Ως τεχνική απεικόνισης χωρίς δείκτη, η πολυτροπική μη γραμμική οπτική απεικόνιση (NLOI) έχει γίνει ένα ισχυρό εργαλείο για την αξιολόγηση του καρκίνου. Για να αποφευχθούν τεχνουργήματα κίνησης και οπτικές βλάβες που σχετίζονται με πολυτροπικό NLOI, μια λύση είναι η χρήση ενός μοναδικού υπερταχύ λέιζερ ως πηγή διέγερσης σε συνδυασμό με πολλαπλά κανάλια ανίχνευσης για τη συλλογή σημάτων από διαφορετικούς τρόπους παρατήρησης διαφορετικών βιομορίων. Ωστόσο, σε αυτήν την περίπτωση, κάθε λειτουργία δεν μπορεί να βελτιστοποιηθεί ανεξάρτητα και χρειάζεται μια κατάλληλη πηγή διέγερσης για να διεγείρει όλους τους τρόπους λειτουργίας NLOI. Το μικροσκόπιο πολυπλεξίας αυθόρμητου φθορισμού (SLAM) χωρίς ετικέτες, με το μήκος κύματος διέγερσης ρυθμισμένο στα 1110 nm, επιτρέπει την ταυτόχρονη συλλογή σημάτων από τέσσερις τρόπους λειτουργίας υπό μία μοναδική συνθήκη διέγερσης μέσω διαφορετικών καναλιών ανίχνευσης σήματος, αποκτώντας δύναμη φθορισμού δύο φωτονίων (FAD2PAF). , φθορισμός τριών φωτονίων (3PAF) για το NADH, συχνότητα δύο οκτάβων (SHG) για δομές κολλαγόνου και συχνότητα τριών οκτάβων (THG) για τη μετάλλαξη του δείκτη διάθλασης. σήματα συχνότητας (THG) σε μεταλλάξεις του δείκτη διάθλασης. Επί του παρόντος, οι περισσότερες από τις πηγές φωτός που χρησιμοποιούνται για την κίνηση των μικροσκοπίων SLAM πρέπει να συνδυάζουν εξαιρετικά βραχείς παλμούς σε φωτονικές κρυσταλλικές ίνες ή κρυστάλλους για να επιτευχθεί μετατροπή μήκους κύματος, η οποία συνεπάγεται υψηλό κόστος, μεγάλο αποτύπωμα, περίπλοκη λειτουργία και αδυναμία μακροχρόνιας σταθερής λειτουργίας.
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, πλάτος παλμού 34fs και μέγιστη ισχύς σχεδόν 3MW, η πηγή φωτός είναι συμπαγής και σταθερή, ενώ επιτυγχάνει εξαιρετική ποιότητα παλμού για την κίνηση μικροσκοπίων SLAM για ιατρική απεικόνιση.
Το Σχήμα 1 δείχνει το σχηματικό διάγραμμα του συστήματος λέιζερ ινών με πρόσμειξη υττερβίου με διπλή διαχείριση πριν από το τσιρπ και το κέρδος. Αποτελείται από μια πηγή σποράς, μια μονάδα προενίσχυσης, μια μονάδα προ-τσιρπώματος, μια μονάδα ενίσχυσης με διαχείριση κέρδους (GMA) και μια μονάδα συμπίεσης. Η πηγή σποράς παρέχει έναν παλμό σπόρων με κεντρικό μήκος κύματος 1040 nm, ενέργεια παλμού 0,2 nJ και συχνότητα επανάληψης 43 MHz. Ο παλμός σπόρου προενισχύεται από μια ίνα με πρόσμειξη Yb μήκους 40 cm και ένα ζεύγος σχάρες τοποθετείται μπροστά από τη μονάδα GMA για να εισαγάγει διασπορά, και ένα αρνητικό ή θετικό προενισχυμένο κύμα προστίθεται στην προενισχυμένη έξοδο παλμό προσαρμόζοντας την απόσταση των σχαρών. Περαιτέρω εκ των προτέρων παλμοί ενισχύονται σε ίνα μήκους 3,1 m με