«Диагностировать рак поможет лазер», или как устроен лазерный флуоресцентный гиперспектральный микроскоп

      Комментарии к записи «Диагностировать рак поможет лазер», или как устроен лазерный флуоресцентный гиперспектральный микроскоп отключены

«Диагностировать рак поможет лазер», или как устроен лазерный флуоресцентный гиперспектральный микроскоп

Недавно отечественной пресс-работой [материал с сайта geektimes.ru, NNN] был подготовлен материал по изучениям Ведущего ученого член корр. РАН, д.ф. – м.н. Хазанова Ефима Аркадьевича. Интервью ведущего ученого было размещено на множестве ресурсов, с некоторыми из них возможно ознакомиться, пройдя по следующим ссылкам: Диагностировать и лечить рак окажет помощь Профессор и лазер Хазанов: «не так долго осталось ждать мы обучимся лечить раковые клетки лазером».

Обращение шла об лечении и инновационном способе диагностики онкозаболеваний при помощи лазерно-плазменного ускорителя протонов. Для полноценного погружения в сущность изучения мы попросили ведущего научного сотрудника Константина Юшкова поведать, как и на каком оборудовании происходит создание прототипа и сам процесс исследования.

Под катом Вы отыщете большое количество информации о проекте, оборудовании, уникальности изучения. Мы подготовили фоторепортаж, что обрисовывает совокупность гиперспектрального лазерного исследования и анализа микроскопических препаратов и раскрывает её значение.

Лаборатория «Физические способы акустооптическая и лазерная аппаратура для терапии и задач диагностики онкологических болезней»

На базе новой лаборатории НИТУ «МИСиС» под управлением врача физико-математических наук, член-обозревателя РАН Ефима Хазанова, Университет прикладной физики РАН, разрабатываются терапии и способы диагностики онкологических болезней посредством лазерных разработок и создается компонентная база для лазерно-плазменного ускорителя протонов, одним из приложений которого есть терапия рака.

Научный коллектив лаборатории консолидировал силы ведущих экспертов в области систем и акустооптики обработки изображений (НИТУ «МИСиС»), лазерной физики (ИПФ РАН, г. Нижний Новгород), онкологии (ЭНЦ РАМН, Биологический факультет московского университета им. М.В. Ломоносова), кристаллофизики (ТвГУ, г. Тверь).

В рамках реализации проекта был создан неповторимый комплекс научно-исследовательской аппаратуры, разрешающий проводить исследования биомедицинской оптики.

Собственной главной целью лаборатория ставит создание новых акустооптических совокупностей гиперспектральной лазерной флуоресцентной диагностики онкологических акустооптических приборов и заболеваний для фемтосекундных лазерных комплексов адронной терапии онкологических болезней. Этот проект воображает неповторимое сочетание современных разработок в области оптики и лазерной физики с применениями в биомедицинской области (онкологии).

Актуальность задач обусловлена направленностью на создание главных компонентов нового поколения установок адронной терапии онкологических болезней, основанных на компактных ускорителях и лазерных источниках заряженных частиц высоких энергий. Кроме этого в проекте решается задача формулирования новых диагностических параметров при дифференциальной диагностике и определении злокачественности опухолей человека.

Результаты, каковые были достигнуты коллективом лаборатории:

  1. Создан экспериментальный прототип акустооптической гиперспектральной совокупности с возможностью пространственной фильтрации и оконтуривания изображений.
  2. Создан лазерный драйвер фотокатодов для инжекции электронов с акустооптической совокупностью управления ультракороткими лазерными импульсами.
  3. Исследования оптики и акустики анизотропных сред разрешили выяснить оптимальные конфигурации широкоапертурных и квазиколлинеарных акустооптических фильтров на базе монокристаллов парателлурита.
  4. Совершены гиперспектральные изучения флуоресцентного излучения опухолевых тканей щитовидной железы человека.
  5. Созданы способы формирования произвольных спектральных функций пропускания акустооптических фильтров.

