بیوپسی طیف سنجی نوری

بخش 1: موضوعات در بیوپسی طیف سنجی نوری

1. منشأ خواص نوری بافت

2. روش های نوری برای تشخیص و درمان بافت

3. روش های ارزیابی in vivo وضعیت فیزیولوژیکی بافت

4. طیف سنجی فلورسانس تحریک، جذب، پراکندگی

5. طیف سنجی رامان تشدید

6. طیف سنجی و تصویربرداری پراکندگی نور غیر کشسان

7. طیف‌سنجی و تصویربرداری بهره رامان تحریک‌شده - پنجره‌های نوری NIR در طول موج 700 تا 2500 نانومتر

8. تصویربرداری عکس آکوستیک منسجم و بدون تماس

9. تصویربرداری طیفی قطبی شدن و بازتاب انتشاری طیف‌سنجی تحریک و تصویربرداری تک و چند فوتونی

10. روش های تشخیصی مادون قرمز میانی

11. نانو ذرات برچسب گذاری و عوامل کنتراست متابولومیک نوری Demos, Gansean

12. Supercontinuum برای کاربردهای پزشکی و بیولوژیکی

13. طیف سنجی شیفت استوکس

نوروفوتونیک و طیف سنجی زیست پزشکی

نوروفوتونیک و طیف‌سنجی زیست‌پزشکی به کارهای جدید و پیشرفته در روش‌های طیف‌سنجی نوری غیرتهاجمی می‌پردازد که شروع و پیشرفت بیماری‌ها و شرایط دیگر، از جمله پیش‌بدخیمی، سرطان، بیماری آلزایمر، پاسخ بافتی و سلولی به روش‌های درمانی را تشخیص می‌دهد. مداخله، آسیب ناخواسته و رسوب انرژی لیزر. سپس این کتاب تحقیقاتی را در زمینه نوروفوتونیک برجسته می‌کند که به بررسی علائم نوری برانگیختگی تک و چند فوتونی بافت‌های عصبی طبیعی/بیمار و در مغز می‌پردازد و درک بهتری از تغییرات بیوشیمیایی و ساختاری بافت‌ها و سلول‌هایی که مسئول طیف‌سنجی مشاهده‌شده هستند ارائه می‌دهد. امضاها موضوعات طیف گسترده‌ای از تکنیک‌های نوری و طیف‌سنجی UV، مرئی، NIR و IR و رویکردهای جدید برای تشخیص تغییرات بافتی را پوشش می‌دهند، از جمله: طیف‌سنجی فلورسانس بدون برچسب در داخل بدن و خارج از بدن، طیف‌سنجی شیفت استوک، تصویربرداری طیفی، طیف‌سنجی رامان رزونانس ، تحریک چند فوتون دو فوتون و موارد دیگر.

نوروفوتونیک

نوروفوتونیک

رویکردهای ترکیبی و چندوجهی برای تصویربرداری عصبی

تصویربرداری همودینامیک نوری و تعاملات عصبی عروقی

تصویربرداری مزوسکوپی، میکروسکوپی و آندوسکوپی از ساختار و عملکرد عصبی

پراکندگی بافت، پاکسازی و پراکندگی زدایی

میکروسکوپ فوق رزولوشن و نانوسکوپی سیستم عصبی

گزارشگران و محرک های جدید، اپتوژنتیک، بیولومینسانس

تجزیه و تحلیل داده ها، یادگیری ماشین و پردازش تصویر

تجزیه و تحلیل مدار، عملکرد شبکه و پردازش اطلاعات

اپتیک و بیماری مغز

شکل دهی نور در مغز، هولوگرافی

اشاعه و تجاری سازی فناوری های BRAIN

رابط های عصبی نوری حلقه بسته

تکنیک‌های نوروفوتونیک، آسیب‌های تروماتیک مغز را روشن می‌کنند

تکنیک‌های نوروفوتونیک، آسیب‌های تروماتیک مغز را روشن می‌کنند

ترجمه با مهندس شکوفه ساتری

امواج ضربه ای ناشی از لیزر بر روی سلول های عصبی، که با تصویربرداری فاز کمی نظارت می شود، به درک آسیب مغزی و اثرات فیزیولوژیکی آن کمک می کند.

آسیب تروماتیک مغزی می تواند تأثیرات فاجعه باری بر عملکرد روزمره و کیفیت زندگی داشته باشد. اکنون، مجموعه ای از ابزارهای فوتونیک ممکن است بینش جدیدی در مورد این وضعیت ارائه دهد. همراه با دانش فنی که با استفاده از علوم زیستی و فیزیکی در دسترس است، از روش های جدید تصویربرداری و تکنیک های بیوفوتونیکی به خوبی استفاده می شود. نمونه بارز این اتصال متقابل مطالعه امواج ضربه ای ناشی از لیزر (LIS) است.

اثرات امواج ضربه ای بر بدن انسان برای اولین بار در طول جنگ جهانی دوم مشاهده شد، زمانی که مشخص شد ملوانانی که در زمان انفجار اژدر در اقیانوس بودند، اما مستقیماً هدف قرار نگرفتند، اغلب به دلیل اختلال در ریه جان خود را از دست دادند. در تعدادی از موارد، هیچ آسیب فیزیکی خارجی به آنها وارد نشده بود. با این حال، اخیراً امواج ضربه ای به عنوان علت آسیب تروماتیک مغزی مطرح شده اند. هنگامی که امواج ضربه ای ایجاد شده توسط یک ضربه یا موج انفجار از جمجمه عبور می کند، می تواند به بافت عصبی آسیب برساند. آسیب به مغز ممکن است پایدار باشد و منجر به انواع اثرات ناتوان کننده مانند از دست دادن حافظه، افسردگی و سایر اختلالات ذهنی شود.