πρόσμιξη Yb για διαχείριση κέρδους. Ο δεύτερος ενισχυμένος παλμός συμπιέζεται μέσω ενός άλλου ζεύγους σχάρων μετάδοσης. Η επίδραση αυτών των παραμέτρων στην ποιότητα της συμπίεσης του παλμού διερευνάται με λεπτή ρύθμιση της ενέργειας εισόδου και του προ-κορβώματος και τα πειραματικά αποτελέσματα φαίνονται στα Σχ. 2 και 3, τα οποία δείχνουν ότι μπορούν να παραχθούν παλμοί υψηλής ποιότητας συμπίεσης σε ένα εύρος ισχύος αντλίας, ενέργειας εισόδου και κατάλληλων αρνητικών κροταλιστών. Όταν η ισχύς της αντλίας είναι 9 W, η ενέργεια του παλμού εισόδου είναι 0,6 nJ και το προ-κορδήμα είναι -36000 fs2, ένας παλμός με κεντρικό μήκος κύματος 1110 nm, πλάτος παλμού 34 fs, ενέργεια 92,2 nJ, και επιτυγχάνεται μέγιστη ισχύς κοντά στα 3 MW, η οποία είναι πολύ κατάλληλη για την οδήγηση μικροσκοπίων SLAM για ιατρική απεικόνιση.
Εικόνα Εικ. 2. Επίδραση διαφορετικών ενεργειών παλμού εισόδου στη συμπίεση παλμού GMA σε ισχύ αντλίας 9 W και προ-κορδήρωση -36000 fs2. (α) Πλάτος παλμού συμπίεσης και λόγος Strehl σε διαφορετικές ενέργειες εισόδου. (β) Φάσματα εξόδου σε διαφορετικές ενέργειες εισόδου. (γ) Κόκκινη καμπύλη: μετρημένη τροχιά αυτοσυσχέτισης του συμπιεσμένου παλμού, μαύρη καμπύλη: τροχιά αυτοσυσχέτισης του μετασχηματισμένου οριακού παλμού που λαμβάνεται με φασματικό υπολογισμό
Εικ. 3. Επίδραση διαφορετικών προ-κραυγών στη συμπίεση παλμού GMA για ενέργεια παλμού εισόδου 0.6 nJ και ισχύ αντλίας 9 W. Τα αποτελέσματα συνοψίζονται ως εξής (α) Συμπιεσμένο πλάτος παλμού και Αναλογία Strehl για διαφορετικά προ-κελάηδισμα. (β) Φάσματα εξόδου σε διαφορετικά pre-chips. γ) Κόκκινη καμπύλη: μετρημένη τροχιά αυτοσυσχέτισης του συμπιεσμένου παλμού, μαύρη καμπύλη: τροχιά αυτοσυσχέτισης του μετασχηματισμένου οριακού παλμού που λαμβάνεται με φασματικό υπολογισμό.
Η ομάδα εφάρμοσε αυτήν την υπερταχεία πηγή φωτός για να μελετήσει την παθολογία του όγκου σε διαφορετικούς ιστούς, συμπεριλαμβανομένου του εντερικού αδενοκαρκινώματος, του αδενοκαρκινώματος του πνεύμονα και των ιστών του ήπατος, για να απεικονίσει ταυτόχρονα κυτταρικά και εξωκυτταρικά συστατικά με την τεχνική SLAM. Μια εικόνα SLAM ιστού εντερικού αδενοκαρκινώματος φαίνεται στο Σχήμα 4, όπου το πράσινο υποδηλώνει SHG, το ματζέντα υποδεικνύει THG, το κίτρινο υποδεικνύει 2PEF και το μπλε υποδεικνύει 3PEF. Η απεικόνιση SLAM μπορεί να παρέχει πολύ πλουσιότερες κυτταρικές και ιστικές λεπτομέρειες από τις συμβατικές εικόνες χρωματισμένες με H&E, που μπορεί να βοηθούν στην κατανόηση των αλλαγών των βιοσυστατικών τόσο στους όγκους όσο και στους φυσιολογικούς ιστούς και στην αναζήτηση βιοδεικτών για τη διάγνωση και την πρόγνωση του καρκίνου.
