En tant que technique d'imagerie sans marqueur, l'imagerie optique non linéaire multimodale (NLOI) est devenue un outil puissant pour l'évaluation du cancer. Pour éviter les artefacts de mouvement et les dommages optiques associés au NLOI multimodal, une solution consiste à utiliser un seul laser ultrarapide comme source d'excitation combiné à plusieurs canaux de détection pour collecter des signaux provenant de différentes modalités afin d'observer différentes biomolécules. Cependant, dans ce cas, chaque mode ne peut pas être optimisé indépendamment et une source d’excitation appropriée est nécessaire pour exciter tous les modes NLOI. La microscopie multiplexée par fluorescence spontanée (SLAM) sans étiquette, avec la longueur d'onde d'excitation réglée à 1 110 nm, permet la collecte simultanée de signaux de quatre modes dans une seule condition d'excitation via différents canaux de détection de signal, acquérant ainsi une fluorescence à deux photons (2PAF) pour le FAD. , fluorescence à trois photons (3PAF) pour le NADH, fréquence à deux octaves (SHG) pour les structures collagènes et fréquence à trois octaves (THG) pour la mutation de l'indice de réfraction. signaux de fréquence (THG) lors de mutations de l’indice de réfraction. Actuellement, la plupart des sources lumineuses utilisées pour piloter les microscopes SLAM doivent coupler des impulsions ultracourtes dans des fibres ou des cristaux de cristaux photoniques pour obtenir une conversion de longueur d'onde, ce qui implique un coût élevé, un encombrement important, un fonctionnement compliqué et l'incapacité d'un fonctionnement stable à long terme.
To address the above problems and difficulties, the L07 group of Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences/Beijing National Research Center for Condensed Matter Physics (NRCP), based on many years of research on ultrafast fiber lasers, proposed a Yb-doped fiber laser with dual management of pre-chirp and gain, and finally obtained a pulse with a wavelength of 1110 nm, an energy of more than 90 nJ, a pulse width of 34 fs, and peak power of close to 3 MW, by finely adjusting the input energy and pre-chirp. With a wavelength of >90 nJ, une largeur d'impulsion de 34 fs et une puissance maximale de près de 3 MW, la source lumineuse est compacte et stable tout en offrant une excellente qualité d'impulsion pour piloter les microscopes SLAM pour l'imagerie médicale.
La figure 1 montre le diagramme schématique du système laser à fibre dopé à l'ytterbium avec double gestion du pré-chirp et du gain. Il se compose d'une source de départ, d'un module de pré-amplification, d'un module de pré-chirp, d'un module d'amplification à gain géré (GMA) et d'un module de compression. La source d'amorçage fournit une impulsion d'amorçage avec une longueur d'onde centrale de 1040 nm, une énergie d'impulsion de 0,2 nJ et une fréquence de répétition de 43 MHz. L'impulsion de graine est pré-amplifiée par une fibre dopée à l'Yb de 40 cm de long, et une paire de réseaux est placée devant le module GMA pour introduire la dispersion, et un pré-chirp négatif ou positif est ajouté à la sortie pré-amplifiée. pulser en ajustant l’espacement des grilles. D'autres impulsions pré-chirpées sont amplifiées dans une fibre dopée Yb de 3,1 m de long pour la gestion du gain. La deuxième impulsion amplifiée est compressée via une autre paire de réseaux de transmission. L'effet de ces paramètres sur la qualité de la compression des impulsions est exploré en ajustant finement l'énergie d'entrée et le pré-chirp, et les résultats expérimentaux sont présentés sur les figures 1 et 2. 2 et 3, qui montrent que des impulsions de haute qualité de compression peuvent être produites dans une plage de puissance de pompe, d'énergie d'entrée et de gazouillis négatif approprié. Lorsque la puissance de la pompe est de 9 W, l'énergie de l'impulsion d'entrée est de 0,6 nJ et le pré-chirp est de -36000 fs2, une impulsion avec une longueur d'onde centrale de 1 110 nm, une largeur d'impulsion de 34 fs, une énergie de 92,2. nJ, et une puissance maximale de près de 3 MW est obtenue, ce qui est très approprié pour piloter des microscopes SLAM pour l'imagerie médicale.
