Флюоресцентная визуализация с переключением ультразвука
Флуоресцентная визуализация с переключателем ультразвука (USF) представляет собой метод глубокой оптической визуализации. За последние несколько десятилетий флуоресцентная микроскопия получила широкое развитие для визуализации биологических образцов и живых тканей. Однако из-за рассеяния света флуоресцентная микроскопия ограничена неглубокими тканями (около 1 мм). [ 1 ] Поскольку флуоресценция характеризуется высоким контрастом, высокой чувствительностью и низкой стоимостью, что имеет решающее значение для исследования информации о глубоких тканях, многообещающей является разработка метода флуоресцентной визуализации с высоким соотношением глубины к разрешению. Недавно была разработана флуоресцентная визуализация с ультразвуковым переключением. для достижения высокого отношения сигнал/шум (SNR) и формирования изображений с высоким пространственным разрешением без ущерба для глубины изображения. [ 2 ]
Основной принцип
[ редактировать ]Теоретическая модель была впервые предложена Юанем в 2009 году. Он разработал модулированную ультразвуком флуоресценцию на основе системы микропузырьков, меченных флуорофором и тушителем, которая может контролировать флуоресцентное излучение внутри ультразвуковой фокальной зоны для увеличения пространственного разрешения и отношения сигнал-шум изображения. . [ 3 ] Что касается принципа ультразвуковой визуализации, короткий ультразвуковой импульс применяется для активации флуоресцентного излучения внутри фокального объема ультразвука, не вызывая флуоресценцию за пределами фокального объема ультразвука. [ 4 ] Таким образом, распределение флуорофоров в фокальной зоне ультразвука можно различить и визуализировать путем экранирования мишени. В методе ультразвуковой визуализации необходимы два основных элемента: первый — это уникальные контрастные вещества УЗИ , излучение флуоресценции которых можно контролировать с помощью сфокусированной ультразвуковой волны. Во-вторых, для обнаружения сигнала и подавления фонового шума также необходима чувствительная система визуализации USF. [ 4 ]
Контрастные вещества для визуализации
[ редактировать ]В настоящее время разработаны два типа контрастных веществ.
- Микропузырьки, меченные флуорофором-гасителем
Первый тип — это микропузырьки, меченные флуорофором-гасителем, которые впервые были обнаружены Юанем в 2019 году и разработаны Лю и соавт. в 2014 году. [ 3 ] [ 5 ] Основной принцип действия контрастного вещества этого типа заключается в изменении концентрации флуорофора на поверхности микропузырьков. В 2000 году Морган и др. обнаружили, что отрицательная ультразвуковая волна может увеличить микропузырьки в несколько раз. [ 6 ] В результате расстояние между тушителем и флуорофором на поверхности микропузырьков становится больше (концентрация флурофора на поверхности снижается), что означает, что эффективность тушения чрезвычайно снижается, а флуорофор демонстрирует высокую эффективность эмиссии (состояние ВКЛ). [ 4 ] Микропузырьки вне фокальной зоны ультразвука сохраняют одинаковый небольшой размер в течение всего процесса, поэтому эффективность гашения всегда достаточно высока, чтобы подавить эмиссию флуорофора (состояние ВЫКЛ).
- Термочувствительные полимеры, меченные флуорофором, или наночастицы, инкапсулированные флуорофором (НЧ).
