哈佛大學醫學院:雷射散斑流變學用於組織力學的光學圖像研究

2021-01-10 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：大多數的疾病如： 癌症、動脈粥樣硬化以及神經組織退化、骨科疾病，其發生時均伴隨著組織僵硬化的發生。臨床醫學在很長的一段時間內依靠對有懷疑的區域進行人工觸診以確定是否發生了組織僵化來進行診斷。影像學檢查，如超聲、核磁共振成像（MRI）和光學相干斷層掃描（OCT）也可以有效的測量組織的硬化。而雷射散斑流變學（Laser speckle rheology ，簡寫為LSR)則是一種新的、非接觸的進行組織硬化測量的裝置。LSR使用非常價格低廉的雷射器，同我們常用的雷射筆類似，照射組織，同時利用相機拍攝來獲得樣品中光散射的圖像散斑圖。

圖1 雷射散斑流變學 示意圖

圖2 人體不同癌症的組織的（a）明場圖、（b）LSR圖和（c）SHG圖

這一論文來自哈佛大學醫學院皮膚病學副教授Seemantini Nadkarni，其所在的實驗室為著名的韋爾曼光醫學中心，利用LSR來獲取組織的硬化特徵。他說：在一個軟的、柔順試樣上，雷射散射的粒子快速的移動，導致散斑圖案以一個較快的速率發生波動。相反，對剛性的試樣，人體纖維組織相對緻密，從而會限制這些運動，這一雷射散射斑相對遲緩的閃爍特徵就為臨床診斷提供了依據。通過測量散射斑的波動頻率，LSR就可以用來測量組織中的複雜材料的性質，從而診斷是得了何種病症。

圖3 明場像（a）與LSR像的對比（bcd）

Nadkarni 和她的同事 Zeinab Hajjarian以開線獲取的方式在期刊《Journal of Biomedical Optics (JBO)》發表了關於 LSR的使用手冊的Peer-reviewed文章。為我們及時且視覺豐富的回顧了人體組織的變化機理，並將重點放在了LSR的人體組織診斷上。這一手冊討論了如何將LSR平臺從基礎研究應用到臨床診斷。這一文章是基於Nadkarni在第九屆國際生物光子學研究生暑期學校的報告上延伸出來的擴展論文。

圖4 FFT模擬結果和LSR散斑 結果對比圖

(a)3D結構的光學圖像，圖像的標尺 Scale bar = 20 μm ； (b) 基於散斑進行FFT模擬的結果； (c) 不同光學擴散設備擴散後得到的投影；（d）不同光譜及不同分析旋轉角度下得到的散斑圖；（e）不同參數下的散斑圖；（f）不同參數下的散斑圖

這一技術可以用來進行癌症的研究、血液凝結、血管、出血和血栓性疾病的研究與診斷。

1.Zeinab Hajjarian et al. Tutorial on laser speckle rheology: technology, applications, and opportunities, Journal of Biomedical Optics (2020). DOI: 10.1117/1.JBO.25.5.050801，Journal information:Journal of Biomedical Optics ，Provided by SPIE

2.DOI: 10.1039/C8NR00529J (Paper) Nanoscale, 2018, 10, 7095-7107，Laser inscription of pseudorandom structures for microphotonic diffuser applications

by Renae Keep, SPIE，Bright-field images, LSR maps, and SHG images of human tissue specimens associated with different cancers. Credit: Figure 6 from DOI: 10.1117/1.JBO.25.5.050801 / SPIE

3.Laser Speckle Rheology for evaluating the viscoelastic properties of hydrogel scaffolds

Article (PDF Available)inScientific Reports 6:37949 · December 2016with168 Reads，DOI: 10.1038/srep37949

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