Оборудование:

  • Фемтосекундный лазер Femtosource Synergy (Femtolasers, Австрия).
  • Фемтосекундный автокоррелятор Femtometer (Femtolasers, Австрия).
  • Усилитель регенеративный RAP-2000 (Авеста-проект, Российская Федерация).
  • Совокупность диагностики ультракоротких лазерных импульсов MIIPSBox-640 (Biophotonic Solitions, США).
  • Генератор сигналов произвольной формы N8241A (Agilent, США).
  • Генератор сигналов произвольной формы 33622А (Keysight, США).
  • Оптический анализатор спектра 86142В (Agilent, США).
  • Аргоновый лазер 488 нм (Melles Griot, США).
  • Твердотельный лазер 532 нм (Laser Quantum, Англия).
  • ВЧ-усилители (Amplifier Research, США).
  • Анализатор спектра радиосигналов FSH3 (RhodeSchwarz, Германия).
  • Измеритель мощности радиосигналов NRT-Z14 (RhodeSchwarz, Германия).
  • Рентгеновский дифрактометр (Rigaku, Япония).
  • Автоматизированная установка для пластин и резки кристаллов APD2 (Logitech, Англия).
  • Шлифовально-полировальный оптический станок OLP 200/C (AKM, Германия).
  • Интерферометр OptoTL-60 (Оптико-технологическая лаборатория, Российская Федерация).
  • Ультразвуковая линия отмывки (Selecta, Испания).
  • Установка вакуумного напыления (Torr, США)
  • Установка термокомпрессионной сварки (KulickeSoffa, США).
  • Векторный анализатор цепей E5061A (Agilent, США).
  • Микроскоп медико-биологический Ti-E (Nikon, Япония).
  • Гиперспектральная совокупность HSi-300 (Gooch Housego, США).
  • Охлаждаемая ПЗС-Камера Alta U32 (Apogee Instruments, США).
  • Прецизионные оптические столы (Thorlabs, США).
  • Оптическая станция (Thorlabs, США).

Совокупность гиперспектрального лазерного исследования и анализа микроскопических препаратов

Гиперспектральный анализ содержится в получении и массива изображений исследуемого объекта на разных последующем изучении и длинах волн спектральных изюминок разных фрагментов изображения. Базы разработки гиперспектрального анализа, именуемые кроме этого спектрозональной съемкой, были созданы для ответа задач астрофизики, дистанционного зондирования и космических исследований Почвы.

Сейчас эти способы стали внедряться и в биомедицинских изучениях, в частности в диагностика рака. Приобретаемый при гиперспектральном анализе количество информации об объекте значительно превосходит цветные изображения: спектральное разрешение современных гиперспектральных совокупностей образовывает пара сот линий в видимом диапазоне спектра, тогда как цветная (RGB) камера выделяет лишь три широких спектральных диапазона (красный, зеленый и светло синий). Одним из физических устройств, разрешающих реализовать спектрометр изображений, являются перестраиваемые акустооптические фильтры.

Совокупность выстроена на базе инвертированного микроскопа Nikon Ti-E с комплектом объективов от 4? до 100х

Исследуемые образцы – препараты цитологических гистологических срезов и мазков опухолей человека на точном моторизированном XY-столике микроскопа

*Обычный способ микроскопического изучения – просвечивание примера белым светом (галогенная лампа, штатный конденсор микроскопа)

Замечаемое наряду с этим изображение объекта содержит данные о спектральных кривых пропускания примера, которая, но, теряется при регистрации простой ПЗС-камерой. Помимо этого, при наблюдении объекта в белом свете возможно заметить лишь амплитудную модуляцию, другими словами различие между более и менее прозрачными фрагментами изображения.

Фазовая модуляция, обусловленная вариациями толщины примера либо его показателя преломления, возможно визуализирована лишь в когерентном освещении и посредством особых совокупностей пространственной фильтрации. Один из классов таких совокупностей – акустооптические фильтры изображений, неоспоримым преимуществом которых есть адаптивность, другими словами возможность изменять характеристики на протяжении опыта в зависимости от поставленной задачи.

