Com a tècnica d'imatge sense marcadors, la imatge òptica no lineal multimodal (NLOI) s'ha convertit en una eina poderosa per a l'avaluació del càncer. Per evitar artefactes de moviment i danys òptics associats amb NLOI multimodal, una solució és utilitzar un únic làser ultraràpid com a font d'excitació combinada amb múltiples canals de detecció per recollir senyals de diferents modalitats per observar diferents biomolècules. Tanmateix, en aquest cas, cada mode no es pot optimitzar de manera independent i es necessita una font d'excitació adequada per excitar tots els modes NLOI. La microscòpia de fluorescència espontània multiplexada (SLAM) sense etiqueta, amb la longitud d'ona d'excitació fixada en 1110 nm, permet la recollida simultània de senyals de quatre modes en una sola condició d'excitació a través de diferents canals de detecció de senyals, adquirint fluorescència de dos fotons (2PAF) per a FAD , fluorescència de tres fotons (3PAF) per a NADH, freqüència de dues octaves (SHG) per a estructures col·lagenes i freqüència de tres octaves (THG) per a la mutació de l'índex de refracció. senyals de freqüència (THG) a les mutacions de l'índex de refracció. Actualment, la majoria de les fonts de llum que s'utilitzen per conduir microscopis SLAM necessiten acoblar polsos ultracurts en fibres o cristalls de cristall fotònic per aconseguir una conversió de longitud d'ona, que implica un alt cost, una gran empremta, un funcionament complicat i la incapacitat d'un funcionament estable durant molt de temps.
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, una amplada de pols de 34fs i una potència màxima de gairebé 3 MW, la font de llum és compacta i estable alhora que aconsegueix una excel·lent qualitat de pols per conduir microscopis SLAM per a imatges mèdiques.
La figura 1 mostra el diagrama esquemàtic del sistema làser de fibra dopada amb iterbi amb gestió dual de pre-chirp i guany. Consisteix en una font de llavors, un mòdul de preamplificació, un mòdul de pre-chirp, un mòdul d'amplificació gestionada per guany (GMA) i un mòdul de compressió. La font de llavors proporciona un pols de llavors amb una longitud d'ona central d'104{{0 nm, una energia de pols de 0,2 nJ i una freqüència de repetició de 43 MHz. El pols de llavors s'amplifica prèviament per una fibra dopada amb Yb de 40 cm de llarg i es col·loca un parell de reixes davant del mòdul GMA per introduir la dispersió, i s'afegeix un pre-chirp negatiu o positiu a la sortida preamplificada. pols ajustant l'espai entre reixes. S'amplifiquen més polsos prèviament xips en una fibra dopada amb Yb de 3,1 m de llarg per a la gestió del guany. El segon pols amplificat es comprimeix a través d'un altre parell de reixes de transmissió. L'efecte d'aquests paràmetres sobre la qualitat de la compressió del pols s'explora ajustant finament l'energia d'entrada i el pre-chirp, i els resultats experimentals es mostren a les Figs. 2 i 3, que mostren que es poden produir polsos d'alta qualitat de compressió amb un rang de potència de bomba, energia d'entrada i xip negatiu adequat. Quan la potència de la bomba és de 9 W, l'energia del pols d'entrada és de 0,6 nJ i el pre-chirp és -36000 fs2, un pols amb una longitud d'ona central de 1110 nm, una amplada del pols de 34 fs, una energia de 92,2 nJ, i s'obté una potència màxima propera als 3 MW, molt adequada per conduir microscopis SLAM per a imatges mèdiques.
Imatge Fig. 2. Efecte de diferents energies de pols d'entrada sobre la compressió de polsos GMA a una potència de bomba de 9 W i un pre-chirp de -36000 fs2. ( a ) Ample de pols de compressió i relació Strehl a diferents energies d'entrada. (b) Espectres de sortida a diferents energies d'entrada. (c) Corba vermella: trajectòria d'autocorrelació mesurada del pols comprimit, corba negra: trajectòria d'autocorrelació del pols límit transformat obtinguda per càlcul espectral
Fig. 3. Efecte de diferents pre-chirps sobre la compressió del pols GMA per a una energia de pols d'entrada de 0.6 nJ i una potència de bomba de 9 W. Els resultats es resumeixen de la següent manera (a) Amplària del pols de pols comprimit i Relació Strehl per a diferents pre-chirps. (b) Espectres de sortida a diferents pre-chirps. (c) Corba vermella: trajectòria d'autocorrelació mesurada del pols comprimit, corba negra: trajectòria d'autocorrelació del pols límit transformat obtinguda per càlcul espectral.
