使用世界上第一种“超声诱导组织透明”技术的医学光学成像

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长三角G60激光联盟导读
据悉，DGIST的一个联合研究团队由电气工程与计算机科学系的Jin Ho Chang教授和Jae Youn Hwang教授领导，开发了世界上第一种激光扫描显微镜技术，该技术能够利用超声波临时产生的气泡对生物组织进行更深入、更详细的观察。

深部组织成像的US-OCM原理。来源：Nature Photonics (2022). DOI: 10.1038/s41566-022-01068-x
光学成像和治疗技术广泛应用于生命科学研究和临床实践。然而，由于组织中存在光散射，因此光传输率较低。因此，深部组织的图像采集和处理存在固有的局限性。这严重阻碍了应用领域的扩展。
为了克服这一点，2017年，Jin Ho Chang教授的团队设想可以使用微米大小的气泡，这些气泡通常在组织暴露于高强度超声波时观察到。他们基于超声波暂时产生的气泡会导致与入射光传播方向相同的光学散射这一事实，开发了一项技术，从而增加了光的穿透深度。
研究团队提出了一种称为超声诱导光学清除显微镜的方案，该方案利用基于超声诱导气泡的临时局部光学清除。在这种方法中，气泡由所需深度的高强度脉冲超声产生，随后在成像过程中由低强度连续超声维持。结果，入射光子传播方向上的光学散射和不需要的变化在气泡云中最小化，因此激光可以紧密聚焦在更深的成像平面上。通过幻像和离体实验，我们证明了超声诱导的光学透明显微镜能够将成像深度增加六倍或更多，同时分辨率与传统的激光扫描显微镜相似。

气泡生成前后组织模拟幻影中350和450μm深度的光强度分布。
为了增加光学成像方式（如共焦荧光显微镜）的最大成像深度，构成辐照光的光子不得存在其传播方向因组织中的光散射而扭曲的现象。然而，以前开发的基于超声波稀疏产生的气泡的方法并不是一种解决方案。
因此，该联合研究团队开发了超声波技术，在所需区域内创建一个气泡层，在活组织内有密集的气泡（密度为90%或以上），并在获取图像时保持产生的气泡。在这个气泡层中，光子的传播方向不会发生畸变。

OCM成像性能的评估。
因此，实验证明，即使在较深的生物组织中，也可以实现光聚焦。此外，通过将这项技术（即超声诱导组织透明性）应用于共焦荧光显微镜，本研究中命名的超声波诱导光学清除显微镜（US-OCM）在世界上首次开发，其成像深度是传统共焦显微镜的六倍。
特别是，本研究中开发的US-OCM没有对组织造成任何损伤，因为当超声波照射停止时，生成的气泡消失，光学特性恢复到气泡生成之前，这表明它对生物体无害。

1μm荧光珠在组织模拟幻影内的3D图像。
DGIST电气工程和计算机科学系的Jin Ho Chang教授表示，通过与超声波和光学成像专家的密切合作，我们能够克服现有光学成像和治疗技术的固有局限性。
“通过本研究获得的技术将应用于各种光学成像技术，包括多光子显微镜和光声显微镜，以及包括光热疗法和光动力疗法在内的几种光学疗法。这将通过增加现有技术的图像和治疗深度来增强其应用。”
这项研究的结果发表在《自然光子学》上。
来源：Deep laser microscopy using optical clearing by ultrasound-induced gas bubbles, Nature Photonics (2022). DOI: 10.1038/s41566-022-01068-x

来源：https://www.163.com/dy/article/HJB44DPA0531549P.html
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