江蘇鐳射聯盟導讀：
研究人員離用於顯微外科手術的光聲內窺鏡探頭又近了一步。
這是一個藝術家對光聲探頭的印象，使用的是由類似這樣的研究開發的技術。探針進入血管檢查動脈粥樣硬化斑塊的成分。該裝置將組成細胞暴露在不同波長的光下，因此它們不能靜止不動，並用麥克風接收產生的振動。來源：Pavel Odinev/Skoltech
一項來自SkolkovoInstitute of Science and Technology的研究表明，使用鐳射照射斑塊，有利於在外科治療過程中用超聲波訊號顯示其化學成分，從而有利於顯微外科治療。研究人員在Skoltech 的帶領下，使用的是一種可以在血管內滑動，並分析動脈粥樣硬化斑塊的裝置。這個研究最近釋出在ACS光子學雜誌上。這項新研究對外科醫療將是一個非常大的突破。
研究人員提出了一種基於mow的OAP，它使用混合膜作為其敏感元件(圖a)。在MOW凹面上沉積了一個40 nm的swcnts層和一個布拉格反射器，設計用於反射639 nm詢問光並傳輸1064 nm的紅外激發脈衝(圖a)。設計了一個光學詢問系統，透過將詢問光和激發光耦合到OAP來讀出膜的振動(圖b)。利用該光學方案分析了膜的振動頻率和加熱對OAP光學效能的影響。對輸出詢問訊號中觀察到的光聲和熱效應進行了數值模擬。
光聲成像可以在常規乳腺癌篩查、檢測動脈粥樣硬化斑塊或腦損傷等方面得到應用。與CT掃描不同，光聲感測不使用x射線或其他有害輻射，而是依賴於可見光和聲音訊號——因此得名“光學”和“聲學”的結合。
光聲學的工作原理是將生物組織暴露在鐳射脈衝中，其波長可被一些醫學上重要的分子吸收，比如血紅蛋白或膠原蛋白，甚至水。每一次脈衝都會加熱被稱為生物標記的分子，導致膨脹，然後在下一個脈衝到來之前收縮。這種週期性振盪有效地將標記物變成微型揚聲器，透過發射超聲波來顯示它們的位置，這種超聲波可以被非常敏感的麥克風接收。
透過幹轉移法在MOW尖端沉積厚度為19 ~ 92 nm的獨立swcnts薄膜(上圖)。樣品製備完成後，拍攝SEM影象，分析割縫機端面結構(圖c)。19 nm swcnts薄膜的結構過於稀疏(圖S2d)，因此不適合布拉格反射器的氣相沉積。相比之下，92nm的薄膜(圖S2a)太厚，在激發光脈衝或詢問光的傳輸過程中，它的使用會造成很高的光學損耗。40奈米薄膜(圖S2b)的密度足以作為氣相沉積布拉格反射器的襯底，而且它的使用比使用92奈米薄膜(圖2d)需要更低的光學損耗。因此，選擇40nm swcnts薄膜作為布拉格反射器的襯底。
光聲診斷的優點不僅僅是輻射安全。首先，你可以調諧到特定的生物標記物:透過改變激發聲波的鐳射的波長，你可以選擇目標分子。除此之外，超聲波在生物組織中衰減相當低。這意味著，與光相比，它可以在訊號消失前傳播更遠，從而可以更深入地觀察身體。
“今年，美國食品和藥物管理局批准了一種用於乳腺癌篩查的光聲診斷系統。然而，這些裝置並不打算被引入人體，所以鐳射器和麥克風都相當笨重，”該研究的首席研究員，斯科爾技術學院的Dmitry Gorin教授解釋說。
OAP透射(藍線)和反射(紅線)光譜分別在3個和6個樣品中平均。陰影部分表示平均誤差。虛線表示用於檢查和激發薄膜的鐳射波長。上圖顯示了帶有HC結構的OAP面和第一行毛細血管的模式輪廓影象。
“但有時鐳射無法穿透足夠深的地方，所以你必須把一個探針放入體內，以近距離觀察血管或膀胱的內部。這將有助於檢查動脈粥樣硬化斑塊，甚至可能對其進行顯微手術。探測器必須非常薄，理想情況下不應該有任何導線，”研究人員補充道。
為此，研究人員正在精心設計一套最初由英國同事提出的方案。該探頭由傳輸鐳射脈衝的光纖製成，並在其尖端攜帶一層薄膜，充當微型麥克風。有兩種鐳射:第一種鐳射產生的脈衝應該到達探針的尖端，自由地穿過細胞膜，並激發生物標記物。一旦它發出聲波，聲波就會被薄膜捕捉到，然後另一束鐳射從薄膜上讀出訊號。
實驗OAP訊號和MOW溫度計算分析。(a) 639 nm反射光問詢光訊號，顯示調製訊號的長衰減指數分量。藍色、青色、綠色和紅色分別對應200、126、50和32 μJ的脈衝能量。黑色虛線表示指數擬合。(b)包層毛細血管內排平均溫度的變化。黑色虛線對應衰減部分的指數擬合。insets和溫標對應於初始1064 nm鐳射脈衝後5、10和15 ms時混合膜和MOW中的溫度分佈的數值模擬。
第一作者Nikita Kaydanov解釋，“我們使用了100奈米的碳奈米管薄膜作為麥克風膜。為了能夠透過鐳射讀出膜上的訊號，我們在奈米管層上沉積了二氧化鈦和二氧化矽的所謂布拉格鏡。當反射鏡隨著薄膜振盪時，就會對鐳射訊號進行調製，從而實現讀出。”
Skoltech研究人員介紹的另一個新特性是使用空心微結構波導:光纖的中心有一個沿其整個長度執行的空氣腔。使用這種光纖的好處是它可以傳輸中紅外範圍內的光。這可以用於靶向其他生物標誌物:碳水化合物、脂類和蛋白質，包括那些需要區分相對無害的動脈粥樣硬化斑塊和那些需要醫療注意的斑塊的生物標誌物。
薄膜的高頻振動運動和激發波長為532 nm的RSOM影象。(a) 11-99 MHz組合通道膜的RSOM影象。(b)膜在11-33 MHz通道的RSOM影象。(c) 33-99 MHz通道中膜的RSOM影象。(d)覆層毛細血管限制的膜區域對應的高頻膜振動數值模擬。每幅影象描述了膜的振動位移和相應模態的頻率。
這項研究使我們離能工作的光聲內窺鏡探頭又近了一步。研究小組的發現包括鐳射如何加熱鏡子以及它如何影響折射指數的資料。這些資訊對於正確的訊號解釋是至關重要的。Gorin說:“我們的實驗還演示了用鐳射從振盪的鏡面塗層膜讀出訊號。然而，在我們的實驗中，移動薄膜的實際上不是生物標誌物發出的聲波，而是最初的鐳射脈衝，在透過薄膜時失去了一些能量。”
根據研究人員的說法，現在他們知道了訊號讀取的工作原理以及系統固有的“背景”訊號是什麼，他們可以嘗試從環境中採集實際的超聲波來證明裝置可以工作。
來源：Optoacoustic Effect in a Hybrid MultilayeredMembrane Deposited on a Hollow-Core Microstructured Optical Waveguide, ACSPhotonics (2021). DOI:10.1021/acsphotonics.1c01311
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