在微小的封装中实现光声和荧光成像结合

研究人员利用新设备对荧光珠（绿色）和红细胞（红色）成像。视野只有一根头发那么大。图片来源:Emmanuel Bossy, CNRS/格勒诺布尔阿尔卑斯大学物理学科交叉实验室

研究人员展示了一种新型内窥镜，它将光声和荧光成像技术独特地结合在一个只有头发丝厚的设备上。这种设备有望实现在测量神经活动的同时测量血液动力学，从而提供对大脑的新见解。

  “结合这些成像模式可以提高我们对特定情况下大脑结构和行为的理解，比如在用靶向药物治疗后，”来自CNRS/格勒诺布尔阿尔卑斯大学物理学科交叉实验室的研究小组组长Emmanuel Bossy说。“当把内窥镜插入小动物的大脑进行成像时，它的小尺寸有助于将对组织的损害降到最低。”

在光学学会(OSA)期刊《生物医学光学快报》上，Bossy的研究团队与来自伦敦大学学院Paul C. Beard的团队合作，描述了他们的新型多模态内窥镜，并表明它可以获得红细胞和荧光珠的光声和荧光图像。

使用同一装置获取荧光和光声图像，可提供具有互补信息的自动共配准图像。荧光信号是在荧光标记吸收光并以不同波长重新发射时产生的，它对标记组织的特定区域最有用。另一方面，光声图像捕捉光吸收后产生的声波，不需要标记，因此可以用于对血液动力学成像。

这种新型内窥镜使用一种称为光波阵面整形的技术，以在一个非常小的多模光纤的成像尖端产生聚焦光斑。Bossy说:“传播到多模光纤中的光被扰乱了，因此不可能透过光纤看到东西。”“然而，这种类型的光纤有利于内窥镜检查，因为与许多医疗内窥镜设备所使用的成像光纤束相比，它非常小。”

为了透视多模光纤，研究人员使用空间光调制器通过光纤发送特定的光图案，并在成像端产生一个焦点。当聚焦点打在样本上时，它会产生一个信号，因此可以用光栅扫描样本上的聚焦点来逐点建立图像。虽然其他研究人员已经将多模光纤用于荧光内窥镜，但这项新工作首次将光声成像纳入这种内窥镜设计中。

一种只有人头发丝厚的新型内窥镜，采用多模光纤(MMF)进行荧光成像，光纤传感器(FOS)进行光声成像。图片来源:Emmanuel Bossy, CNRS/格勒诺布尔阿尔卑斯大学物理学科交叉实验室

研究人员通过增加一种非常细、并且带有对声音敏感的特殊传感器尖端的光纤，增加了光声成像功能。由于市售的光纤声传感器对这种应用不敏感或不够小，因此研究人员使用了由Beard研究团队最近开发的非常敏感的光纤传感器。

Bossy解释说:“聚焦光斑使我们能够逐像素地构建图像，同时也增加了荧光和光声信号的强度，因为它将光集中在聚焦点上。”“这种聚焦的光与灵敏的探测器相结合，使得每像素只使用一个激光脉冲就能获得图像，而商用光纤声学传感器则需要很多激光脉冲。”

研究人员制作了一个微型内窥镜的原型，其尺寸仅为250×125平方微米，并用这两种成像方式对荧光珠和血细胞成像。他们成功地检测到多个1微米的荧光珠和单个6微米的红细胞。

因为其他科学家已经在啮齿类动物的大脑中进行了荧光内窥镜检查，研究人员相信他们的双模态装置将可以在类似的条件下工作。他们现在正在继续提高设备的采集速度，企图达到每秒可以采集数张图像。