使用拉曼光谱实时分子成像的近地表组织

使用拉曼光谱实时分子成像的近地表组织
代表建议的方法的结果在一个猪脑样本。的Brightfield图像样本,箭头表示地区lipid-rich和制药化合物。在brightfield形象不仅是具有挑战性的本地化区域,但不提供任何可能区分区域。b重建拉曼分子分布图像提供了样本。c增强现实图像直接结合的分子信息brightfield现场,随时提供一个区域之间的分化。d重建untextured高度3 d场景图像的样本采用光度立体3 d和e作为纹理图像与原brightfield形象。f高度的3 d场景图像纹理重建的拉曼形象,目前不仅使二维,但增强的分子信息的三维可视化。g拉曼后图像数据网格的分子数据,形成一个完全填充的3 d增强分子的形象。h改进和混合拉曼的直接可视化现实形象back-projected到样本,这样分子边界向用户是可见的。我在h给出了结果,但与网格数据,允许更好地可视化分子边界。 The color information in all figures represent the different chemical components, i.e., red for the lipid-rich compound, green for gray matter on the cerebrum, and blue for the pharmaceutical compound. Credit:光:科学与应用程序(2022)。DOI: 10.1038 / s41377 - 022 - 00773 - 0

现代医学成像技术有促进稳定发展和治疗的疾病。其中,拉曼光谱已经获得临床应用的注意label-free,非侵入性方法提供的分子指纹样本。研究人员可以将这些方法与纤维optic-probes允许快捷病人的身体。然而,它仍然是具有挑战性与光纤探针获得图像。发表的一份新报告中自然光线:科学与应用程序,杨和一组科学家,在德国莱布尼兹研究所光子技术,开发了一种光纤probe-based拉曼成像系统可视化实时分子,虚拟现实数据和检测化学边界。

研究人员开发了基于计算机视觉的位置周围的过程与光度立体视觉跟踪系统,增强和混合化学物质分子成像和分子的直接可视化三维表面的边界。图像的方法提供了一个方法几分钟,大型组织地区来区分临床组织边界的生物样本。

在生物医学成像模式和设计分子虚拟现实图像

医生通常使用磁共振成像,计算机断层扫描position-emission断层扫描,超声波筛选病人疾病诊断和评估。精确的方法可以改善,guided-surgery促进连续的,非侵入性监测的患者。目前的成像技术主要是基于解剖学和形态学的组织,而不考虑潜在的组织成分。研究人员强调Raman-based方法为临床体内应用程序;方法基于非弹性散射光子和分子之间提供一种内在的分子指纹的一个示例。收集的信息是通过label-free、非接触式和非破坏性检测和方法描述癌症健康组织科学家们探索潜在的数据可视化和理解的方法。

在这工作,杨等人提出并开发了一个基于光纤拉曼成像方法和实时数据分析,结合现实增强技术和混合现实,三维(3 d)样品表面作为一个潜在的方法进行实时opto-molecular可视化组织边界的疾病诊断和手术。在这种方法中,团队结合拉曼光谱测量与计算机应用位置跟踪和实时数据处理分子图像虚拟现实。未来临床工作提供了一个回顾翻译的实时Raman-based分子成像提供快捷的病人。

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的Brightfield图像样本不允许区分不同的分子区域。b拉曼成像的方法容易使可视化提出不同的分子的位置。c分子信息的增加与brightfield形象提供了不同的样品的信息分化。维数据网格的分子信息和增强覆盖brightfield形象。e混合拉曼现实图像通过投影的直接可视化分子信息样本平面上;结合数据网格(f),提供了丰富的图像与分子不同的边界。颜色信息代表了不同的化学成分,即。,red for collagen, green for epithelial tissue, and blue for the plastic sample holder. Credit:光:科学与应用程序(2022)。DOI: 10.1038 / s41377 - 022 - 00773 - 0
成像的一个3 d结构bio-sample表面和体外肿瘤组织

杨等人用猪大脑和建议的方法肉瘤组织区分分子不同的地区。他们用lipid-rich涂布大脑、制药化合物和扫描大脑表面拓扑结构和分子信息形象化,它们映射到与分子数据重建3 d模式。合并后的数据提供了一个化学表面分布的现实的观点。同样,与肿瘤样本,杨等人切除样本量,进行了激光采集显示图像引导体内的分子病理组织内边界疾病诊断和手术切除。

数据流

团队可视化分子使用增强现实(AR)和混合现实(先生),与地形重建和实时数据分析。在基于“增大化现实”技术,科学家们绘制了分子信息亮视场图像或三维表面模型。在先生,他们预计样品分子的信息,和注册几个步骤的投影图像。为了避免干扰,团队减少投影图像的强度通过调整透明度的设置。科学家们接下来特征三维(3 d)重建的仪器,并显示如何实验扭曲同意的理论模拟。他们最小的扭曲效应增加的比率相机(投影仪)的高度和厚度的样品。

