近日,俄羅斯莫斯科skoltech大學(xué)的研究人員在動(dòng)脈硬塊檢測(cè)研發(fā)上取得了新的成果。他們使用的是一種稱為“光聲內(nèi)窺鏡”(Optoacoustic Endoscopy)的探頭設(shè)備,可以滑入血管并通過將激光照射在動(dòng)脈粥樣硬化斑塊上使它們像揚(yáng)聲器膜一樣振動(dòng),以獲得動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的準(zhǔn)確分析。
這種檢測(cè)方法將導(dǎo)致斑塊以超聲波的特征泄露其化學(xué)成分。如果這種方法取得臨床試驗(yàn)認(rèn)可,將大大提升機(jī)器人顯微外科手術(shù)的成功率和醫(yī)療診斷的效率。
與CT掃描不同,光聲成像不使用X射線或其他對(duì)身體有害的輻射方法。相反,它依賴于可見光和聲音信號(hào)。光聲技術(shù)將生物組織暴露于激光脈沖的環(huán)境下。某些分子(例如血紅蛋白或膠原蛋白)會(huì)主動(dòng)吸收激光脈沖的波長(zhǎng)被,同時(shí)每個(gè)脈沖也會(huì)加熱這些靶向分子(或生物標(biāo)志物),在下一個(gè)脈沖到來之前的瞬間引起膨脹然后收縮。
生物標(biāo)志物(Biomarker)是指一種可客觀檢測(cè)和評(píng)價(jià)的特性,可作為正常生物學(xué)過程、病理過程或治療干預(yù)藥理學(xué)反應(yīng)的指示因子,作為個(gè)體化醫(yī)療的“關(guān)鍵詞”之一,尋找和發(fā)現(xiàn)有價(jià)值的生物標(biāo)志物已經(jīng)成為當(dāng)前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
■藝術(shù)家對(duì)光聲探頭的概念描繪。探頭進(jìn)入血管以檢查動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的成分。該設(shè)備將組成細(xì)胞暴露在各種激光波長(zhǎng)下,并用麥克風(fēng)拾取由此產(chǎn)生的振動(dòng)(來源:Pavel Odinev/Skoltech)
周期性振蕩有效地將標(biāo)記變成微型揚(yáng)聲器,再通過發(fā)射超聲波來顯示它們的位置,超聲波可以被靈敏的麥克風(fēng)拾取。在安全性上,光聲診斷的優(yōu)勢(shì)超越了輻射檢測(cè)。另外,該技術(shù)還能通過改變激光波長(zhǎng)來靶向生物標(biāo)志物。超聲波在生物組織中的衰減相當(dāng)?shù)?,這意味著與光相比,它可以在信號(hào)減弱之前傳播更遠(yuǎn)的距離,從而可以更深入地觀察身體組織。
該研究的首席研究員、Skoltech大學(xué)光子科學(xué)與工程中心的教授Dmitry Gorin表示,現(xiàn)有的光聲診斷系統(tǒng)體積過于龐大,無法引入人體?!坝袝r(shí)激光無法穿透得足夠深,所以必須在體內(nèi)放置一個(gè)探頭以便更仔細(xì)地觀察血管或膀胱的內(nèi)部,”Dmitry Gorin說,“新技術(shù)將有助于提高動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的檢測(cè)速度,甚至可能對(duì)它們進(jìn)行顯微手術(shù)。探頭必須非常薄,理想情況下應(yīng)該沒有任何電線。”
為此,研究人員正在制定最初由他們?cè)谟⒏裉m的一組同事提出的設(shè)置。所討論的探頭由傳輸激光脈沖并帶有薄膜的光纖制成。薄膜在其尖端被當(dāng)作微型麥克風(fēng)。在該系統(tǒng)中,一個(gè)激光脈沖到達(dá)探頭尖端后穿過薄膜并激發(fā)特定分子。一旦生物標(biāo)志物發(fā)出聲波就會(huì)被薄膜吸收,然后第二個(gè)激光脈沖再?gòu)谋∧ど献x取信號(hào)。
“我們使用了100納米的碳納米管薄膜作為麥克風(fēng)薄膜。為了通過激光從膜上讀取信號(hào),我們?cè)诩{米管層上沉積了二氧化鈦和二氧化硅布拉格鏡,”該研究的第一作者Nikita Kaydanov 說,“當(dāng)鏡子與膜一起振蕩時(shí)會(huì)調(diào)制激光信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)讀取數(shù)據(jù)?!?/p>
Skoltech大學(xué)的研究人員還采用了一種空心微結(jié)構(gòu)波導(dǎo),這種光纖的中心有一個(gè)沿其整個(gè)長(zhǎng)度延伸的空氣腔。使用這種光纖的好處在于它能夠傳輸原本無法獲得的中紅外范圍內(nèi)的光。這有助于靶向其他生物標(biāo)志物,例如碳水化合物、脂質(zhì)和蛋白質(zhì),包括區(qū)分相對(duì)無害的動(dòng)脈粥樣硬化斑塊和需要醫(yī)療護(hù)理的動(dòng)脈粥樣硬化斑塊所需的生物標(biāo)志物。
在這項(xiàng)研究中,該團(tuán)隊(duì)還獲得了有關(guān)激光如何加熱系統(tǒng)中的反射鏡組件以及如何影響折射率的寶貴數(shù)據(jù)?!皩?shí)驗(yàn)證明了使用激光脈沖從振蕩的鏡面涂層膜上讀出信號(hào)的可行性,”Dmitry Gorin說,“然而在我們的案例中,生物標(biāo)志物發(fā)出聲波并不是薄膜移動(dòng)的原因,而是由激光脈沖在穿過薄膜時(shí)損失的初始能量所造成的?!?/p>
據(jù)研究人員稱,了解信號(hào)讀出的工作原理和系統(tǒng)固有的“背景”信號(hào)將使他們能夠嘗試從環(huán)境中獲取實(shí)際的超聲波,以表明該探頭設(shè)備可以正常工作。
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