Излучение красного лазера направляется в коллиматор, что разрешает по одномодовому оптоволокну передать освещение на объект

Лазерный осветитель препарата складывается из линзы и свободного окончания оптоволокна с фокусным расстоянием 100 мм. По окончании линзы формируется фактически плоский фронт световой волны, что разрешает изучить фазовую структуру объектов

В боковом порту микроскопа формируется увеличенное изображение объекта, которое и подвергается предстоящей обработке и акустооптическим фильтром

Запасной оптическая совокупность из зеркал, поляризатора и диафрагмы формирует изображение на входе акустооптического фильтра

Акустооптический фильтр, совокупность переноса дифрагировавшего изображения и высокочувствительная охлаждаемая ПЗС-камера реализовывают детектирование и обработку гиперспектральных изображений

Акустооптический фильтр есть главным звеном данной совокупности и разрешает осуществлять обработку изображений в двух принципиально разных режимах:

  • при белом освещении осуществляется гиперспектральный анализ, другими словами последовательное выделение разных длин волн из спектра пропускаемого объектом излучения и регистрация массива спектральных изображений (т.н. «гиперспектральный куб»);
  • при лазерном освещении осуществляется адаптивная пространственная фильтрация изображений, разрешающая реализовать такие режимы аналоговой обработки, как оконтуривание (подчеркивание градиентов интенсивности) и визуализация фазы (другими словами наблюдение вариаций оптической плотности объекта, не регистрируемых при освещении белым светом).

Для увеличения чувствительности в качестве детекторов употребляются черно-белые охлаждаемые ПЗС-камеры с низким уровнем шумов, а протяженность волны сохраненного изображения, другими словами его цвет, определяются настройкой акустооптического фильтра. При постобработке из гиперспектрального массива изображений возможно восстановлено цветное изображение либо использована цветовая схема false color для увеличения визуальной контрастности подробностей.

Управление параметрами акустооптического фильтра осуществляется при помощи цифрового высокочастотного генератора

Фрагмент окрашенного гистологического среза фолликулярной аденомы человека. Повышение объектива 40х. Слева: цветное изображение; в центре: гиперспектральное изображение, полученное при помощи акустооптической совокупности; справа: оконтуренное изображение, полученное при помощи акустооптической совокупности с лазерным освещением.

Флуоресцентные изучения образцов опухолевых тканей осуществляются при помощи лазерной совокупности эпифлуоресцентного освещения. На оптическом столе расположены два лазера: зеленый Nd:YAG-лазер с удвоением частоты на длину волны 532 нм и светло синий Ar-лазер на длину волны 488 нм.

Излучение лазера через коллиматор заводится в поляризационно-сохраняющее одномодовое оптоволокно (слева), которое присоединяется к заднему порту микроскопа через особый адаптер (справа)

В микроскопе для направления лазерного излучения на фильтрации и объект сигнала флуоресценции употребляются особые светоделительные кубики с высококонтрастными светофильтрами (дихроичное зеркало + заграждающий фильтр) Semrock

Лазерное освещение попадает на объект – предметное стекло с нанесенным на него препаратом ткани – через тот же объектив, что и сооружает изображение на детекторе

Объектами изучений являются как окрашенные, так и неокрашенные гистологические срезы удаленных опухолей щитовидной железы человека

Исследуются разные случаи: доброкачественные, злокачественные и опухоли неизвестного злокачественного потенциала. Кроме этого производится сравнение с референтными примерами обычной ткани

Сравнение изображений, взятых разными способами: простое цветное изображение, гиперспектральные черно-белые изображения, флуоресцентное изображение,– разрешает детально изучить особенности разных тканей и взять дополнительную данные об их строении. Изучение спектров флуоресценции разрешает замечать кое-какие особенности тканей, не определяемые при простой световой микроскопии.

Сочетание в одной оптической схеме двух физических разных способов обработки изображений: гиперспектрального пространственной фильтрации и анализа есть главным преимуществом созданной в НИТУ «МИСиС» совокупности для изучения гистологических срезов опухолевых тканей. Эта аппаратура открывает новые возможности визуализации внутриклеточных разработки и структур новых диагностических параметров в онкологии. В возможности совокупность разрешит реализовать дополнительные режимы визуализации объекта и интегрировать новые модули, такие как фемтосекундная совокупность возбуждения многофотонной флуоресценции.

Симптомы рака, которые часто игнорируют


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: