초음파 전환형 형광 이미징

Ultrasound-switchable fluorescence imaging

초음파 전환형 형광(USF) 이미징은 심층 광학 이미징 기술입니다.지난 수십 년 동안 형광 현미경법은 생물학적 샘플과 살아있는 조직을 이미지화하기 위해 고도로 개발되었습니다.그러나 빛의 산란으로 인해 형광 현미경은 얕은 조직(약 1mm)[1]으로 제한됩니다.형광은 깊은 조직 정보를 조사하는 데 중요한 높은 대비, 고감도 및 저비용을 특징으로 하기 때문에, 높은 깊이 대 분해능 비율을 갖는 형광 이미징 기술의 개발이 유망할 것입니다.최근 초음파 전환형 [2]형광 이미징은 영상 깊이를 희생하지 않고 높은 SNR(Signal-to-Noise Ratio) 및 높은 공간 해상도 이미징을 달성하기 위해 개발되었습니다.

기본 원리

이론적 모델은 2009년 Yuan에 의해 처음 제안되었으며, 그는 초음파 초점 영역 내의 형광 방출을 제어하여 [3]영상의 공간 해상도와 SNR을 증가시킬 수 있는 형광체-퀀처-레이블 마이크로버블 시스템을 기반으로 초음파 변조 형광체를 개발했습니다.USF 이미징 원리의 관점에서 짧은 초음파 펄스를 인가하여 초음파 초점 [4]볼륨 외부에서 형광을 트리거하지 않고 초음파 초점 볼륨 내부에서 형광 방출을 활성화합니다.따라서 대상을 선별하여 초음파 초점 영역의 형광체 분포를 구별하고 영상화할 수 있습니다.USF 영상 기술에는 두 가지 기본 요소가 필요한데, 첫 번째는 형광 방출이 집중 초음파로 제어될 수 있는 고유한 USF 조영제입니다.둘째, 신호를 감지하고 배경 [4]소음을 억제하기 위해 민감한 USF 영상 시스템도 필요합니다.

USF principle.png

조영제 이미징

현재 두 가지 유형의 조영제가 개발되었습니다.

  • 플루오로포어 퀀처 라벨이 부착된 마이크로버블

첫 번째 유형은 2019년에 Yuan이 처음 발견하고 [3][5]2014년에 Liu 등이 개발한 플루오로포어-퀀처 라벨 마이크로버블입니다.이러한 유형의 조영제의 기본 원리는 마이크로 버블 표면의 형광 포어 농도를 변경하는 것입니다.2000년에 모건 등은 부정적인 초음파가 마이크로버블을 몇 배 [6]더 크게 만들 수 있다는 것을 발견했습니다.그 결과, 마이크로버블 표면에서의 급냉기와 형광체 사이의 거리가 커지게 되고(표면에서의 형광체 농도가 감소됨), 이는 급냉 효율이 극도로 저하되고, 형광체는 높은 방출 효율(ON 상태)[4]을 보이게 됩니다.초음파 초점 영역 외부의 마이크로버블은 전체 공정에서 동일한 작은 크기를 유지하므로, 급냉 효율이 항상 높아 형광포 방출(OFF 상태)을 억제할 수 있습니다.

  • 형광포어 라벨이 부착된 감열성 고분자 또는 형광포어 캡슐화 나노입자(NP)

두 번째 유형의 조영제는 형광체로 표시된 열감응성 고분자 또는 형광체로 캡슐화된 나노입자(NP)[4]입니다.이러한 종류의 에이전트의 중요한 부분은 열에 민감한 캐리어와 그 위에 라벨이 부착된 환경에 민감한(일반적으로 극성에 민감한) 형광 포어의 조합입니다.환경 온도가 특정 임계값(Tth1) 미만이면 형광등이 있는 캐리어의 극성이 상당히 낮은 방출 효율(OFF 상태)을 나타냅니다.초점 초음파가 적용되면 초점 영역이 온도 임계값(Tth2) 이상으로 가열되고 열 감지 캐리어의 구조가 변경되어 극성이 변경되므로 극성에 민감한 형광 포어가 사용됩니다.온도가 [2]T 미만이기th1 때문에 전체 프로세스 중에 초음파 초점 영역 외부의 형광등이 계속 꺼집니다.

