ในฐานะที่เป็นเทคนิคการถ่ายภาพแบบไม่มีเครื่องหมาย การถ่ายภาพด้วยแสงแบบไม่เชิงเส้นหลายรูปแบบ (NLOI) ได้กลายเป็นเครื่องมืออันทรงพลังสำหรับการประเมินมะเร็ง เพื่อหลีกเลี่ยงสิ่งรบกวนจากการเคลื่อนไหวและความเสียหายทางแสงที่เกี่ยวข้องกับ NLOI หลายรูปแบบ วิธีแก้ปัญหาหนึ่งคือการใช้เลเซอร์ที่เร็วมากเพียงตัวเดียวเป็นแหล่งกระตุ้นรวมกับช่องการตรวจจับหลายช่องเพื่อรวบรวมสัญญาณจากรังสีที่แตกต่างกันเพื่อสังเกตชีวโมเลกุลที่แตกต่างกัน อย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้ แต่ละโหมดไม่สามารถปรับให้เหมาะสมได้อย่างอิสระ และจำเป็นต้องมีแหล่งกระตุ้นที่เหมาะสมเพื่อกระตุ้นโหมด NLOI ทั้งหมด กล้องจุลทรรศน์มัลติเพล็กซ์เรืองแสงเอง (SLAM) แบบไร้ฉลาก โดยตั้งค่าความยาวคลื่นการกระตุ้นไว้ที่ 1110 นาโนเมตร ช่วยให้สามารถรวบรวมสัญญาณจากสี่โหมดพร้อมกันภายใต้สภาวะกระตุ้นเดียวผ่านช่องสัญญาณการตรวจจับที่แตกต่างกัน เพื่อให้ได้แสงฟลูออเรสเซนต์แบบสองโฟตอน (2PAF) สำหรับ FAD , การเรืองแสงแบบสามโฟตอน (3PAF) สำหรับ NADH, ความถี่สองออคเทฟ (SHG) สำหรับโครงสร้างคอลลาเจน และความถี่สามออคเทฟ (THG) สำหรับการกลายพันธุ์ของดัชนีการหักเหของแสง สัญญาณความถี่ (THG) ที่การกลายพันธุ์ของดัชนีการหักเหของแสง ในปัจจุบัน แหล่งกำเนิดแสงส่วนใหญ่ที่ใช้ในการขับเคลื่อนกล้องจุลทรรศน์ SLAM จำเป็นต้องจับคู่พัลส์ที่สั้นเกินขีดเข้ากับเส้นใยคริสตัลโฟโตนิกหรือคริสตัลเพื่อให้ได้การแปลงความยาวคลื่น ซึ่งเกี่ยวข้องกับต้นทุนสูง พื้นที่ขนาดใหญ่ การดำเนินการที่ซับซ้อน และการไร้ความสามารถในการดำเนินการที่เสถียรเป็นเวลานาน
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, ความกว้างพัลส์ 34fs และกำลังสูงสุดเกือบ 3MW แหล่งกำเนิดแสงมีขนาดกะทัดรัดและเสถียร ขณะเดียวกันก็ให้คุณภาพพัลส์ที่ดีเยี่ยมในการขับเคลื่อนกล้องจุลทรรศน์ SLAM สำหรับการถ่ายภาพทางการแพทย์
รูปที่ 1 แสดงแผนผังของระบบไฟเบอร์เลเซอร์ที่เจือด้วยอิตเทอร์เบียมพร้อมเสียงร้องล่วงหน้าและได้รับการจัดการแบบคู่ ประกอบด้วยแหล่งกำเนิดสัญญาณ, โมดูลปรีแอมพลิฟายเออร์, โมดูลพรีเสียงร้อง, โมดูลขยายสัญญาณที่มีการจัดการเกน (GMA) และโมดูลการบีบอัด แหล่งกำเนิดของเมล็ดจะให้พัลส์ของเมล็ดที่มีความยาวคลื่นตรงกลาง 1040 นาโนเมตร พลังงานพัลส์ 0.2 nJ และความถี่การทำซ้ำ 43 MHz พัลส์ของเมล็ดถูกขยายล่วงหน้าด้วยไฟเบอร์เจือ Yb ยาว 40 ซม. และวางตะแกรงคู่หนึ่งไว้ที่ด้านหน้าโมดูล GMA เพื่อแนะนำการกระจายตัว และเพิ่มเสียงปรีเชิงลบหรือบวกในเอาต์พุตที่ขยายไว้ล่วงหน้า ชีพจรโดยการปรับระยะห่างของตะแกรง พัลส์ที่เตรียมไว้ล่วงหน้าเพิ่มเติมจะถูกขยายในไฟเบอร์เจือ Yb ยาว 3.1 