圖片來源：加州理工大學
FLUX成像的藝術插圖，其中動態雷射斑點散發在螢光目標上，導致超聲「標記」光和螢光以相同的速度閃爍
撰稿人 | 鬱琅環
論文題目 | 光聲結合，實現深層生物組織中的動態成像
作者 | Haowen Ruan，Yan Liu, Jian Xu, Yujia Huang，and Changhuei Yang
完成單位 | 加州理工學院
概述
近日，加州理工學院團隊開發出一種將螢光成像和超聲波的相結合的成像技術，可以透視不透明介質，實現生物組織中的動態成像。該文章於5月11日發表在Nature Photonics，題為「Fluorescence imaging through dynamic scattering media with speckle-encoded ultrasound-modulated light correlation」，論文的第一作者為阮浩文，通訊作者為楊昌輝。
研究背景
科學家們長期以來一直使用發光的螢光探針進行生物成像。例如，標記特定的神經元，然後利用其以進行神經科學研究。由於光學檢測方法可以比較有效地分析待測試組織的化學成份，因此螢光成像對於生物醫學研究來講是必不可少的。但是儘管目前螢光顯微鏡可以提供納米級到微米級的解析度，但是解析度卻隨著進入生物組織的深度而迅速降低。另外，由於超聲波的散射強度比光波要小許多，因而超聲成像在較深生物組織的檢測方面應用較廣。但其更多反饋的是體內的結構信息，很難判斷某個吸收區域的特定組織成分。因此，如何將這二者結合起來，一直是生物醫療方向的研究目標。目前，雖然研究者已經開發出光聲成像技術（photoacoustic imaging）來實現深層組織的生物成像，但是如何實現活體組織中的動態成像依然是一個挑戰。
技術突破
加州理工團隊通過將螢光技術與超聲波相結合，實現了超聲協助的螢光成像（FLuorescence and Ultrasound-modulated light Correlation，FLUX）技術，實現了活體生物組織中的動態成像。具體裝置及成像原理如圖2所示，由於活體組織中的每個點（細胞）都是隨著時間隨機運動的，因此受光激發產生的螢光可記作F(t)，另外，受超聲波激發的螢光（聲光效應）可記作U(t)。若雷射和超聲波同時打在一個點上，則F(t)和U(t)是相長幹涉，反之則發生相消幹涉。
圖1 裝置示意圖及成像原理圖
該課題組利用該技術模擬了生物組織中的成像過程，如圖2a，利用移動的擴散器使入射雷射發生散射，並利用超聲波進行激發，當散射光和超聲波同時激發螢光靶向後，所產生的螢光經透鏡聚焦之後被相機獲取。所得圖像的解析度約為75μm，遠超之前技術的1.3mm的解析度。另外，通過計算該技術的動態相關係數，表明其可實現時間解析度約為17.4 ms的動態成像。
圖2 成像效果展示
觀點評述
螢光顯微鏡是目前醫學領域的重要表徵手段。加州理工學院該課題組發明的這項超聲波輔助的螢光顯微技術可以以75μm的空間解析度，17.4ms的時間解析度來實現深層生物組織的動態成像。這樣優異的技術特性，極大地拓展了該顯微系統的應用範圍。其中，對於癌症的治療是十分有幫助的。較高的空間解析度使得癌細胞組織的成像更加清楚，這更加有利於醫療工作者判斷病情的發展狀況。另外，靶向藥物治療一直是攻克癌症的一個重要方向，但是藥物能否有效地進入癌細胞組織一直以來都是一個難題。因此，較高時間解析度的動態成像，使得科研人員可以更加方便的觀察藥物進入癌細胞組織的過程。從而可以有針對性地設計藥物，來促進有效成分在癌細胞組織中的停留時間。
主要作者介紹
阮浩文（音譯，ruan haowen），2012年在諾丁漢大學取得博士學位，目前在加州理工大學從事於先進光學成像的博士後研究。
楊昌輝，本、碩、博均就讀於MIT，於2002年獲得博士學位。並於2003年加入加州理工學院。在2008年，他被《Discover》雜誌評選為「20歲以下40歲以下的最佳大腦」之一。他的研究工作可以分為兩大類：高通量顯微鏡開發和基於時間反轉的光學聚焦。