科学家打造微型七弦琴以确保医学成像系统协调一致

Skoltech 研究人员创建了一种解决方案，用于快速检查光声显微镜和层析成像仪的功能。这些诊断设备使用无害的激光照射和超声波代替 X 射线来检测乳腺癌，如果在内窥镜下使用，则有可能诊断早期皮肤癌和识别动脉粥样硬化斑块类型。

该研究发表在ACS Photonics上，展示了第一个用于快速检查光声可视化设备在不同波长、所有三个维度和低至 10 微米分辨率下运行的系统。

光声成像是一种新型医学诊断，已经获得美国食品和药物管理局批准用于乳腺癌筛查，并具有更广泛应用的潜力，Skoltech 研究人员甚至建议基于该技术开发一种血管“频闪内窥镜”。光声学的主要优点是能够调谐到特定的生物分子以进行成像;并避免有害辐射。

使用光声学的诊断系统依靠脉冲激光和高灵敏度超声波麦克风来观察身体。激光以被感兴趣的特定分子(例如血红蛋白)吸收的波长(“颜色”)的光脉冲照射组织。一旦一个分子接收到激光脉冲，这种多余的能量就会使其略微膨胀，然后松弛并接收下一个脉冲。这导致反复膨胀和收缩，有效地将生物分子变成扬声器膜，通过发射可被麦克风检测到的超声波来暴露其存在。

光声显微镜和层析成像仪依靠光和声进行成像。“假设你想要可视化血管网络，甚至是毛细血管网络。你可以通过使用一种特殊的麦克风来接收红细胞传输的超声波信号，追踪它们的来源。但这意味着你必须以某种方式迫使细胞发射超声波，”该项目的两位主要研究人员之一、Skoltech 教授德米特里·戈林 (Dmitry Gorin) 说。

“要做到这一点，你用纳秒范围内的短激光脉冲照射细胞。激光被设置为发射波长或颜色的光，这种波长或颜色很容易被红细胞中的血红蛋白吸收。传递的多余光能每个激光脉冲都会导致细胞升温和变形，将其变成超声波源，以最小的衰减在生物组织中传播，并可被声学传感器检测到。”

尽管 FDA 批准了用于早期乳腺癌诊断的光声成像系统，但迄今为止，在著名的科学期刊上还没有关于方便、通用和可靠的常规内部设备检查的令人满意的解决方案。

“我们想出了一个适用于诊所和研究实验室使用的光声成像硬件的测试对象，包括多光谱设备。我们的测试系统使操作员能够快速检查设备是否在所需模式下工作，并提供灵敏度和空间需要解决方案，”该研究的第一作者，Skoltech 博士。来自光子学中心的学生 Margarita Chetyrkina 评论道。

测试样品有点像七弦琴式乐器，是一个框架，有多条绳索或“弦”横跨其上。每根绳子都是由单壁碳纳米管制成的纤维。单壁碳纳米管是一种由管组成的材料，每根管都由蜂窝状排列的碳原子平板组成——即石墨烯——卷成圆柱体。

由于还可以用两根扭曲的光纤制作一根弦并调整扭曲的程度，因此该测试系统证明能够通过检查它是否可以解析扭曲结构或将弦可视化来量化光声设备空间分辨率的下限作为一条直线。这使得校准系统适用于具有 10 微米分辨率的光声显微镜和断层扫描仪，其特点是穿透更深，分辨率较低，约为数百微米或十分之一毫米。

由于框架上有多根绳索，并且它们在不同高度伸展，因此该系统可用于测试所有三个维度的成像分辨率，这是对先前报告的系统的重要改进。

“碳纳米管的美妙之处在于，与迄今为止报道的校准系统中使用的其他材料不同，它们吸收各种波长的光，使测试系统适用于同时依赖多个波长的多光谱设备，”研究合作者作者，Skoltech 博士 来自光子学中心的学生 Julijana Cvjetinovic 评论道。

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