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新型激光成像技術可實時查看小型動物體內狀況

2017-06-07   來源:cnBeta   評論:0
摘要: 利用一種新型激光成像技術,科學家可實時查看小型動物的體內狀況。該技術以光線和超聲波為基礎,分辨率足以使科學家看清動物器官、
         利用一種新型激光成像技術,科學家可實時查看小型動物的體內狀況。該技術以光線和超聲波為基礎,分辨率足以使科學家看清動物器官、流動的血液、擴散的黑色素瘤細胞、以及高效運作神經網絡等。這樣一來,研究人員便可監測藥物在動物體內擴散的過程,了解不同器官對藥物的反應。

圖為用光聲成像技術生成的小鼠器官圖像。該技術將光線與超聲波結合,可實時生成完整的斷層掃描圖。

圖為用光聲成像技術生成的小鼠腸道圖像。

此次研究由杜克大學和加州理工學院聯合開展。該技術名為“單脈沖光聲計算機斷層掃描成像”(簡稱SIP-PACT),利用光顯微技術和超聲波成像技術觀察動物的體內狀況。研究人員稱,對小型動物的活體掃描一直存在圖像分辨率和掃描速度的限制,而這一新技術可以解決這一問題。

它可以實時生成動物體內的斷層掃描圖,以成年小鼠為例,每秒可生成50張完整的斷層掃描結果。“光聲成像技術可以實時生成小型動物身體的完整斷層掃描圖像,被我們寄予厚望。”此次研究的共同作者、杜克大學生物醫學工程助理教授Junjie Yao博士指出,“利用這一技術,研究人員可輕松監測藥物在動物體內的分布情況,以及不同器官對藥物的反應。”

光聲成像技術在同一平臺上整合了多種成像技術。傳統的光顯微技術可快速生成高分辨率圖像,通過不同組織吸收、反射或發散的光線波長(即顏色),反映動物的身體內部細節。例如,黑色素可吸收近紅外光,而血液對光線的反應則取決于血氧量高低。然而,由于大部分光線在穿透組織時會發生散射,成像深度僅有幾毫米。相比之下,超聲波能夠輕松穿透身體組織,因此可使我們觀察得更為深入。但超聲波無法判斷組織的化學成分,因此無法像光線一樣、為我們提供重要的診療信息。

核磁共振成像技術(MRI)也能觀察到組織內部情況,但需要借助強大的磁場,且生成圖像的時間較長,從幾秒到幾分鐘不等,X光和正電子發射計算機斷層掃描技術(PET)又會產生大量輻射,不可用于長時間觀察,但光聲成像技術利用的是強大而短暫的激光脈沖,可在保證安全的前提下、使細胞發出超聲波,進而穿透身體組織。

在此次最新研究中,Yao博士和加州理工學院的Lihong Wang博士還使光聲成像技術的速度和掃描范圍都得到大幅提升。他們組建了一臺環形超聲探測器和一套快速數據采集系統,利用三角測量法確定小型動物體內各道超聲波的來源,最終,改進后的成像技術可深入生物組織內部五厘米,分辨率達亞毫米級,同時還保留了傳統光顯微技術提供的信息。

“這相當于把夏天午后一秒內收集的陽光壓縮到一片指甲那么大的面積中,然后在一納秒內發射出去。” Yao博士解釋道。他近十年來一直致力于研究這一技術。“激光擊中細胞后,其攜帶的能量使細胞稍有升溫、體積立即膨脹,由此產生了超聲波,這就像是緩緩推動一個物體和用力擊打它、使其震動之間的區別,我們可了解生物體內的全方位信息,每次激光脈沖都不會遺漏任何細節,可以實時監測生物體內動態,如心臟的跳動、動脈的擴張、不同組織的功能等。”

研究人員利用該技術追蹤了黑色素瘤細胞在小鼠血管內轉移的過程,同時拍攝了整個大腦神經網高速運轉的視頻。“這一技術功能十分強大,因為它無需注入任何造影劑。” Yao博士指出,“這樣我們就能確定生物體內的變化不是由外部原因引起的。我們認為這一技術在臨床前期成像和臨床診斷領域有著巨大潛力。”

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