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拉曼光學信號實現光照安全劑量內14厘米肌肉組織穿透檢測

來源：時間：2023-01-31 14:05:18 瀏覽：2506次

醫學成像技術如計算機斷層掃描、核磁共振或正電子發射計算機斷層掃描等雖然能診斷深層病灶，但存在采集時間長、儀器昂貴或輻射劑量大等原因，與之相比，光學檢測和成像方法具有實時、高靈敏、非電離輻射、采集方便等優勢，結合外源性造影劑可以提供生物體結構、功能和分子的精確信息，但光在生物組織中的穿透深度一直受限，目前廣泛使用的熒光成像技術的組織穿透深度通常只有幾毫米，因此在光照安全劑量內實現更深穿透深度成為了科學家一直在突破的方向。

透射拉曼光譜信號的理論計算

為了解決本領域的上述重要問題，上海交通大學生物醫學工程學院葉堅團隊首先從透射拉曼光譜測量過程中拉曼光子傳播的理論建模和計算入手，研究了實驗參數（組織厚度、SERS納米探針位置、納米探針亮度、激光功率和光束尺寸）對透射拉曼光譜探測深度的影響。理論計算表明，透射拉曼信號與信號源的埋深之間呈不對稱的U型關系，說明病變位于組織中部時信號最弱，對透射拉曼信號的檢測是最具挑戰性的。而提高SERS納米探針的亮度是增加檢測深度/透射組織厚度最直接有效的途徑。此外，光束尺寸的增大對深部病灶的透射拉曼檢測強度幾乎沒有影響。因此，可以采用較大的激光束尺寸來降低功率密度。

基于這些發現，該團隊設計制備了超亮SERS納米探針與自制的透射拉曼裝置相結合，開發了一個拉曼檢測/成像系統。該系統具有以下優點：深度檢測能力，使用了低至單顆粒檢測水平的超亮SERS納米探針；臨床光安全，樣品表面的激光功率密度低于安全光照劑量閾值。

利用該系統，團隊成功地在安全光照劑量內通過體外14 cm厚的組織實現了對包埋在其中的SERS納米探針的檢測，與目前已報道的透射拉曼光譜檢測研究相比，穿透深度提高了約97%。進一步地，團隊在安全光照劑量內實現了1.5 cm厚未剃毛活鼠體內深層SERS納米探針的體內無創成像，相比之下，傳統的背散射拉曼成像無法獲得顯著信號。這項工作為透射拉曼光譜技術在體內非侵入性生物醫學檢查方面的發展提供了新的見解。

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