Второй тип контрастных веществ — это термочувствительные полимеры, меченные флуорофором, или инкапсулированные флуорофором наночастицы (НЧ). [ 4 ] Важнейшей частью этого типа агента является комбинация термочувствительного носителя и нанесенного на него флуорофора, чувствительного к окружающей среде (обычно чувствительного к полярности). Когда температура окружающей среды находится ниже определенного порога (T th1 ), полярность носителя, на котором флуорофор, показывает достаточно низкую эффективность излучения (состояние ВЫКЛ). При применении фокусированного ультразвука фокальная зона нагревается выше температурного порога (T th2 ) и структура термочувствительного носителя изменяется, что приводит к изменению его полярности, поэтому полярно-чувствительный флуорофор будет сворачиваться. на. В течение всего процесса флуорофор за пределами фокальной зоны ультразвука остается выключенным, поскольку температура ниже T th1 . [ 2 ]
Система визуализации USF
[ редактировать ]Целью системы визуализации USF является чувствительное обнаружение сигнала USF и резкое подавление фонового шума. Система изображения сначала значительно увеличивает чувствительность системы за счет использования синхронного усилителя и охлаждаемого фотоумножителя (ФЭУ); Затем система использует алгоритм корреляции, чтобы отличить сигнал USF от фонового шума; Кроме того, он обнаруживает только изменение сигнала флуоресценции, вызванное ультразвуком. Лазер возбуждения с модулированной частотой продолжает работать все время, повышение температуры, вызванное ультразвуком, изменяет амплитуду сигнала флуоресценции на модулированной частоте. После воздействия на опорный сигнал с фазовой синхронизацией синхронный усилитель передает сигнал USF; Система также может уменьшить утечку лазера за счет использования нескольких фильтров излучения. [ 2 ]
Отношение сигнал/шум
[ редактировать ]Ультразвуковая визуализация может увеличить отношение сигнал/шум за счет дифференциации сигнальных фотонов от фоновых фотонов. Фоновые фотоны могут возникать в результате автофлуоресценции, рассеяния света, несовершенных контрастных веществ и утечки лазера. Чтобы уменьшить аутофлуоресценцию, можно использовать флуорофор NIR , поскольку компоненты биологической ткани производят наименьшую аутофлуоресценцию в области NIR. [ 7 ] Согласно теории Рэлея:
I(r,θ) = 1/λ 4 [ 8 ]
Свет с большой длиной волны рассеивается меньше, поэтому рассеяние света, которое приводит к появлению части фонового шума, может быть уменьшено. Кроме того, используя ультразвук для контроля флуоресцентного излучения, сигнальный флуорофор можно легко отличить от фонового флуорофора. Как мы упоминали выше, утечку лазера можно минимизировать с помощью эмиссионных фильтров.
Пространственное разрешение
[ редактировать ]При использовании контрастных веществ второго типа (термочувствительных НЧ, меченных флуорофором) пространственное разрешение может быть дополнительно улучшено за счет двух механизмов.
- Нелинейный акустический эффект
Акустическая дифракция является основным препятствием для повышения пространственного разрешения. За счет управления мощностью ультразвукового воздействия может возникнуть нелинейный акустический эффект, в результате часть акустической энергии на основной частоте может быть передана компонентам более высокой гармонической частоты в фокальном объеме, которые могут быть более четко сфокусированы. [ 9 ] Это основная причина того, что нелинейный акустический эффект может уменьшить размер температурного фокуса, вызванного ультразвуком.
- Тепловая изоляция
Пространственное разрешение метода USF определяется размером области, в которой флуорофоры могут быть включены. Только температура выше порога, флуорефор можно включить. Однако из-за термодиффузии или проводимости тепловую энергию, индуцированную ультразвуком, необходимо ограничивать в пределах размера фокального объема, контролируя время воздействия ультразвука, поэтому флуорофоры могут быть включены, как правило, меньше, чем фактический размер фокуса ультразвука. [ 9 ]
Приложения
[ редактировать ]Метод USF можно комбинировать с методом задержки светового импульса и методом подсчета фотонов для получения изображений с высоким разрешением в глубокой мутной среде. [ 10 ] В 2016 году Ченг и др. добившись флуоресцентной визуализации высокого разрешения в тканевых фантомах глубиной в сантиметр с высоким соотношением сигнал/шум и высокой чувствительностью, они синтезировали и охарактеризовали чрезвычайно чувствительный к окружающей среде флуорофор NIR, ADP(CA)2, и семейство контрастных веществ USF на основе этого красителя. [ 2 ] В недавнем исследовании 2019 года Yao et al. впервые удалось получить in vivo флуоресцентную визуализацию с переключателем ультразвука у мышей с высоким разрешением. Инкапсулированные ICG наночастицы ПНИПАМ были приняты в качестве контрастного вещества, которое достаточно стабильно в биологической среде. По сравнению с результатами компьютерной томографии они обнаружили, что ультразвуковая визуализация сохраняет высокую чувствительность и специфичность в глубоких тканях. [ 11 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хельмхен, Фритьоф (18 ноября 2005 г.). «Двухфотонная микроскопия глубоких тканей». Природные методы . 932 (940): 932–940. дои : 10.1038/nmeth818 . ПМИД 16299478 . S2CID 3339971 .