ม. เพื่อการจัดการกำไร พัลส์ขยายที่สองถูกบีบอัดผ่านตะแกรงส่งสัญญาณอีกคู่หนึ่ง สำรวจผลกระทบของพารามิเตอร์เหล่านี้ต่อคุณภาพการบีบอัดพัลส์โดยการปรับพลังงานอินพุตและพรี-ชิรพอย่างละเอียด และผลการทดลองจะแสดงในรูปที่ 2 และ 3 ซึ่งแสดงให้เห็นว่าพัลส์คุณภาพการบีบอัดสูงสามารถผลิตได้ในช่วงกำลังของปั๊ม พลังงานอินพุต และเสียงเจี๊ยบเชิงลบที่เหมาะสม เมื่อกำลังของปั๊มคือ 9 W พลังงานพัลส์อินพุตคือ 0.6 nJ และพรี-เจี๊ยบคือ -36000 fs2 ซึ่งเป็นพัลส์ที่มีความยาวคลื่นตรงกลาง 1110 nm ความกว้างพัลส์ 34 fs พลังงาน 92.2 nJ และได้กำลังไฟฟ้าสูงสุดเกือบ 3 MW ซึ่งเหมาะมากสำหรับการขับเคลื่อนกล้องจุลทรรศน์ SLAM เพื่อการถ่ายภาพทางการแพทย์
รูปภาพ ภาพที่ 2 ผลกระทบของพลังงานพัลส์อินพุตที่แตกต่างกันต่อการบีบอัดพัลส์ GMA ที่กำลังปั๊ม 9 W และเสียงร้องล่วงหน้าที่ -36000 fs2 (a) ความกว้างพัลส์การบีบอัดและอัตราส่วน Strehl ที่พลังงานอินพุตต่างกัน (b) สเปกตรัมเอาท์พุตที่พลังงานอินพุตต่างกัน (c) เส้นโค้งสีแดง: วิถีการเคลื่อนที่อัตโนมัติที่วัดได้ของพัลส์ที่ถูกบีบอัด, เส้นโค้งสีดำ: วิถีการเคลื่อนที่อัตโนมัติของพัลส์ลิมิตที่ถูกแปลงที่ได้รับจากการคำนวณสเปกตรัม
รูปที่ 3 ผลของพรี-ชิรพต่างๆ ต่อการบีบอัดพัลส์ GMA สำหรับพลังงานพัลส์อินพุตที่ 0.6 nJ และกำลังปั๊ม 9 W ผลลัพธ์สรุปได้ดังนี้ (a) ความกว้างพัลส์พัลส์ที่ถูกบีบอัด และ อัตราส่วน Strehl สำหรับเสียงพรี-ชิรพต่างๆ (b) สเปกตรัมเอาท์พุตที่เสียงร้องล่วงหน้าที่แตกต่างกัน (c) เส้นโค้งสีแดง: วิถีการเคลื่อนที่อัตโนมัติที่วัดได้ของพัลส์ที่ถูกบีบอัด, เส้นโค้งสีดำ: วิถีการเคลื่อนที่อัตโนมัติของพัลส์ลิมิตที่ถูกแปลงที่ได้รับจากการคำนวณสเปกตรัม
ทีมงานใช้แหล่งกำเนิดแสงที่เร็วเป็นพิเศษนี้เพื่อศึกษาพยาธิสภาพของเนื้องอกในเนื้อเยื่อต่างๆ รวมถึงมะเร็งของต่อมในลำไส้ มะเร็งของต่อมในปอด และเนื้อเยื่อตับ เพื่อสร้างภาพส่วนประกอบของเซลล์และนอกเซลล์ไปพร้อมกันด้วยเทคนิค SLAM ภาพ SLAM ของเนื้อเยื่อมะเร็งของต่อมในลำไส้แสดงในรูปที่ 4 โดยที่สีเขียวหมายถึง SHG สีม่วงแดงหมายถึง THG สีเหลืองหมายถึง 2PEF และสีน้ำเงินหมายถึง 3PEF การสร้างภาพ SLAM สามารถให้รายละเอียดเซลล์และเนื้อเยื่อที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นมากกว่าภาพย้อมสี H&E ทั่วไป ซึ่งสามารถ ช่วยให้เข้าใจการเปลี่ยนแปลงขององค์ประกอบทางชีวภาพทั้งในเนื้องอกและเนื้อเยื่อปกติ และค้นหาตัวบ่งชี้ทางชีวภาพเพื่อการวินิจฉัยและการพยากรณ์โรคมะเร็ง
