Sebagai teknik pencitraan tanpa penanda, pencitraan optik nonlinier multimodal (NLOI) telah menjadi alat yang ampuh untuk evaluasi kanker. Untuk menghindari artefak gerak dan kerusakan optik yang terkait dengan NLOI multimodal, salah satu solusinya adalah dengan menggunakan laser ultracepat tunggal sebagai sumber eksitasi yang dikombinasikan dengan beberapa saluran deteksi untuk mengumpulkan sinyal dari modalitas berbeda untuk mengamati biomolekul berbeda. Namun, dalam kasus ini, setiap mode tidak dapat dioptimalkan secara independen dan diperlukan sumber eksitasi yang sesuai untuk menggairahkan semua mode NLOI. Mikroskop fluoresensi multipleks spontan (SLAM) bebas label, dengan panjang gelombang eksitasi ditetapkan pada 1110 nm, memungkinkan pengumpulan sinyal secara simultan dari empat mode dalam kondisi eksitasi tunggal melalui saluran deteksi sinyal yang berbeda, memperoleh fluoresensi dua foton (2PAF) untuk FAD , fluoresensi tiga foton (3PAF) untuk NADH, frekuensi dua oktaf (SHG) untuk struktur kolagen, dan frekuensi tiga oktaf (THG) untuk mutasi indeks bias. sinyal frekuensi (THG) pada mutasi indeks bias. Saat ini, sebagian besar sumber cahaya yang digunakan untuk menggerakkan mikroskop SLAM perlu memasangkan pulsa ultrapendek menjadi serat kristal fotonik atau kristal untuk mencapai konversi panjang gelombang, yang memerlukan biaya tinggi, tapak besar, pengoperasian rumit, dan ketidakmampuan pengoperasian stabil dalam jangka panjang.
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, lebar pulsa 34fs, dan daya puncak hampir 3MW, sumber cahayanya kompak dan stabil sekaligus mencapai kualitas pulsa yang sangat baik untuk menggerakkan mikroskop SLAM untuk pencitraan medis.
Gambar 1 menunjukkan diagram skema sistem laser serat yang didoping ytterbium dengan manajemen ganda pra-kicauan dan penguatan. Ini terdiri dari sumber benih, modul pra-amplifikasi, modul pra-kicauan, modul amplifikasi terkelola penguatan (GMA) dan modul kompresi. Sumber benih menyediakan pulsa benih dengan panjang gelombang pusat 1040 nm, energi pulsa 0,2 nJ, dan frekuensi pengulangan 43 MHz. Denyut benih telah diperkuat sebelumnya dengan serat doping Yb sepanjang 40 cm, dan sepasang kisi ditempatkan di depan modul GMA untuk memperkenalkan dispersi, dan pra-kicauan negatif atau positif ditambahkan ke keluaran pra-amplifikasi. pulsa dengan mengatur jarak kisi. Pulsa pra-kicau selanjutnya diperkuat dalam serat doping Yb sepanjang 3,1 m untuk manajemen penguatan. Pulsa kedua yang diperkuat dikompresi melalui sepasang kisi transmisi lainnya. Pengaruh parameter ini pada kualitas kompresi pulsa dieksplorasi dengan menyempurnakan energi input dan pra-kicauan, dan hasil eksperimen ditunjukkan pada Gambar. 2 dan 3, yang menunjukkan bahwa pulsa kualitas kompresi tinggi dapat dihasilkan pada kisaran daya pompa, energi masukan, dan kicauan negatif yang sesuai. Ketika daya pompa 9 W, energi pulsa masukan adalah 0,6 nJ, dan pra-kicauan adalah -36000 fs2, pulsa dengan panjang gelombang pusat 1110 nm, lebar pulsa 34 fs, energi 92,2 nJ, dan diperoleh daya puncak mendekati 3 MW, yang sangat cocok untuk menggerakkan mikroskop SLAM untuk pencitraan medis.
Gambar Gambar 2. Pengaruh energi pulsa input yang berbeda pada kompresi pulsa GMA pada daya pompa 9 W dan pra-kicauan -36000 fs2. (a) Lebar pulsa kompresi dan rasio Strehl pada energi masukan berbeda. (b) Spektrum keluaran pada energi masukan yang berbeda. (c) Kurva merah: lintasan autokorelasi terukur dari pulsa terkompresi, kurva hitam: lintasan autokorelasi pulsa batas transformasi yang diperoleh dengan perhitungan spektral
Gambar 3. Pengaruh pra-kicauan yang berbeda pada kompresi pulsa GMA untuk energi pulsa masukan sebesar 0,6 nJ dan daya pompa sebesar 9 W. Hasilnya dirangkum sebagai berikut (a) Lebar pulsa terkompresi dan Rasio Strehl untuk pra-kicauan yang berbeda. (b) Spektrum keluaran pada pra-kicauan yang berbeda. (c) Kurva merah: lintasan autokorelasi terukur dari pulsa terkompresi, kurva hitam: lintasan autokorelasi pulsa batas transformasi yang diperoleh dengan perhitungan spektral.
