باعتباره تقنية تصوير بدون علامات، أصبح التصوير البصري غير الخطي متعدد الوسائط (NLOI) أداة قوية لتقييم السرطان. لتجنب آثار الحركة والأضرار البصرية المرتبطة بـ NLOI متعدد الوسائط، يتمثل أحد الحلول في استخدام ليزر واحد فائق السرعة كمصدر إثارة مقترن بقنوات كشف متعددة لجمع الإشارات من طرائق مختلفة لمراقبة الجزيئات الحيوية المختلفة. ومع ذلك، في هذه الحالة، لا يمكن تحسين كل وضع بشكل مستقل ويلزم وجود مصدر إثارة مناسب لإثارة جميع أوضاع NLOI. يتيح الفحص المجهري المضاعف التلقائي (SLAM) الخالي من الملصقات، مع ضبط الطول الموجي للإثارة عند 1110 نانومتر، التجميع المتزامن للإشارات من أربعة أوضاع في ظل حالة إثارة واحدة من خلال قنوات مختلفة للكشف عن الإشارة، والحصول على مضان ثنائي الفوتون (2PAF) لـ FAD ، مضان ثلاثي الفوتون (3PAF) لـ NADH، وتردد ثنائي الأوكتاف (SHG) للهياكل الكولاجينية، وتردد ثلاثة أوكتاف (THG) لطفرة معامل الانكسار. إشارات التردد (THG) عند طفرات معامل الانكسار. حاليًا، تحتاج معظم مصادر الضوء المستخدمة لتشغيل مجاهر SLAM إلى دمج نبضات فائقة القصر في ألياف أو بلورات بلورية ضوئية لتحقيق تحويل الطول الموجي، الأمر الذي يتضمن تكلفة عالية ومساحة كبيرة وتشغيلًا معقدًا وعدم القدرة على التشغيل المستقر لفترة طويلة.
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، وعرض نبض يبلغ 34 إطارًا في الثانية، وقوة ذروة تبلغ حوالي 3 ميجاوات، مصدر الضوء مدمج ومستقر مع تحقيق جودة نبض ممتازة لتشغيل مجاهر SLAM للتصوير الطبي.
يوضح الشكل 1 الرسم التخطيطي لنظام ليزر الألياف المخدر بالإيتربيوم مع غرد مسبق والحصول على إدارة مزدوجة. وهو يتألف من مصدر أولي، ووحدة ما قبل التضخيم، ووحدة ما قبل التغريد، ووحدة التضخيم المُدارة (GMA) ووحدة الضغط. يوفر مصدر البذور نبضة بذرة بطول موجة مركزية يبلغ 1040 نانومتر، وطاقة نبض تبلغ 0.2 نيوجول، وتردد تكرار قدره 43 ميجاهرتز. يتم تضخيم نبض البذور مسبقًا بواسطة ألياف مخدرة بـ Yb بطول 40 سم، ويتم وضع زوج من الشبكات أمام وحدة GMA لإدخال التشتت، وتتم إضافة غرد مسبق سلبي أو إيجابي إلى الإخراج المضخم مسبقًا نبض عن طريق ضبط تباعد صريف. يتم تضخيم المزيد من النبضات المزقزقة مسبقًا في ألياف مخدرة بـ Yb بطول 3.1 مترًا لإدارة الكسب. يتم ضغط النبضة المضخمة الثانية من خلال زوج آخر من شبكات النقل. يتم استكشاف تأثير هذه المعلمات على جودة ضغط النبض من خلال الضبط الدقيق لطاقة الإدخال والتغريد المسبق، وتظهر النتائج التجريبية في الشكلين. الشكلان 2 و3، اللذان يوضحان أنه يمكن إنتاج نبضات ذات جودة ضغط عالية في نطاق من طاقة المضخة، وطاقة الإدخال، والتغريد السلبي المناسب. عندما تكون قدرة المضخة 9 وات، تكون طاقة النبضة المدخلة 0.6 نيوجول، وتكون التغريدة المسبقة -36000 fs2، نبضة بطول موجة مركزية 1110 نانومتر، وعرض نبضة 34 fs، وطاقة 92.2 nJ، ويتم الحصول على طاقة ذروة تقترب من 3 ميجاوات، وهي مناسبة جدًا لقيادة مجاهر SLAM للتصوير الطبي.
صورة الشكل 2. تأثير طاقات نبض الإدخال المختلفة على ضغط نبض GMA عند قدرة مضخة تبلغ 9 وات وغرد مسبق قدره -36000 fs2. ( أ ) عرض نبضة الضغط ونسبة Strehl عند طاقات مدخلات مختلفة. ( ب ) أطياف الخرج عند طاقات المدخلات المختلفة. (ج) المنحنى الأحمر: مسار الارتباط الذاتي المقاس للنبضة المضغوطة، المنحنى الأسود: مسار الارتباط الذاتي للنبضة الحدية المحولة التي تم الحصول عليها عن طريق الحساب الطيفي
الشكل 3. تأثير التغريدات المسبقة المختلفة على ضغط نبض GMA لطاقة نبض مدخلة تبلغ 0.6 نيوجول وقدرة مضخة قدرها 9 وات. يتم تلخيص النتائج على النحو التالي (أ) عرض نبضة النبض المضغوط و نسبة Strehl لمختلف التغريدات المسبقة. ( ب ) أطياف الخرج عند غردات مسبقة مختلفة. (ج) المنحنى الأحمر: مسار الارتباط الذاتي المقاس للنبض المضغوط، المنحنى الأسود: مسار الارتباط الذاتي للنبض الحدي المحول الذي تم الحصول عليه عن طريق الحساب الطيفي.