L'equip va aplicar aquesta font de llum ultraràpida per estudiar la patologia del tumor en diferents teixits, inclosos l'adenocarcinoma intestinal, l'adenocarcinoma de pulmó i els teixits hepàtics, per imaginar simultàniament components cel·lulars i extracel·lulars mitjançant la tècnica SLAM. A la figura 4 es mostra una imatge SLAM del teixit d'adenocarcinoma intestinal, on el verd indica SHG, el magenta indica THG, el groc indica 2PEF i el blau indica 3PEF. ajudar a comprendre els canvis dels biocomponents tant en els tumors com en els teixits normals, i a buscar biomarcadors per al diagnòstic i pronòstic del càncer.
Imatge Figura 4. (a) Imatge SHG/THG/2PEF/3PEF del teixit d'adenocarcinoma intestinal. Les diferents regions d'interès s'amplien entre (c) - (e) (quadrats blancs puntejats). ( b ) Imatges de tinció H&E corresponents. (c) Imatge 2PEF/3PEF del teixit de la mucosa intestinal normal. ( d ) Imatge SHG / THG del teixit de la mucosa intestinal normal. (e) Imatge SHG de fibres intersticials i vacúols de greix, fletxa vermella: glàndula intestinal, fletxa blava: membrana basal, fletxa verda: moc secretat per cèl·lules de la copa, fletxa blanca: macròfag, fletxa groga: fibres intersticials, fletxa porpra: vacúols de greix. Barra d'escala: 200 μm
En general, l'equip d'investigació va aconseguir una generació de polsos ultraràpids d'alta qualitat mitjançant el desenvolupament d'un làser de fibra dopat amb Yb de doble gestió, que es va aplicar amb èxit a la imatge SLAM, una tècnica que pot proporcionar detalls cel·lulars i tissulars més rics que pot ajudar en estudis d'oncopatologia i diagnòstic de càncer. A més, la font de llum ultraràpida és compacta i robusta, la qual cosa la fa ideal per al seu ús en un entorn clínic per a una avaluació ràpida i completa de diversos processos fisiològics i patològics. S'espera que els resultats innovadors d'aquest estudi facin avançar el camp del diagnòstic mèdic i la terapèutica proporcionant informació més precisa i completa per al diagnòstic del càncer, l'avaluació de l'eficàcia i el tractament individualitzat. A mesura que la tecnologia continua avançant i optimitzant-se, s'espera que la imatge SLAM tingui un paper més important en la pràctica clínica en el futur. El dispositiu i el dispositiu bàsic associat a aquest avenç s'han aplicat per a patents d'invenció nacionals.
Els resultats es van publicar en un número recent de Biomedical Optics Express, una revista de la Optical Society of America (10.1364/BOE.506915), i el primer autor del treball és Yuting Xing, un estudiant de doctorat supervisat per l'investigador Guoqing Chang.
Aquest treball va comptar amb el suport de la Fundació Nacional de Ciències Naturals de la Xina (subvenció núm. 92250307, 62227822 i 62175255) i el programa de desenvolupament d'instruments importants de l'Acadèmia de Ciències de la Xina (subvenció núm. YJKYYQ20190034). L'investigador Guoqing Chang i el doctor Yaobing Chen de l'Hospital de Wuhan Tongji van ser els autors corresponents, i els estudiants de doctorat Runshi Chen, Lihao Zhang, Yang Liu, Xinzai Diao i l'investigador Shu Zhang de l'Hospital de Wuhan Tongji, el professor Yishi Shi i l'investigador Zhiyi Wei de la Universitat de l'Acadèmia Xinesa de Ciències també van participar en el disseny i discussió d'aquest treball.