Image Fig. 2. Effet de différentes énergies d'impulsion d'entrée sur la compression d'impulsion GMA à une puissance de pompe de 9 W et un pré-chirp de -36000 fs2. (a) Largeur d'impulsion de compression et rapport de Strehl à différentes énergies d'entrée. (b) Spectres de sortie à différentes énergies d'entrée. (c) Courbe rouge : trajectoire d'autocorrélation mesurée de l'impulsion compressée, courbe noire : trajectoire d'autocorrélation de l'impulsion limite transformée obtenue par calcul spectral
Fig. 3. Effet de différents pré-chirps sur la compression d'impulsions GMA pour une énergie d'impulsion d'entrée de 0,6 nJ et une puissance de pompe de 9 W. Les résultats sont résumés comme suit (a) Largeur d'impulsion d'impulsion compressée et Rapport Strehl pour différents pré-gazouillis. (b) Spectres de sortie à différents pré-chirps. (c) Courbe rouge : trajectoire d'autocorrélation mesurée de l'impulsion compressée, courbe noire : trajectoire d'autocorrélation de l'impulsion limite transformée obtenue par calcul spectral.
L’équipe a appliqué cette source de lumière ultrarapide pour étudier la pathologie tumorale dans différents tissus, notamment l’adénocarcinome intestinal, l’adénocarcinome du poumon et les tissus hépatiques, afin d’imager simultanément les composants cellulaires et extracellulaires par la technique SLAM. Une image SLAM du tissu d'adénocarcinome intestinal est présentée à la figure 4, où le vert indique SHG, le magenta indique THG, le jaune indique 2PEF et le bleu indique 3PEF. L'imagerie SLAM peut fournir des détails cellulaires et tissulaires beaucoup plus riches que les images classiques colorées H&E, qui peuvent aider à comprendre les modifications des biocomposants dans les tumeurs et les tissus normaux, et à rechercher des biomarqueurs pour le diagnostic et le pronostic du cancer.
Image Figure 4. (a) Imagerie SHG/THG/2PEF/3PEF du tissu d'adénocarcinome intestinal. Différentes régions d’intérêt sont agrandies en (c) - (e) (carrés en pointillés blancs). (b) Images de coloration H&E correspondantes. (c) Imagerie 2PEF/3PEF du tissu muqueux intestinal normal. (d) Imagerie SHG/THG du tissu muqueux intestinal normal. (e) Imagerie SHG des fibres interstitielles et des vacuoles graisseuses, flèche rouge : glande intestinale, flèche bleue : membrane basale, flèche verte : mucus sécrété par les cellules de la cupule, flèche blanche : macrophage, flèche jaune : fibres interstitielles, flèche violette : vacuoles graisseuses. Barre d'échelle : 200 μm
Dans l’ensemble, l’équipe de recherche a obtenu une génération d’impulsions ultrarapides de haute qualité grâce au développement d’un laser à fibre dopé Yb pré-gazonné et à double gain, qui a été appliqué avec succès à l’imagerie SLAM, une technique qui peut fournir des détails cellulaires et tissulaires plus riches qui peut aider aux études d’oncopathologie et au diagnostic du cancer. De plus, la source de lumière ultrarapide est compacte et robuste, ce qui la rend idéale pour une utilisation en milieu clinique pour une évaluation rapide et complète de divers processus physiologiques et pathologiques. Les résultats innovants de cette étude devraient faire progresser le domaine du diagnostic médical et de la thérapeutique en fournissant des informations plus précises et plus complètes pour le diagnostic du cancer, l'évaluation de l'efficacité et le traitement individualisé. À mesure que la technologie continue de progresser et d’être optimisée, l’imagerie SLAM devrait jouer un rôle plus important dans la pratique clinique à l’avenir. Le dispositif et le dispositif central associés à cette avancée ont fait l'objet de demandes de brevets d'invention nationaux.
Les résultats ont été publiés dans un numéro récent de Biomedical Optics Express, une revue de l'Optical Society of America (10.1364/BOE.506915), et le premier auteur de l'article est Yuting Xing, un doctorant supervisé par le chercheur Guoqing Chang.
Ce travail a été soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (subventions n° 92250307, 62227822 et 62175255) et par l’important programme de développement d’instruments de l’Académie chinoise des sciences (subvention n° YJKYYQ20190034). Le chercheur Guoqing Chang et le Dr Yaobing Chen de l'hôpital Tongji de Wuhan étaient les auteurs correspondants, ainsi que les doctorants Runshi Chen, Lihao Zhang, Yang Liu, Xinzai Diao et le chercheur Shu Zhang de l'hôpital Tongji de Wuhan, le professeur Yishi Shi et le chercheur Zhiyi Wei de l'université. de l'Académie chinoise des sciences ont également participé à la conception et à la discussion de ce travail.