Εικόνα Εικόνα 4. (α) Απεικόνιση SHG/THG/2PEF/3PEF ιστού αδενοκαρκινώματος εντέρου. Διαφορετικές περιοχές ενδιαφέροντος μεγεθύνονται σε (γ) - (ε) (λευκά διακεκομμένα τετράγωνα). (β) Αντίστοιχες εικόνες χρώσης H&E. (γ) Απεικόνιση 2PEF/3PEF φυσιολογικού ιστού του εντερικού βλεννογόνου. (δ) Απεικόνιση SHG/THG φυσιολογικού εντερικού βλεννογόνου ιστού. (ε) Απεικόνιση SHG διάμεσων ινών και κενοτοπίων λίπους, κόκκινο βέλος: εντερικός αδένας, μπλε βέλος: βασική μεμβράνη, πράσινο βέλος: βλέννα που εκκρίνεται από κύτταρα κυπέλλου, λευκό βέλος: μακροφάγοι, κίτρινο βέλος: διάμεσες ίνες, μωβ βέλος: κενοτόπια λίπους. Μπάρα κλίμακας: 200 μm
Συνολικά, η ερευνητική ομάδα πέτυχε παραγωγή υπερταχέων παλμών υψηλής ποιότητας μέσω της ανάπτυξης ενός λέιζερ ινών με διπλή διαχείριση και διπλή διαχείριση, το οποίο εφαρμόστηκε με επιτυχία στην απεικόνιση SLAM, μια τεχνική που μπορεί να παρέχει πλουσιότερες κυτταρικές και ιστικές λεπτομέρειες που μπορεί να βοηθήσει σε ογκοπαθολογικές μελέτες και στη διάγνωση του καρκίνου. Επιπλέον, η εξαιρετικά γρήγορη πηγή φωτός είναι συμπαγής και στιβαρή, καθιστώντας την ιδανική για χρήση σε κλινικό περιβάλλον για γρήγορη και ολοκληρωμένη αξιολόγηση διαφόρων φυσιολογικών και παθολογικών διεργασιών. Τα καινοτόμα αποτελέσματα αυτής της μελέτης αναμένεται να προωθήσουν τον τομέα της ιατρικής διαγνωστικής και θεραπευτικής παρέχοντας πιο ακριβείς και ολοκληρωμένες πληροφορίες για τη διάγνωση του καρκίνου, την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας και την εξατομικευμένη θεραπεία. Καθώς η τεχνολογία συνεχίζει να προοδεύει και να βελτιστοποιείται, η απεικόνιση SLAM αναμένεται να διαδραματίσει σημαντικότερο ρόλο στην κλινική πρακτική στο μέλλον. Η συσκευή και η βασική συσκευή που σχετίζονται με αυτήν την πρόοδο έχουν εφαρμοστεί για εθνικά διπλώματα ευρεσιτεχνίας εφευρέσεων.
Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν σε ένα πρόσφατο τεύχος του Biomedical Optics Express, ενός περιοδικού της Optical Society of America (10.1364/BOE.506915) και ο πρώτος συγγραφέας της εργασίας είναι ο Yuting Xing, ένας διδακτορικός φοιτητής υπό την επίβλεψη του ερευνητή Guoqing Chang.
Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας (Αριθ. επιχορήγησης 92250307, 62227822 και 62175255) και το Πρόγραμμα Ανάπτυξης σημαντικών οργάνων της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών (Αρ. επιχορήγησης YJKYYQ20190034). Ο ερευνητής Guoqing Chang και ο Dr. Yaobing Chen από το νοσοκομείο Wuhan Tongji ήταν οι αντίστοιχοι συγγραφείς και οι διδακτορικοί φοιτητές Runshi Chen, Lihao Zhang, Yang Liu, Xinzai Diao και ο ερευνητής Shu Zhang από το νοσοκομείο Wuhan Tongji, ο καθηγητής Yishi Shi και ο ερευνητής Zhiyi Wei από το Πανεπιστήμιο της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών συμμετείχαν επίσης στο σχεδιασμό και τη συζήτηση αυτής της εργασίας.