- ^ Jump up to: а б с д Ченг, Бинбин (9 ноября 2016 г.). «Ультразвуковая флуоресцентная визуализация высокого разрешения с переключением звука в фантомах тканей глубиной в сантиметр с высоким соотношением сигнал/шум и высокой чувствительностью с помощью новых контрастных агентов» . ПЛОС ОДИН . 11 (11): e0165963. arXiv : 1510.02112 . Бибкод : 2016PLoSO..1165963C . дои : 10.1371/journal.pone.0165963 . ПМК 5102469 . ПМИД 27829050 .
- ^ Jump up to: а б Юань, Баохун (1 марта 2009 г.). «Флуоресценция, модулированная ультразвуком, на основе системы микропузырьков, меченных флуорофором и тушителем» . Биомедицинская оптика . 14 (2): 024043. Бибкод : 2009JBO....14b4043Y . дои : 10.1117/1.3120493 . ПМИД 19405771 .
- ^ Jump up to: а б с д Ченг, Бинбин (май – июнь 2014 г.). «Разработка переключаемых ультразвуком контрастных веществ для флуоресцентной визуализации на основе термочувствительных полимеров и наночастиц» . Журнал избранных тем квантовой электроники . 20 (3): 67–80. Бибкод : 2014IJSTQ..20...67C . дои : 10.1109/JSTQE.2013.2280997 . ПМЦ 4454428 . ПМИД 26052192 .
- ^ Лю, Юань (август 2014 г.). «Ультразвукомодулированная флуоресценция на основе флуоресцентных микропузырьков» . Журнал биомедицинской оптики . 19 (8): 085005. Бибкод : 2014JBO....19h5005L . дои : 10.1117/1.JBO.19.8.085005 . ПМК 4407672 . ПМИД 25104407 .
- ^ Морган, Карен (ноябрь 2000 г.). «Экспериментальная и теоретическая оценка поведения микропузырьков: влияние прошедшей фазы и размера пузырьков». Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 47 (6): 1494–1509. дои : 10.1109/58.883539 . ПМИД 18238696 . S2CID 22520633 .
- ^ Дэн, Гуаньцзюнь (июль 2018 г.). «Флуоресцентная визуализация ближнего инфракрасного диапазона в практически неисследованном окне 900–1000 нм» . Тераностика . 8 (15): 4116–4128. дои : 10.7150/thno.26539 . ПМК 6096386 . ПМИД 30128040 .
- ^ «Рассеяние голубого неба» . Гиперфизика .
- ^ Jump up to: а б Юань, Баохун (2013). «Преодоление предела акустической дифракции с помощью нелинейного эффекта и теплового ограничения для потенциальной визуализации глубоких тканей с высоким разрешением» . Письма по прикладной физике . 102 (6): 063703. Бибкод : 2013ApPhL.102f3703Y . дои : 10.1063/1.4792736 . ПМЦ 3585748 . ПМИД 23479498 .
- ^ Юань, Баохун (июль 2012 г.). «Визуализация высокого разрешения в глубокой мутной среде на основе метода флуоресценции с ультразвуковым переключением» . Письма по прикладной физике . 101 (33703): 033703. Бибкод : 2012ApPhL.101c3703Y . дои : 10.1063/1.4737211 . ПМЦ 3411561 . ПМИД 22893732 .
- ^ Яо, Тинфэн (июль 2019 г.). «Флуоресцентная визуализация с переключением ультразвука in vivo» . Научные отчеты . 9 (1): 9855. arXiv : 1810.04997 . Бибкод : 2019НатСР...9.9855Y . дои : 10.1038/s41598-019-46298-2 . ПМК 6614554 . ПМИД 31285475 .