導(dǎo)讀

高光譜成像技術(shù)能夠點亮各色生物標(biāo)記，針對不同組織生成不同的光譜輸出，用于臨床判斷或儀器開發(fā)。基于高光譜新型神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)的光譜方案，將寬帶光源和友思特全自動波長選擇器FWS結(jié)合起來，為生物腫瘤研究和臨床應(yīng)用探索出了全新的發(fā)展方向。

高光譜成像用于生物醫(yī)學(xué)

高光譜成像（HSI）是一種用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的新興光學(xué)模式，因其能夠?qū)⒐庾V化學(xué)分析和二維成像結(jié)合在一項技術(shù)中，而具有巨大的臨床轉(zhuǎn)化潛力。

HSI 包括在電磁波譜（尤其是紫外線、可見光和近紅外波段）的多個連續(xù)光譜波段上獲取寬場圖像，可用于檢索所研究組織的吸收、散射和熒光特性的完整空間光譜特征。然后，可將這些特征與組織中已知發(fā)色團(tuán)和熒光團(tuán)（如血紅蛋白、細(xì)胞色素-c-氧化酶、NADH、FAD 等）的光學(xué)指紋相關(guān)聯(lián)，這些特征代表了生物目標(biāo)的生理、病理和病理（如血液動力學(xué)、氧飽和度、新陳代謝等）方面的生物標(biāo)記。

高光譜成像新型神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)方案

來自意大利佛羅倫薩大學(xué)的課題組和意大利國家光學(xué)研究所共同合作，基于 HSI 的新型神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)，將目前的神經(jīng)外科實踐轉(zhuǎn)變?yōu)槎?、精確、實時和功能導(dǎo)向的成像方法。

研究人員開發(fā)了名為 HyperProbe1 的實驗室成像裝置，這是一個用于臨床前應(yīng)用的研究型高性能設(shè)備，將用于指導(dǎo)未來醫(yī)用 HSI 儀器的開發(fā)和升級，以便臨床應(yīng)用于手術(shù)室，特別是用于膠質(zhì)瘤切除術(shù)中的神經(jīng)導(dǎo)航。

HyperProbe1 充分利用了 HSI 的能力，可在從近紫外到近紅外的寬波長范圍內(nèi)靈活多變地選擇光譜波段的數(shù)量和類型，同時還能獲得高性能的空間和時間分辨率數(shù)據(jù)集。該系統(tǒng)目前用于研究成像技術(shù)的適用性和針對性，對體內(nèi)外動物模型的腦外科相關(guān)生物標(biāo)志物進(jìn)行成像和量化，為健康和病理腦組織及其生理學(xué)提供廣泛而詳盡的光學(xué)特征和定制信息。

圖1. 左：HyperProbe1的組件概念圖；右：所有配件的實際組裝圖

圖1顯示了 HyperProbe1 系統(tǒng)的所有主要組件。該裝置主要由寬帶等離子體光源（PLS）、友思特波長選擇器、攝像機(jī)和其他光學(xué)器件組成。

PLS是一種由激光誘導(dǎo)等離子驅(qū)動的相干照明，在 250-2500nm 上獲得更高的光譜輻射率。PLS 與基于 TwinFilm? 技術(shù)的友思特靈活波長選擇器（FWS）相結(jié)合，可在 385-1015nm 之間任意選擇所需光譜帶，并可調(diào)整其帶寬（3-15 nm，F(xiàn)WHM）。FWS 可以在 10ms 內(nèi)快速切換相鄰（5nm為一個步驟）的光譜帶，跨越整個工作范圍大約需要 100ms。

PLS 和 FWS 組合發(fā)出的濾波光通過光纖傳輸系統(tǒng)照射到樣品上，在目標(biāo)上形成 2-3cm2的照明光斑。每個光譜波段的圖像采集均采用高像素（420萬像素）、高分辨率（6.5μm 像素尺寸）的 sCMOS 攝像機(jī)，其采集幀頻可達(dá) 40幀/秒。相關(guān)光學(xué)器件由兩個可互換物鏡（和共軛管透鏡）組成：(1) 1×微距物鏡，視場約為 1×1cm2；(2) 15×反射物鏡，視場約為 1×1mm2。最后，在物鏡和相機(jī)組件之間有一個電動濾光片輪，可自動選擇多達(dá)10個發(fā)射濾光片插槽，切換速度 40-70ms 之間。發(fā)射濾光片可根據(jù)相關(guān)熒光團(tuán)的發(fā)射特征進(jìn)行定制，從而同時獲取目標(biāo)組織的反射和熒光高光譜數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)方案詳解及其光譜圖像