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数据流图(a)和(b)的开发方法。拉曼光谱是一个手持式拉曼探针和位置信息的光谱是通过brightfield相机决定并行。拉曼光谱在实时处理,结合位置信息来重建喇曼形象,形成分子的分子分布的虚拟现实可视化。此外,计算机应用三维表面重建方法,即。,photometric stereo, is used to construct a 3D height map of the sample surface, allowing to overlay the reconstructed Raman image on the 3D map for a 3D visualization of the molecular composition. Credit:光:科学与应用程序(2022)。DOI: 10.1038 / s41377 - 022 - 00773 - 0

使用拉曼光谱实时分子成像的近地表组织
结合光度立体音响。PMMA半球幻影的a1图20°片的中心在水平面和垂直面。间隔区顶部表面与扑热息痛挖空和小间隙填充,而其余空白充满了可塑造的热塑性塑料(聚已酸内酯)。a2顶视图的幻影,显示20°的弧长片在每个水平的水平。a3半截侧视的幻影,显示每个水平级别的半径。半球的直径50毫米,地下室的厚度是2毫米。b1-3顶视图的样本。b1 Brightfield半球幽灵的形象,没有可以看出分子边界。b2重建喇曼形象由发达成像方法与手持操作明确分子边界,和b3显示brightfield形象增强分子信息。c1的代表形象的高度图通过光度立体幻影。 c2 The brightfield image textured height map, viewed from the same angle, and c3, with relevant molecular-textured 3D image. c4 The three modes combined and represented as 3D augmented molecular image. The color information represents the different chemical components, i.e., red for PMMA, green for thermoplastic (polycaprolactone), and blue for paracetamol. Credit:光:科学与应用程序(2022)。DOI: 10.1038 / s41377 - 022 - 00773 - 0
空间分辨率

研究者定义系统的空间分辨率在理论上通过空间分辨率的亮视场相机和激光点的大小。在这项工作中,只有亮视场相机的分辨率和运动探测器的速度限制了系统的分辨率。例如,团队获得的图像可视化通过增强现实和重建喇曼图像符合已知的分布和分子化合物的间距。由此产生的图像和情节强调了重建战略平衡的速度探测运动和重建的拉曼光谱的质量,实现空间分辨率近似0.5毫米。结果表明混合现实可视化有着相似的位置精度和空间分辨率增强现实。杨等人比较了可实现的空间分辨率与传统医学成像方法,包括CT和MRI作为一个图像引导临床应用的过程。团队也可以改善空间分辨率与高分辨率亮视场相机和较小的激光点,覆盖面积较大,合适的图像质量。

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评估开发的空间分辨率的方法。图的空间分辨率的目标与各种宽度的条纹。条纹间的缝隙充满了可塑造的热塑性塑料(聚已酸内酯)和扑热息痛粉差距> 1毫米和≤1毫米,分别。b的拉曼光谱相关的三个组成部分的颜色,即。对热塑性,红的PMMA,绿,蓝的扑热息痛。c Brightfield图像空间分辨率的目标和指标的椭圆拟合激光点的位置信息。红色虚线框表示的ROI图像裁剪。d的剪裁拉曼增强图像ROI的自动扩展重建直径的圆圈移动探测器在不同速度或手持操作。每个图像上的白色虚线表示线进行概要分析。飞机e块蓝色的路径(扑热息痛)线剖面的个人拉曼增强图像。黑色虚线表明真正的地区差距满是扑热息痛。 f Photograph of the mixed Raman reality result by projecting the molecular image reconstructed for the speed moving speed of 2 mm/s and the auto-scale diameter condition; and g for handheld operation. The white dashed boxes in the images indicate the ROI shown in detail in h and i and the corresponding intensity profiles of the dashed white line are presented in j. The real curve (black) indicates the gaps where the paracetamol is filled in. Credit:光:科学与应用程序(2022)。DOI: 10.1038 / s41377 - 022 - 00773 - 0

前景:虚拟临床翻译以现实为基础的拉曼光谱

这样,魏杨和他的同事们提出并实验证明了光纤probe-based成像系统无损获取分子图像从一个大组织样本没有荧光标签。团队直接实现数据处理的过程到收购流克服缺点的常规拉曼系统和评估复杂的拉曼特征生化大分子通过增强现实技术在实时可视化和混合现实。研究人员强调了潜在的实时Raman-based分子成像临床翻译从感兴趣的地区访问生化分布的病人区分为手术切除组织。


进一步探索

共焦激光散斑相关成像微脉管系统的动态流

更多信息:杨魏et al,实时分子成像的近地表组织使用拉曼光谱,光:科学与应用程序(2022)。DOI: 10.1038 / s41377 - 022 - 00773 - 0

Donghyun李et al,体内近红外虚拟术中手术光声光学相干断层扫描,科学报告(2016)。DOI: 10.1038 / srep35176

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引用:使用拉曼光谱实时分子成像的近地表组织(2022年4月22日)检索2022年7月9日从//www.pyrotek-europe.com/news/2022-04-real-time-molecular-imaging-near-surface-tissue.html
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