US 피밍 시스템

USF 이미징 시스템의 목적은 USF 신호를 민감하게 감지하고 배경 노이즈를 극적으로 억제하는 것입니다.이미지 시스템은 먼저 잠금 증폭기와 냉각된 광전자 증배관(PMT)을 채택하여 시스템 감도를 획기적으로 증가시킵니다; 그리고 시스템은 USF 신호를 배경 잡음과 구별하기 위해 상관 알고리즘을 사용합니다; 또한, 초음파에 의한 형광 신호의 변화만을 감지합니다.변조된 주파수 들뜸 레이저는 항상 작동하며, 초음파로 인한 온도 상승은 변조된 주파수에서 형광 신호의 진폭을 변경합니다.위상 잠금 기준 신호를 간섭한 후, 잠금 앰프가 USF 신호를 보고합니다.또한 이 시스템은 여러 방출 [2]필터를 사용하여 레이저 누출을 줄일 수 있습니다.

신호 대 잡음 비

USF 이미징은 신호 광자를 배경 광자와 구별하여 SNR을 증가시킬 수 있습니다.배경 광자는 자동 형광, 빛 산란, 불완전한 조영제 및 레이저 누출에서 발생할 수 있습니다.생물학적 조직 구성 요소가 NIR [7]영역에서 가장 적은 자동 형광을 생성하므로 자동 형광을 줄이기 위해 NIR 형광을 채택할 수 있습니다.레일리 이론에 따르면:

I(r,sigma) = 14/sigma[8]

파장이 큰 빛은 산란이 적기 때문에 배경 잡음의 일부를 야기하는 빛 산란을 줄일 수 있습니다.또한, 형광 방출을 제어하기 위해 초음파를 사용함으로써 신호 형광체는 배경 형광체와 쉽게 구별될 수 있습니다.위에서 언급했듯이 레이저 누출은 방출 필터를 통해 최소화할 수 있습니다.

공간 해상도

두 번째 유형의 조영제(불소포어 레이블이 부착된 열민감 NP)를 사용할 경우 두 가지 메커니즘을 기반으로 공간 해상도를 더욱 개선할 수 있습니다.

  • 비선형 음향 효과

음향 회절은 공간 해상도를 높이는 주요 장애물입니다.초음파 노출 전력을 제어함으로써 비선형 음향 효과가 발생할 수 있으며, 결과적으로 기본 주파수에서 음향 에너지의 일부가 초점 볼륨의 더 높은 고조파 주파수 성분으로 전달되어 더 촘촘하게 초점을 [9]맞출 수 있습니다.이것이 비선형 음향 효과가 초음파 유도 온도 초점 크기를 감소시킬 수 있는 주요 이유입니다.

  • 열감금

USF 기법의 공간 분해능은 형광등을 켤 수 있는 영역의 크기에 따라 결정됩니다.온도만 임계값 이상일 경우 형광등을 켤 수 있습니다.그러나, 열확산 또는 전도로 인해, 초음파 노출 시간을 제어하여 초음파 유도 열 에너지를 초점 볼륨 크기 내로 제한할 필요가 있으므로, 형광체를 ON으로 전환할 수 있는 것은 일반적으로 [9]초음파의 실제 초점 크기보다 작습니다.