Tim menerapkan sumber cahaya ultracepat ini untuk mempelajari patologi tumor di berbagai jaringan, termasuk adenokarsinoma usus, adenokarsinoma paru-paru, dan jaringan hati, untuk secara bersamaan menggambarkan komponen seluler dan ekstraseluler dengan teknik SLAM. Gambar SLAM dari jaringan adenokarsinoma usus ditunjukkan pada Gambar 4, dengan warna hijau menunjukkan SHG, magenta menunjukkan THG, kuning menunjukkan 2PEF, dan biru menunjukkan 3PEF. Pencitraan SLAM dapat memberikan detail seluler dan jaringan yang jauh lebih kaya daripada gambar pewarnaan H&E konvensional, yang dapat membantu untuk memahami perubahan biokomponen pada tumor dan jaringan normal, dan untuk mencari biomarker untuk diagnosis dan prognosis kanker.
Gambar Gambar 4. (a) Pencitraan SHG/THG/2PEF/3PEF jaringan adenokarsinoma usus. Berbagai wilayah yang diminati diperbesar dalam (c) - (e) (kotak putus-putus putih). (b) Gambar pewarnaan H&E yang sesuai. (c) Pencitraan 2PEF/3PEF dari jaringan mukosa usus normal. (d) Pencitraan SHG/THG dari jaringan mukosa usus normal. (e) Pencitraan SHG serat interstisial dan vakuola lemak, panah merah: kelenjar usus, panah biru: membran basal, panah hijau: lendir yang disekresi oleh sel cangkir, panah putih: makrofag, panah kuning: serat interstisial, panah ungu: vakuola lemak. Bilah skala: 200 μm
Secara keseluruhan, tim peneliti mencapai pembangkitan denyut ultracepat berkualitas tinggi melalui pengembangan laser serat doped Yb yang dikelola ganda dan pra-kicau, yang berhasil diterapkan pada pencitraan SLAM, sebuah teknik yang dapat memberikan detail seluler dan jaringan yang lebih kaya yang dapat membantu dalam studi onkopatologi dan diagnosis kanker. Selain itu, sumber cahaya ultracepat ini kompak dan kuat, sehingga ideal untuk digunakan dalam lingkungan klinis untuk evaluasi cepat dan komprehensif terhadap berbagai proses fisiologis dan patologis. Hasil inovatif dari penelitian ini diharapkan dapat memajukan bidang diagnostik dan terapi medis dengan memberikan informasi yang lebih akurat dan komprehensif untuk diagnosis kanker, penilaian kemanjuran, dan pengobatan individual. Seiring dengan kemajuan dan optimalisasi teknologi, pencitraan SLAM diharapkan memainkan peran yang lebih penting dalam praktik klinis di masa depan. Perangkat dan perangkat inti yang terkait dengan kemajuan ini telah diterapkan untuk paten penemuan nasional.
Hasilnya dipublikasikan dalam edisi terbaru Biomedical Optics Express, jurnal dari Optical Society of America (10.1364/BOE.506915), dan penulis pertama makalah ini adalah Yuting Xing, seorang mahasiswa doktoral yang diawasi oleh peneliti Guoqing Chang.
Pekerjaan ini didukung oleh National Natural Science Foundation of China (Hibah No. 92250307, 62227822, dan 62175255) dan Program Pengembangan Instrumen Penting dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok (Hibah No. YJKYYQ20190034). Peneliti Guoqing Chang dan Dr. Yaobing Chen dari Rumah Sakit Tongji Wuhan adalah penulis yang sesuai, dan mahasiswa PhD Runshi Chen, Lihao Zhang, Yang Liu, Xinzai Diao dan Peneliti Shu Zhang dari Rumah Sakit Tongji Wuhan, Prof. Yishi Shi dan Peneliti Zhiyi Wei dari Universitas dari Chinese Academy of Sciences juga terlibat dalam desain dan diskusi karya ini.
