激光内窥镜探头的创造助力显微外科手术

Struggle

江苏激光联盟导读：
研究人员离用于显微外科手术的光声内窥镜探头又近了一步。

这是一个艺术家对光声探头的印象，使用的是由类似这样的研究开发的技术。探针进入血管检查动脉粥样硬化斑块的成分。该设备将组成细胞暴露在不同波长的光下，因此它们不能静止不动，并用麦克风接收产生的振动。来源：Pavel Odinev/Skoltech
一项来自SkolkovoInstitute of Science and Technology的研究表明，使用激光照射斑块，有利于在外科治疗过程中用超声波信号显示其化学成分，从而有利于显微外科治疗。研究人员在Skoltech 的带领下，使用的是一种可以在血管内滑动，并分析动脉粥样硬化斑块的设备。这个研究最近发布在ACS光子学杂志上。这项新研究对外科医疗将是一个非常大的突破。

研究人员提出了一种基于mow的OAP，它使用混合膜作为其敏感元件(图a)。在MOW凹面上沉积了一个40 nm的swcnts层和一个布拉格反射器，设计用于反射639 nm询问光并传输1064 nm的红外激发脉冲(图a)。设计了一个光学询问系统，通过将询问光和激发光耦合到OAP来读出膜的振动(图b)。利用该光学方案分析了膜的振动频率和加热对OAP光学性能的影响。对输出询问信号中观察到的光声和热效应进行了数值模拟。
光声成像可以在常规乳腺癌筛查、检测动脉粥样硬化斑块或脑损伤等方面得到应用。与CT扫描不同，光声传感不使用x射线或其他有害辐射，而是依赖于可见光和声音信号——因此得名“光学”和“声学”的结合。
光声学的工作原理是将生物组织暴露在激光脉冲中，其波长可被一些医学上重要的分子吸收，比如血红蛋白或胶原蛋白，甚至水。每一次脉冲都会加热被称为生物标记的分子，导致膨胀，然后在下一个脉冲到来之前收缩。这种周期性振荡有效地将标记物变成微型扬声器，通过发射超声波来显示它们的位置，这种超声波可以被非常敏感的麦克风接收。

通过干转移法在MOW尖端沉积厚度为19 ~ 92 nm的独立swcnts薄膜(上图)。样品制备完成后，拍摄SEM图像，分析割缝机端面结构(图c)。19 nm swcnts薄膜的结构过于稀疏(图S2d)，因此不适合布拉格反射器的气相沉积。相比之下，92nm的薄膜(图S2a)太厚，在激发光脉冲或询问光的传输过程中，它的使用会造成很高的光学损耗。40纳米薄膜(图S2b)的密度足以作为气相沉积布拉格反射器的衬底，而且它的使用比使用92纳米薄膜(图2d)需要更低的光学损耗。因此，选择40nm swcnts薄膜作为布拉格反射器的衬底。
光声诊断的优点不仅仅是辐射安全。首先，你可以调谐到特定的生物标记物:通过改变激发声波的激光的波长，你可以选择目标分子。除此之外，超声波在生物组织中衰减相当低。这意味着，与光相比，它可以在信号消失前传播更远，从而可以更深入地观察身体。
“今年，美国食品和药物管理局批准了一种用于乳腺癌筛查的光声诊断系统。然而，这些设备并不打算被引入人体，所以激光器和麦克风都相当笨重，”该研究的首席研究员，斯科尔技术学院的Dmitry Gorin教授解释说。

OAP透射(蓝线)和反射(红线)光谱分别在3个和6个样品中平均。阴影部分表示平均误差。虚线表示用于检查和激发薄膜的激光波长。上图显示了带有HC结构的OAP面和第一行毛细血管的模式轮廓图像。

“但有时激光无法穿透足够深的地方，所以你必须把一个探针放入体内，以近距离观察血管或膀胱的内部。这将有助于检查动脉粥样硬化斑块，甚至可能对其进行显微手术。探测器必须非常薄，理想情况下不应该有任何导线，”研究人员补充道。
为此，研究人员正在精心设计一套最初由英国同事提出的方案。该探头由传输激光脉冲的光纤制成，并在其尖端携带一层薄膜，充当微型麦克风。有两种激光:第一种激光产生的脉冲应该到达探针的尖端，自由地穿过细胞膜，并激发生物标记物。一旦它发出声波，声波就会被薄膜捕捉到，然后另一束激光从薄膜上读出信号。

实验OAP信号和MOW温度计算分析。(a) 639 nm反射光问询光信号，显示调制信号的长衰减指数分量。蓝色、青色、绿色和红色分别对应200、126、50和32 μJ的脉冲能量。黑色虚线表示指数拟合。(b)包层毛细血管内排平均温度的变化。黑色虚线对应衰减部分的指数拟合。insets和温标对应于初始1064 nm激光脉冲后5、10和15 ms时混合膜和MOW中的温度分布的数值模拟。
第一作者Nikita Kaydanov解释，“我们使用了100纳米的碳纳米管薄膜作为麦克风膜。为了能够通过激光读出膜上的信号，我们在纳米管层上沉积了二氧化钛和二氧化硅的所谓布拉格镜。当反射镜随着薄膜振荡时，就会对激光信号进行调制，从而实现读出。”
Skoltech研究人员介绍的另一个新特性是使用空心微结构波导:光纤的中心有一个沿其整个长度运行的空气腔。使用这种光纤的好处是它可以传输中红外范围内的光。这可以用于靶向其他生物标志物:碳水化合物、脂类和蛋白质，包括那些需要区分相对无害的动脉粥样硬化斑块和那些需要医疗注意的斑块的生物标志物。

薄膜的高频振动运动和激发波长为532 nm的RSOM图像。(a) 11-99 MHz组合通道膜的RSOM图像。(b)膜在11-33 MHz通道的RSOM图像。(c) 33-99 MHz通道中膜的RSOM图像。(d)覆层毛细血管限制的膜区域对应的高频膜振动数值模拟。每幅图像描述了膜的振动位移和相应模态的频率。
这项研究使我们离能工作的光声内窥镜探头又近了一步。研究小组的发现包括激光如何加热镜子以及它如何影响折射指数的数据。这些信息对于正确的信号解释是至关重要的。Gorin说:“我们的实验还演示了用激光从振荡的镜面涂层膜读出信号。然而，在我们的实验中，移动薄膜的实际上不是生物标志物发出的声波，而是最初的激光脉冲，在通过薄膜时失去了一些能量。”
根据研究人员的说法，现在他们知道了信号读取的工作原理以及系统固有的“背景”信号是什么，他们可以尝试从环境中采集实际的超声波来证明设备可以工作。
来源：Optoacoustic Effect in a Hybrid MultilayeredMembrane Deposited on a Hollow-Core Microstructured Optical Waveguide, ACSPhotonics (2021). DOI:10.1021/acsphotonics.1c01311

来源：https://www.163.com/dy/article/GQV3H0930531549P.html
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