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超高解析度光聲顯微鏡可以發現堵塞的微血管

出處 POSTECH 作者 劉聖哲摘譯 年份 2020/04/07
報告類型 新聞報導 分類 原子科技及民生應用 資料時間 2020年4月
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       11月下旬,在《自然(Nature)》系列期刊《光:科學與應用(Light: Science and Applications)》雜誌上,韓國浦項科技大學(POSTECH)的創新資通訊工程教授Chulhong Kim、研究教授Jinyoung Kim和博士研究生Jongbeom Kim共同發表他們開發出比傳統光聲顯微鏡(photoacoustic microscopy)快500倍的「超高解析度定位光聲顯微鏡」。在這部快速光聲顯微鏡系統中,使用具有客製化掃描鏡(custom-made scanning mirror)的商用振鏡掃描儀(galvanometer scanner),不需要使用造影劑,就能監測紅血球流動來發現堵塞或破裂的血管。

       迄今為止,光聲顯微鏡可說是對於人或動物之生理結構以及分子資訊進行造影的最佳工具,由它所攝得影像的空間解析度可達數微米(μm)等級,因此能夠用來取得組織中微血管的影像,甚至於觀察單一紅血球的運動。光聲顯微鏡造影是先以雷射光照射在生物體上,誘導生物體(及組成分子)因吸收雷射光能量瞬間熱膨脹,而產生所謂的「光聲波(photoacoustic waves)」,再以超音波探頭偵測光聲波訊號,對細胞、血管和組織進行造影成像。然而,目前的光聲顯微鏡造影的速率普遍較慢,而且空間以及對比解析度受共軛校準的影響也很大,如此對於觀察細小微血管,並發現其中血流動力特性等之能力仍多有限制。為應對挑戰,研究人員於是開發新的光聲顯微鏡系統。

       研究人員就一部既有的光聲顯微鏡系統,將其掃描鏡予以客製化改進,使該部光聲顯微鏡成為能同時掃描光聲波和雷射光束的「超高解析度定位光聲顯微鏡」。結果新系統在無需使用造影劑的情形下,就能成功地監測與定量微血管系統中的血液流速,並在很短的時間內獲得超高解析度微血管影像。研究小組表示:「新光聲顯微鏡系統之時間解析度顯著提高,B模式速率(B-mode rate)達500 Hz,訊噪比(SNR)仍能保持很高的;空間解析度則進一步提高了2.5倍。」

       這項研究的成果對於許多醫療議題是很有意義的,例如對於中風和心血管疾病的診斷和治療方面,新系統或能大有助益;由於它可以即時監測和記錄紅血球的流動,因此也可以用於需要緊急診斷和治療的血管疾病。此外,由於新系統能直接監測微血管中的血液動力學(hemodynamics),故亦能用於血液動力學反應、血管中造影劑動力學(contrast agent dynamics)、及短暫微循環異常(transient microcirculatory abnormalities)等領域。最後研究人員指出:新系統還能作為傳統大腦造影系統的補充工具,也可以用於臨床前和臨床上之研究。

圖說:a老鼠耳朵的寬視野最大強度投影光聲影像。白色虛線勾勒出包含毛細管床的區域。b老鼠眼睛的深度編碼光聲影像。白色箭頭指示(I)動脈大環、(II)虹膜、(III)動脈小環、和(IV)脈絡膜的微血管。c帶有深度和幅度彩色編碼的老鼠大腦之寬視野最大強度投影光聲影像。箭頭為(V)上矢狀竇和(VI)橫竇。

(Source: Kim, J., et al. (2019) Super-resolution localization photoacoustic microscopy using intrinsic red blood cells as contrast absorbers. Light: Science & Applications. doi.org/10.1038/s41377-019-0220-4.)