รูปภาพ รูปที่ 4 (a) การถ่ายภาพ SHG/THG/2PEF/3PEF ของเนื้อเยื่อมะเร็งของต่อมในลำไส้ ภูมิภาคต่างๆ ที่สนใจจะถูกขยายเป็น (c) - (e) (สี่เหลี่ยมประสีขาว) (b) ภาพการย้อมสี H&E ที่สอดคล้องกัน (c) การถ่ายภาพ 2PEF/3PEF ของเนื้อเยื่อเยื่อเมือกในลำไส้ปกติ (d) การถ่ายภาพ SHG/THG ของเนื้อเยื่อเยื่อเมือกในลำไส้ปกติ (e) การถ่ายภาพ SHG ของเส้นใยคั่นระหว่างหน้าและแวคิวโอลไขมัน ลูกศรสีแดง: ต่อมในลำไส้ ลูกศรสีน้ำเงิน: เยื่อหุ้มชั้นใต้ดิน ลูกศรสีเขียว: เมือกที่หลั่งจากเซลล์ถ้วย ลูกศรสีขาว: มาโครฟาจ ลูกศรสีเหลือง: เส้นใยคั่นระหว่างหน้า ลูกศรสีม่วง: แวคิวโอลไขมัน สเกลบาร์: 200 μm
โดยรวมแล้ว ทีมวิจัยประสบความสำเร็จในการสร้างพัลส์ความเร็วสูงพิเศษคุณภาพสูงผ่านการพัฒนาไฟเบอร์เลเซอร์เจือด้วย Yb ที่เจือด้วย pre-chirped และได้รับการจัดการแบบคู่ ซึ่งนำไปใช้กับการถ่ายภาพ SLAM ได้สำเร็จ ซึ่งเป็นเทคนิคที่สามารถให้รายละเอียดของเซลล์และเนื้อเยื่อที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น สามารถช่วยในการศึกษาด้านเนื้องอกวิทยาและการวินิจฉัยโรคมะเร็งได้ นอกจากนี้ แหล่งกำเนิดแสงที่เร็วเป็นพิเศษยังมีขนาดกะทัดรัดและทนทาน ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานทางคลินิกเพื่อการประเมินกระบวนการทางสรีรวิทยาและพยาธิวิทยาต่างๆ อย่างรวดเร็วและครอบคลุม ผลลัพธ์เชิงนวัตกรรมของการศึกษาครั้งนี้คาดว่าจะช่วยพัฒนาขอบเขตการวินิจฉัยทางการแพทย์และการรักษา ด้วยการให้ข้อมูลที่แม่นยำและครอบคลุมยิ่งขึ้นสำหรับการวินิจฉัยโรคมะเร็ง การประเมินประสิทธิภาพ และการรักษาเฉพาะบุคคล เนื่องจากเทคโนโลยียังคงก้าวหน้าและได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง การถ่ายภาพ SLAM จึงคาดว่าจะมีบทบาทสำคัญในการปฏิบัติงานทางคลินิกในอนาคต อุปกรณ์และอุปกรณ์หลักที่เกี่ยวข้องกับความก้าวหน้านี้ได้ถูกนำไปใช้สำหรับสิทธิบัตรการประดิษฐ์ระดับชาติ
ผลลัพธ์นี้ตีพิมพ์ในวารสาร Biomedical Optics Express ฉบับล่าสุด ซึ่งเป็นวารสารของ Optical Society of America (10.1364/BOE.506915) และผู้เขียนคนแรกคือ Yuting Xing นักศึกษาระดับปริญญาเอกภายใต้การดูแลของนักวิจัย Guoqing Chang
งานนี้ได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติของจีน (Grant No. 92250307, 62227822 และ 62175255) และโครงการพัฒนาเครื่องมือที่สำคัญของ Chinese Academy of Sciences (Grant No. YJKYYQ20190034) นักวิจัย Guoqing Chang และ Dr. Yaobing Chen จากโรงพยาบาล Wuhan Tongji เป็นผู้เขียนที่เกี่ยวข้อง และนักศึกษาปริญญาเอก Runshi Chen, Lihao Zhang, Yang Liu, Xinzai Diao และนักวิจัย Shu Zhang จากโรงพยาบาล Wuhan Tongji, Prof. Yishi Shi และนักวิจัย Zhiyi Wei จากมหาวิทยาลัย ของ Chinese Academy of Sciences ก็มีส่วนร่วมในการออกแบบและอภิปรายงานนี้ด้วย
