Als markerloses Bildgebungsverfahren hat sich die multimodale nichtlineare optische Bildgebung (NLOI) zu einem leistungsstarken Instrument zur Krebsbeurteilung entwickelt. Um Bewegungsartefakte und optische Schäden im Zusammenhang mit multimodalem NLOI zu vermeiden, besteht eine Lösung darin, einen einzelnen ultraschnellen Laser als Anregungsquelle in Kombination mit mehreren Detektionskanälen zu verwenden, um Signale von verschiedenen Modalitäten zu sammeln und verschiedene Biomoleküle zu beobachten. Allerdings kann in diesem Fall nicht jeder Modus unabhängig optimiert werden und es ist eine geeignete Anregungsquelle erforderlich, um alle NLOI-Modi anzuregen. Die markierungsfreie spontane Fluoreszenz-Multiplex-Mikroskopie (SLAM) mit einer auf 1110 nm eingestellten Anregungswellenlänge ermöglicht die gleichzeitige Erfassung von Signalen aus vier Modi unter einer einzigen Anregungsbedingung über verschiedene Signalerkennungskanäle und erfasst so Zwei-Photonen-Fluoreszenz (2PAF) für FAD , Drei-Photonen-Fluoreszenz (3PAF) für NADH, Zwei-Oktaven-Frequenz (SHG) für kollagene Strukturen und Drei-Oktaven-Frequenz (THG) für die Brechungsindexmutation. Frequenzsignale (THG) bei Brechungsindexmutationen. Derzeit müssen die meisten Lichtquellen, die zum Antrieb von SLAM-Mikroskopen verwendet werden, ultrakurze Impulse in photonische Kristallfasern oder -kristalle einkoppeln, um eine Wellenlängenumwandlung zu erreichen, was mit hohen Kosten, großem Platzbedarf, kompliziertem Betrieb und der Unmöglichkeit eines langzeitstabilen Betriebs verbunden ist.
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 >Mit 90 nJ, einer Pulsbreite von 34 fs und einer Spitzenleistung von fast 3 MW ist die Lichtquelle kompakt und stabil und erreicht gleichzeitig eine hervorragende Pulsqualität zum Antrieb von SLAM-Mikroskopen für die medizinische Bildgebung.
Abbildung 1 zeigt das schematische Diagramm des Ytterbium-dotierten Faserlasersystems mit doppeltem Pre-Chirp- und Gain-Management. Es besteht aus einer Seed-Quelle, einem Vorverstärkungsmodul, einem Vor-Chirp-Modul, einem GMA-Modul (Gain-Managed Amplification) und einem Kompressionsmodul. Die Seed-Quelle liefert einen Seed-Puls mit einer Mittenwellenlänge von 1040 nm, einer Pulsenergie von 0,2 nJ und einer Wiederholungsfrequenz von 43 MHz. Der Seed-Impuls wird durch eine 40 cm lange Yb-dotierte Faser vorverstärkt, und vor dem GMA-Modul wird ein Gitterpaar platziert, um eine Dispersion einzuführen, und dem vorverstärkten Ausgang wird ein negativer oder positiver Pre-Chirp hinzugefügt Impuls durch Anpassen des Gitterabstands. Weitere vorgechirpte Impulse werden zur Verstärkungssteuerung in einer 3,1 m langen Yb-dotierten Faser verstärkt. Der zweite verstärkte Impuls wird durch ein weiteres Paar Übertragungsgitter komprimiert. Die Auswirkung dieser Parameter auf die Pulskompressionsqualität wird durch Feinabstimmung der Eingangsenergie und des Pre-Chirps untersucht. Die experimentellen Ergebnisse sind in den Abbildungen dargestellt. 2 und 3, die zeigen, dass Impulse mit hoher Kompressionsqualität bei einem Bereich von Pumpleistung, Eingangsenergie und entsprechendem negativen Chirp erzeugt werden können. Wenn die Pumpleistung 9 W beträgt, beträgt die Eingangsimpulsenergie 0,6 nJ und der Vor-Chirp beträgt -36000 fs2, ein Impuls mit einer Mittenwellenlänge von 1110 nm, einer Impulsbreite von 34 fs, einer Energie von 92,2 nJ, und es wird eine Spitzenleistung von nahezu 3 MW erreicht, die sich sehr gut für den Antrieb von SLAM-Mikroskopen für die medizinische Bildgebung eignet.