在系統(tǒng)中，友思特波長選擇器的作用是在PLS的寬帶光譜中，篩選出特定波段的單色光。部分單色光在光譜作用中會發(fā)生特定反應(yīng)，使用寬帶光譜進(jìn)行一次檢驗會忽略掉這些特征光得出的特征峰，而使用單色光作為探測光源，會排除其它波段的影響，只突出目標(biāo)波段的結(jié)果，提高檢測的精確性，尤其是在弱反應(yīng)的情況下。在波長選擇器的作用下，HyperProbe的光譜輸出如圖2所示。

圖2. 左：HyperProbe1.1 系統(tǒng)各光譜帶的功率輸出；右：HyperProbe1 的光譜輸出

左圖表示HyperProbe1.1 系統(tǒng)各光譜帶的功率輸出，其中紅色曲線表示帶寬為 5nm 時的功率發(fā)射，黃色曲線表示帶寬為 15nm 時的功率發(fā)射。右圖則顯示了HyperProbe1 的光譜輸出，包含從 385-1015nm 的33個均勻采樣波長帶，以 15- 20nm 為步長，最小帶寬為 5nm。

目前，HyperProbe1 已被用于研究和鑒定體外神經(jīng)膠質(zhì)瘤樣本，這些樣本是由佛羅倫薩OUC提供的患者新鮮手術(shù)活組織切片。樣本包括低級別膠質(zhì)瘤（LGG）和高級別膠質(zhì)瘤（HGG）。

在圖3中，a) 即為膠質(zhì)瘤活檢樣本， 其中 FOV 的位置被突出顯示；b) 為用 HyperProbe1 采集的活檢樣本光譜圖像，設(shè)置波長為 400nm，并在 FOV 中選擇 ROI，根據(jù)原始反射率數(shù)據(jù) R 計算出平均衰減 A 光譜，即 A=-log10(R)；c) 則為樣本相應(yīng) ROI 中的平均衰減光譜圖。

圖 3. a) 膠質(zhì)瘤活檢樣本；b）用 HyperProbe1 采集的活檢樣本光譜圖像；c）樣本相應(yīng) ROI 的平均衰減光譜

初步結(jié)果表明，HyperProbe1 可以檢索以下方面相關(guān)的光學(xué)指紋：(1) 可見光范圍（500-610nm）內(nèi)的氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白；(2) 近紅外范圍（780-900nm）內(nèi)的細(xì)胞色素-c-氧化酶 (CCO)。這些分別是腦血流動力學(xué)和新陳代謝的指標(biāo)。

此外，初步結(jié)果還表明，LGG 和 HGG 的光譜特征存在顯著差異，如圖4所示。這表明有可能使用 HyperProbe1 來區(qū)分腦腫瘤的不同進(jìn)程狀態(tài)。

圖 4. a) 一般腦組織中 HbO2、HHb、脂質(zhì)和水的純吸收光譜以及散射系數(shù)；b) 一般腦組織中 HbO2、HHb、oxCCO 和 redCCO 的純摩爾消光光譜3,4。

參考資料：L. Giannoni, et al, A novel hyperspectral imaging tool for preclinical and translational investigations of brain tissue physiology and pathology.

友思特生物腫瘤熒光標(biāo)記方案產(chǎn)品

FWS-POLY

友思特全自動波長選擇器 FWS-Poly 是一種可調(diào)諧濾波器，基于TwinFilm?專利技術(shù)，通過 USB 通信提供對中心波長和帶寬的簡單軟件控制（掃描或設(shè)置），并在所有波長上均勻地調(diào)整帶寬，可根據(jù)具體型號在 2-15nm（標(biāo)稱值）范圍內(nèi)調(diào)整。它可以與任何類型的準(zhǔn)直光源（超連續(xù)譜激光源或?qū)拵簦┮黄鹗褂?，為光譜學(xué)和光譜成像應(yīng)用產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的光源。

全自動波長選擇器 FWS-Poly 有兩種版本：Poly-RED 和 Poly-BLUE。具體取決于帶寬控制功能，允許用戶根據(jù)應(yīng)用需求自定義從255-1700nm的波長范圍。

TLS 可調(diào)激光光源

友思特TLS是一體式的可調(diào)諧光源系統(tǒng)，也是一種皮秒可調(diào)諧激光器，可應(yīng)用于各種領(lǐng)域，從熒光顯微鏡到時間分辨光譜，如TCSPC、高光譜成像、機(jī)器視覺、半導(dǎo)體、傳感器和其他應(yīng)用。該系統(tǒng)即插即用，無需對齊或調(diào)整。

TLS同樣具備兩種版本：TLS-RED可以在大約 400-1700nm 寬波長范圍內(nèi)產(chǎn)生各種波長的輸出光束，并且可以控制輸出光束的 FWHM (2-15nm，標(biāo)稱)，適用于需要精確掃描的領(lǐng)域。TLS-BLUE 具有相同的寬波長范圍，固定FWHM在10或20 nm(可選)，適用于產(chǎn)量要求高的領(lǐng)域。

歡迎訪問官網(wǎng)，探索豐富案例：https://viewsitec.com/wavelengthselector/

審核編輯 黃宇