적용들

USF 기술은 광펄스 지연 기술 및 광자 계수 기술과 결합하여 심층 탁 [10]매체에서 고해상도 이미징을 달성할 수 있습니다.2016년, Cheng 등은 SNR이 높고 감도가 높은 센티미터 깊이 조직 팬텀에서 고해상도 형광 이미징을 달성했으며, 이 [2]염료를 기반으로 NIR 극도로 환경에 민감한 형광 포어, ADP(CA)2 및 USF 조영제 제품군을 합성하고 특성화했습니다.2019년의 최근 연구에서 야오 등은 고해상도 마우스에서 생체 내 초음파 전환 형광 이미징을 처음으로 달성했습니다.ICG 캡슐화 PNIPAM 나노입자는 생물학적 환경에서 상당히 안정적인 조영제로 채택되었습니다.CT 영상 결과와 비교했을 때, 그들은 USF 영상이 깊은 [11]조직에서 높은 민감도와 특이성을 유지한다는 것을 발견했습니다.

레퍼런스

  1. ^ Helmchen, Fritjof (18 November 2005). "Deep tissue two-photon microscopy". Nature Methods. 932 (940): 932–940. doi:10.1038/nmeth818. PMID 16299478. S2CID 3339971.
  2. ^ a b c d Cheng, Bingbing (November 9, 2016). "High-Resolution Ultrasound-Switchable Fluorescence Imaging in Centimeter-Deep Tissue Phantoms with High Signal-To-Noise Ratio and High Sensitivity via Novel Contrast Agents". PLOS ONE. 11 (11): e0165963. Bibcode:2016PLoSO..1165963C. doi:10.1371/journal.pone.0165963. PMC 5102469. PMID 27829050.
  3. ^ a b Yuan, Baohong (1 March 2009). "Ultrasound-modulated fluorescence based on a fluorophore-quencher-labeled microbubble system". Biomedical Optics. 14 (2): 024043. Bibcode:2009JBO....14b4043Y. doi:10.1117/1.3120493. PMID 19405771.
  4. ^ a b c d Cheng, Bingbing (May–June 2014). "Development of Ultrasound-Switchable Fluorescence Imaging Contrast Agents Based on Thermosensitive Polymers and Nanoparticles". Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 20 (3): 67–80. Bibcode:2014IJSTQ..20...67C. doi:10.1109/JSTQE.2013.2280997. PMC 4454428. PMID 26052192.
  5. ^ Liu, Yuan (Aug 2014). "Ultrasound-modulated fluorescence based on fluorescent microbubbles". Journal of Biomedical Optics. 19 (8): 085005. Bibcode:2014JBO....19h5005L. doi:10.1117/1.JBO.19.8.085005. PMC 4407672. PMID 25104407.
  6. ^ Morgan, Karen (Nov 2000). "Experimental and theoretical evaluation of microbubble behavior: effect of transmitted phase and bubble size". IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 47 (6): 1494–1509. doi:10.1109/58.883539. PMID 18238696. S2CID 22520633.
  7. ^ Deng, Guanjun (Jul 2018). "Near-infrared fluorescence imaging in the largely unexplored window of 900-1,000 nm". Theranostics. 8 (15): 4116–4128. doi:10.7150/thno.26539. PMC 6096386. PMID 30128040.
  8. ^ "Blue Sky Scattering". Hyper physics.
  9. ^ a b Yuan, Baohong (2013). "Breaking the acoustic diffraction limit via nonlinear effect and thermal confinement for potential deep-tissue high-resolution imaging". Applied Physics Letters. 102 (6): 063703. Bibcode:2013ApPhL.102f3703Y. doi:10.1063/1.4792736. PMC 3585748. PMID 23479498.
  10. ^ Yuan, Baohong (Jul 2012). "High-resolution imaging in a deep turbid medium based on an ultrasound-switchable fluorescence technique". Applied Physics Letters. 101 (33703): 033703. Bibcode:2012ApPhL.101c3703Y. doi:10.1063/1.4737211. PMC 3411561. PMID 22893732.
  11. ^ Yao, Tingfeng (Jul 2019). "In vivo ultrasound-switchable fluorescence imaging". Scientific Reports. 9 (1): 9855. arXiv:1810.04997. Bibcode:2019NatSR...9.9855Y. doi:10.1038/s41598-019-46298-2. PMC 6614554. PMID 31285475.