طبق الفريق مصدر الضوء فائق السرعة هذا لدراسة أمراض الورم في الأنسجة المختلفة، بما في ذلك السرطان الغدي المعوي، والسرطان الغدي للرئة، وأنسجة الكبد، لتصوير المكونات الخلوية وخارج الخلية في وقت واحد باستخدام تقنية SLAM. تظهر صورة SLAM لأنسجة السرطان الغدي المعوي في الشكل 4، حيث يشير اللون الأخضر إلى SHG، ويشير اللون الأرجواني إلى THG، ويشير الأصفر إلى 2PEF، ويشير اللون الأزرق إلى 3PEF. يمكن أن يوفر تصوير SLAM تفاصيل خلوية وأنسجة أكثر ثراءً من الصور التقليدية الملطخة بـ H&E، والتي يمكن أن توفر المساعدة على فهم التغيرات في المكونات الحيوية في كل من الأورام والأنسجة الطبيعية، والبحث عن المؤشرات الحيوية لتشخيص السرطان والتنبؤ به.
صورة الشكل 4. (أ) تصوير SHG/THG/2PEF/3PEF لأنسجة السرطان الغدي المعوي. يتم تضخيم مناطق الاهتمام المختلفة في (ج) - (هـ) (المربعات المتقطعة البيضاء). ( ب ) الصور تلطيخ H&E المقابلة. ( ج ) تصوير 2PEF / 3PEF للأنسجة المخاطية المعوية الطبيعية. ( د ) تصوير SHG / THG للأنسجة المخاطية المعوية الطبيعية. ( هـ ) تصوير SHG للألياف الخلالية والفجوات الدهنية، السهم الأحمر: الغدة المعوية، السهم الأزرق: الغشاء القاعدي، السهم الأخضر: المخاط الذي تفرزه خلايا الكأس، السهم الأبيض: البلاعم، السهم الأصفر: الألياف الخلالية، السهم الأرجواني: فجوات دهنية. شريط النطاق: 200 ميكرومتر
بشكل عام، حقق فريق البحث توليد نبضات فائقة السرعة وعالية الجودة من خلال تطوير ليزر ألياف Yb مخدر ومُدار بشكل مزدوج، والذي تم تطبيقه بنجاح على تصوير SLAM، وهي تقنية يمكنها توفير تفاصيل خلوية وأنسجة أكثر ثراءً يمكن أن تساعد في دراسات الأورام وتشخيص السرطان. بالإضافة إلى ذلك، فإن مصدر الضوء فائق السرعة صغير الحجم وقوي، مما يجعله مثاليًا للاستخدام في البيئة السريرية لإجراء تقييم سريع وشامل لمختلف العمليات الفسيولوجية والمرضية. ومن المتوقع أن تؤدي النتائج المبتكرة لهذه الدراسة إلى تطوير مجال التشخيص الطبي والعلاج من خلال توفير معلومات أكثر دقة وشمولاً لتشخيص السرطان وتقييم الفعالية والعلاج الفردي. مع استمرار التكنولوجيا في التقدم وتحسينها، من المتوقع أن يلعب تصوير SLAM دورًا أكثر أهمية في الممارسة السريرية في المستقبل. تم تطبيق الجهاز والجهاز الأساسي المرتبط بهذا التقدم للحصول على براءات اختراع وطنية.
نُشرت النتائج في عدد حديث من مجلة Biomedical Optics Express، وهي مجلة تابعة للجمعية البصرية الأمريكية (10.1364/BOE.506915)، والمؤلف الأول للورقة البحثية هو Yuting Xing، وهو طالب دكتوراه يشرف عليه الباحث Guoqing Chang.
تم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (المنحة رقم 92250307، 62227822، و62175255) وبرنامج تطوير الأدوات المهمة التابع للأكاديمية الصينية للعلوم (المنحة رقم YJKYYQ20190034). كان الباحث Guoqing Chang والدكتور Yaobing Chen من مستشفى Wuhan Tongji هم المؤلفون المقابلون، وطلاب الدكتوراه Runshi Chen وLihao Zhang وYang Liu وXinzai Diao والباحث Shu Zhang من مستشفى Wuhan Tongji والبروفيسور Yishi Shi والباحث Zhiyi Wei من الجامعة. شاركت الأكاديمية الصينية للعلوم أيضًا في تصميم ومناقشة هذا العمل.
