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单光子技术用于生物体内病灶的准确定位

发布:opticsphotonics    |    2017-09-18 10:40    阅读:745
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抓拍照相机:单光子探测器阵列

在生物组织内部病灶的观察方面,英国科学家发明了一种新的技术,他通过引入光学方法可以对病灶的位置进行准确定位和观察,这项技术的引入将会大大帮助医生诊断肺部疾病。 这项技术不需要笨重的设备,也不用在荧光灯的强光下进行,它精确地测量了通过内窥镜的光纤导入的单光子离开身体需要的时间。

这项研究作为Proteus项目的一部分,由来自爱丁堡大学、巴斯大学和赫里瓦特大学三所高校的40名科学家共同完成,他们共同开发观察肺部细菌更好的方法。通常情况下,呈细管状的内窥镜设备上装有成像镜头,医生通过把内窥镜导管插入气道上来观察肺部的情况。但是,正如赫里瓦特大学的Michael Tanner所讲,内窥镜的直径尺寸通常在厘米量级,这就意味着对于病菌生长快速的那些微小气孔,内窥镜是无法插入肺部对其进行观察的。

进入这个微小区域可以通过将直径为毫米的光纤束从内窥镜的中心推到远端。但是,即使这些光纤可以拍摄内部肺的图像,也没有办法精确地测量它们的最终位置,即成像的病菌位置是无法获得的。正如Tanner所说,医护人员要么依靠“专家经验”要么依靠“运气”。

多重散射

Tanner和他的同事们在理论的基础上提出了解决方案。该技术方案通过在光纤内部发送用于观察的光脉冲,然后观察光脉冲信号离开身体的位置。光在穿过生物组织时被大量吸收,而光子通常会分散很多次,这意味着它们失去了许多关于起源点的信息。但是,任何给定的光子即使在经过很长的传输距离后,仍然有很小的几率都会以很小的散射通过。

因为这些称为“弹道”的光子沿着直线传播,它们不仅揭示了它们来自哪里,即光纤尖端,而且它们在所有其他光子之前出现在身体中。因此,建立针尖位置的诀窍在于精确地计算光子的到达时间,使弹道的轨迹能够与其他物体分离开来。

为了实现他们的计划,Tanner和他的同事们在一系列生物样本上,插入并发送了一系列非常短的近红外激光脉冲(脉冲频率:80兆赫兹)。他们利用一个单光子探测器阵列捕获了新出现的光,其时间分辨率约为 0.1纳秒。他们选择了波长为785 纳米的光波,既限制了吸收,又区分了医院微弱的荧光灯信号,并且在可见光范围内有许多清晰的光谱峰。

先行者

因为每个激光脉冲导致极少数弹道光子离开组织,研究人员已经在多个脉冲的基础上建立直方图,从而准确的区分哪个探测器捕获到最早到达的粒子(和光纤末端的粒子)。在曝光时间不超过17秒的时间内,将光纤尖端埋入绵羊肺气孔里或人类的手后,这样做是没有问题的。但当它放置在一个25厘米厚的人体躯干,并需要确定纤维尖端位置时,他们只能收集有限的统计数据,在这种情况下,他们不得不关掉照明光。

最新工作的一个障碍是无法独立确认光纤尖的位置。Tanner说,虽然不太可能但也可以想象,研究人员束缚的弹道光子只是一个或两个可能的像素——等同于约1厘米的空间分辨率,也有可能会被空气窝反弹回来而不再前进。为了消除任何疑问,将来他们打算使用生物组织模型,使用后可以解剖,以揭示提示的真实位置。

针对厚样品,该小组还致力于将曝光时间减少到秒或更低。这将使光纤尖端能够被实时定位——使临床医生在X射线图像上覆盖这一位置。Tanner解释说,这样做可以在光纤尖端上增加光学元件或增加探测器元件密度。同时他也提到,出于安全考虑,激光功率和信号强度是受限制的。

锁孔手术

Tannery和他的团队最终希望能把该项技术应用到更广阔的领域。原型相机安装在一盒饼干大小的三角基座上,这种相对简单和紧凑的封装结构——他认为该项技术在原理上可以适用于所有那些仪器进入身体的医学手术,比如锁孔手术和导管干预治疗手术。有时医务人员不能确定导管是否正确地进入了血管,因此需要使用X射线,这可能会导致延迟。所以实时成像是非常有用的。”

法国école Centrale Marseille的物理学家Hervé Rigneault指出最新的技术并不是唯一可以用来探测肺部的技术。他说,另一种备选方法是利用激光加热产生的声波获得生物医学图像。“但是,”他补充说,“这是一件很棒的工作,带来了另一种可能的成像方式。”

此项研究发表在Biomedical Optics Express杂志上。

来源:http://physicsworld.com/cws/article/news/2017/sep/11/single-photons-pinpoint-objects-inside-living-tissue

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