Bild Abb. 2. Auswirkung unterschiedlicher Eingangsimpulsenergien auf die GMA-Impulskomprimierung bei einer Pumpleistung von 9 W und einem Pre-Chirp von -36000 fs2. (a) Kompressionsimpulsbreite und Strehl-Verhältnis bei verschiedenen Eingangsenergien. (b) Ausgangsspektren bei verschiedenen Eingangsenergien. (c) Rote Kurve: gemessene Autokorrelationstrajektorie des komprimierten Pulses, schwarze Kurve: Autokorrelationstrajektorie des transformierten Grenzpulses, ermittelt durch Spektralberechnung
Abb. 3. Auswirkung verschiedener Pre-Chirps auf die GMA-Pulskomprimierung für eine Eingangsimpulsenergie von 0,6 nJ und eine Pumpleistung von 9 W. Die Ergebnisse werden wie folgt zusammengefasst: (a) Komprimierte Impulsimpulsbreite und Strehl-Verhältnis für verschiedene Vor-Chirps. (b) Ausgabespektren bei verschiedenen Vor-Chirps. (c) Rote Kurve: gemessene Autokorrelationstrajektorie des komprimierten Pulses, schwarze Kurve: Autokorrelationstrajektorie des transformierten Grenzpulses, ermittelt durch Spektralberechnung.
Das Team nutzte diese ultraschnelle Lichtquelle, um die Tumorpathologie in verschiedenen Geweben zu untersuchen, darunter intestinales Adenokarzinom, Lungenadenokarzinom und Lebergewebe, um gleichzeitig zelluläre und extrazelluläre Komponenten mithilfe der SLAM-Technik abzubilden. Ein SLAM-Bild von intestinalem Adenokarzinomgewebe ist in Abbildung 4 dargestellt, wobei Grün für SHG, Magenta für THG, Gelb für 2PEF und Blau für 3PEF steht. SLAM-Bildgebung kann viel detailliertere Zell- und Gewebedetails liefern als herkömmliche H&E-gefärbte Bilder, die dies können helfen, die Veränderungen von Biokomponenten sowohl in Tumoren als auch in normalem Gewebe zu verstehen und nach Biomarkern für die Krebsdiagnose und -prognose zu suchen.
Bild Abbildung 4. (a) SHG/THG/2PEF/3PEF-Bildgebung von intestinalem Adenokarzinomgewebe. Verschiedene Bereiche von Interesse sind in (c) – (e) (weiße gestrichelte Quadrate) vergrößert dargestellt. (b) Entsprechende H&E-Färbungsbilder. (c) 2PEF/3PEF-Bildgebung von normalem Darmschleimhautgewebe. (d) SHG/THG-Bildgebung von normalem Darmschleimhautgewebe. (e) SHG-Bildgebung von interstitiellen Fasern und Fettvakuolen, roter Pfeil: Darmdrüse, blauer Pfeil: Basalmembran, grüner Pfeil: von Becherzellen abgesonderter Schleim, weißer Pfeil: Makrophage, gelber Pfeil: interstitielle Fasern, violetter Pfeil: Fettvakuolen. Maßstabsbalken: 200 μm
Insgesamt erreichte das Forschungsteam eine hochwertige ultraschnelle Impulserzeugung durch die Entwicklung eines vorgechirpten und doppelt verwalteten Yb-dotierten Faserlasers, der erfolgreich auf die SLAM-Bildgebung angewendet wurde, eine Technik, die detailliertere Zell- und Gewebedetails liefern kann kann bei onkopathologischen Studien und der Krebsdiagnose hilfreich sein. Darüber hinaus ist die ultraschnelle Lichtquelle kompakt und robust und eignet sich daher ideal für den Einsatz im klinischen Umfeld zur schnellen und umfassenden Beurteilung verschiedener physiologischer und pathologischer Prozesse. Die innovativen Ergebnisse dieser Studie sollen den Bereich der medizinischen Diagnostik und Therapie voranbringen, indem sie genauere und umfassendere Informationen für die Krebsdiagnose, Wirksamkeitsbewertung und individuelle Behandlung liefern. Da die Technologie immer weiter voranschreitet und optimiert wird, wird erwartet, dass die SLAM-Bildgebung in Zukunft eine wichtigere Rolle in der klinischen Praxis spielen wird. Das Gerät und das mit dieser Weiterentwicklung verbundene Kerngerät wurden für nationale Erfindungspatente angemeldet.
Die Ergebnisse wurden in einer aktuellen Ausgabe von Biomedical Optics Express, einer Zeitschrift der Optical Society of America (10.1364/BOE.506915), veröffentlicht. Der Erstautor des Artikels ist Yuting Xing, ein Doktorand unter der Leitung des Forschers Guoqing Chang.
Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (Grant-Nr. 92250307, 62227822 und 62175255) und dem Important Instrument Development Program der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (Grant-Nr. YJKYYQ20190034) unterstützt. Die entsprechenden Autoren waren die Forscher Guoqing Chang und Dr der Chinesischen Akademie der Wissenschaften waren ebenfalls an der Gestaltung und Diskussion dieser Arbeit beteiligt.
