на 5%. ^[8]

Разрешение [ править ]

Фотоакустическая микроскопия обеспечивает большее проникновение, чем обычная микроскопия, благодаря ультразвуковому обнаружению. В результате осевое разрешение определяется акустически и определяется по формуле:

${\displaystyle R_{axial}=0.88{\frac {\nu _{A}}{\Delta f_{A}}},}$

где - скорость звука в среде, - ширина полосы фотоакустического сигнала. Осевое разрешение системы может быть улучшено за счет использования ультразвукового преобразователя с более широкой полосой пропускания до тех пор, пока полоса пропускания совпадает с полосой пропускания фотоакустического сигнала. Поперечное разрешение фотоакустической микроскопии зависит от оптического и акустического фокусов системы. Фотоакустическая микроскопия с оптическим разрешением (OR-PAM) использует более жесткий оптический фокус, чем акустический фокус, в то время как фотоакустическая микроскопия с акустическим разрешением (AR-PAM) использует более жесткий акустический фокус, чем оптический фокус. ^{[9] [10]}${\displaystyle \nu _{A}}$${\displaystyle \Delta f_{A}}$

Фотоакустическая микроскопия с оптическим разрешением [ править ]

Из-за более узкого оптического фокуса OR-PAM более полезен для визуализации в квазибаллистическом диапазоне глубин до 1 мм. ^[9] Боковое разрешение OR-PAM определяется по формуле:

${\displaystyle R_{lateral,O}=0.51{\frac {\lambda _{O}}{NA_{O}}},}$

где - длина оптической волны, - числовая апертура линзы оптического объектива. ^[2] Поперечное разрешение OR-PAM может быть улучшено за счет использования более короткого лазерного импульса и более точной фокусировки лазерного пятна. Системы OR-PAM обычно могут достигать поперечного разрешения от 0,2 до 10 мкм, что позволяет классифицировать OR-PAM как метод визуализации сверхвысокого разрешения .${\displaystyle \lambda _{O}}$${\displaystyle NA_{O}}$

Фотоакустическая микроскопия с акустическим разрешением [ править ]

На глубинах от 1 мм до 3 мм фотоакустическая микроскопия с акустическим разрешением (AR-PAM) более полезна из-за большего оптического рассеяния. Акустическое рассеяние намного слабее за пределами оптического диффузионного предела, что делает AR-PAM более практичным, поскольку он обеспечивает более высокое поперечное разрешение на этих глубинах. Поперечное разрешение AR-PAM определяется по формуле:

${\displaystyle R_{lateral,A}=0.71{\frac {\lambda _{A}}{NA_{A}}},}$

где - центральная длина волны фотоакустической волны, - числовая апертура ультразвукового преобразователя. ^[2] Таким образом, более высокое разрешение по горизонтали может быть достигнуто за счет увеличения центральной частоты ультразвукового преобразователя и более жесткой акустической фокусировки. Системы AR-PAM обычно могут достигать поперечного разрешения от 15 до 50 мкм.${\displaystyle \lambda _{A}}$${\displaystyle NA_{A}}$

Конфокальная фотоакустическая микроскопия в темном поле [ править ]

Игнорируя баллистический свет, конфокальная фотоакустическая микроскопия в темном поле снижает поверхностный сигнал. В этом методе используется темнопольный импульсный лазер и ультразвуковое обнаружение с высокой числовой апертурой, при этом выходной конец волокна коаксиально совмещен со сфокусированным ультразвуковым преобразователем. Фильтрация баллистического света основана на измененной форме возбуждающего лазерного луча, а не на непрозрачном диске, как в обычной темнопольной микроскопии . Общая методика реконструкции используется для преобразования фотоакустического сигнала в одну A-линию, а изображения B-линии создаются с помощью растрового сканирования. ^[4]

Биомедицинские приложения [ править ]

Фотоакустическая микроскопия имеет широкий спектр применения в биомедицине. Благодаря своей способности отображать различные молекулы на основе длины оптической волны, фотоакустическая микроскопия может использоваться для неинвазивного получения функциональной информации о теле. Динамику кровотока и скорость метаболизма кислорода можно измерить и сопоставить с исследованиями атеросклероза или пролиферации опухолей . Экзогенные агенты могут использоваться для связывания с раковой тканью, повышения контрастности изображения и помощи при хирургическом удалении. В то же время фотоакустическая микроскопия полезна для ранней диагностики рака из-за разницы в оптических свойствах поглощения по сравнению со здоровой тканью. ^[1]

См. Также [ править ]

• Фотоакустическая визуализация
• Глубокое обучение в фотоакустической визуализации

Ссылки [ править ]