برای مطالعه اثرات امواج شوک بر مغز، تیم تحقیقاتی نویسندگان در دانشگاه کالیفرنیا، ایروین اخیراً از لیزر پالسی 1064 نانومتری Nd:YAG برای ایجاد امواج شوک میکروسکوپی و نظارت بر اثرات روی سلول‌های منفرد استفاده کردند. با استفاده از یک پرتو لیزر پالسی متمرکز بر یک نقطه، می توان انرژی شدید تولید کرد. هنگامی که تجمع انرژی در نقطه کانونی به اندازه کافی قوی باشد، یک حباب کاویتاسیون تشکیل می شود و سپس فرو می ریزد، که یک موج ضربه ای ایجاد می کند که از کانون به بیرون تابش می کند. با کنترل دقیق پارامترهای پرتو، امواج ضربه ای را می توان به گونه ای کالیبره کرد تا نیروهایی معادل منابع شناخته شده آسیب تروماتیک مغزی اعمال کند.

نویسندگان از این پدیده برای شبیه سازی آسیب های مغزی در شرایط آزمایشگاهی با استفاده از امواج ضربه ای ناشی از لیزر برای آسیب رساندن به سلول های عصبی مانند آستروسیت ها استفاده کردند. آستروسیت ها سلول های گلیال ستاره ای شکل هستند که پرتعدادترین سلول ها در سیستم عصبی مرکزی هستند. آنها نقش مهمی در حفظ عملکرد سالم نورون های مغز دارند. از آنجایی که سلول ها مسئول حفظ و تامین مواد مغذی به بافت عصبی در مغز و نخاع هستند، مطالعه نحوه واکنش آستروسیت ها به تروما، بینش های ارزشمندی را در مورد مکانیسم هایی که مغز برای ترمیم آسیب های داخلی استفاده می کند، ارائه می دهد.

یکی از راه های ارزیابی آسیب وارد شده به سلول، نظارت بر تغییرات مورفولوژیکی سلول است. با ایجاد امواج ضربه ای در نزدیکی سلول و اندازه گیری کمی تغییر حجم سلول با استفاده از میکروسکوپ هولوگرافیک، می توان مشاهده کرد که سلول چگونه در پاسخ به نیروی خارجی اعمال شده تغییر شکل می دهد.

میکروسکوپ فاز کمی (QPM)1 بر روی تصویربرداری تداخل فاز متمرکز است. تصویربرداری فازی به سال 1887 و با اختراع تداخل سنج مایکلسون برمی گردد. در دهه 1980، این تکنیک‌های تداخل با افزودن فناوری اسکن دیجیتالی که تداخل سنجی هولوگرافیک پویا را فعال می‌کرد، یک قدم فراتر برداشته شد. شفافیت سلول های زنده در طول تاریخ تصویربرداری از آنها را در زیر میکروسکوپ میدان روشن دشوار کرده است. با این حال، QPM می‌تواند با استفاده از اطلاعات فاز نور هنگام عبور از سلول‌ها، از سطوح سلول‌ها با وضوح نانومتری تصویربرداری کند. QPM تصاویر تداخل حاصل از دو پرتو را می گیرد: یکی که از نمونه عبور می کند و دیگری به عنوان پرتو مرجع استفاده می شود. با استفاده از الگوریتم‌های فاز باز کردن، QPM می‌تواند تغییر فاز در نور ناشی از سلول را اندازه‌گیری کند. با دانستن ضریب شکست می توان ارتفاع سلول ها را از طریق اطلاعات فاز به صورت کمی اندازه گیری کرد.

برای اهداف پژوهش نویسندگان، از QPM برای مشاهده ضخامت سلول های عصبی استفاده شد. این برای محاسبه حجم سلول ها و هرگونه تبادل جرم بین سلول ها و محیط آنها یا سلول های همسایه استفاده می شود. سپس از LIS برای القای آسیب سلولی و شبیه‌سازی آسیب مغزی تروماتیک استفاده شد تا بتوان پاسخ آستروسیت‌های عصبی را تعیین کرد و نقش سلول‌ها را در این فرآیند مشخص کرد.

با ترکیب این کار با تکنیک های فلورسانس معمولی، یک سیستم پیچیده از سیگنال دهی بین سلولی به تدریج آشکار شده است. این شبکه سیگنالینگ، که سطح کلسیم داخل سلولی را تغییر می‌دهد، پاسخ آسیب به آستروسیت‌های مجاور را تنظیم می‌کند و آپوپتوز و ترمیم سلولی را واسطه می‌کند.

سایر تکنیک ها در کار

علیرغم بینش های ارائه شده توسط امواج ضربه ای ناشی از لیزر و QPM، استفاده از تکنیک های کمتر مخرب برای دستکاری سلول ها در زیر میکروسکوپ اغلب سودمند است. در اینجا نیز فناوری بیوفوتونیک راهی برای حرکت و کاوش سلول های عصبی فراهم کرده است.

شاید یکی از پیشگامانه ترین کاربردهای پرتوهای لیزر در مقیاس سلولی، اختراع موچین های نوری توسط آرتور اشکین بود که برای آن جایزه نوبل را در سال 2018 دریافت کرد. بینش اشکین مبنی بر اینکه فشار تشعشع می تواند برای محدود کردن ذرات ریز میکروسکوپی در سه بعدی استفاده شود، این امکان را فراهم کرده است. مجموعه ای از اندازه گیری ها در سطح درون سلولی، از جمله در مغز. اشکین با استفاده از پرتوهای لیزر بسیار متمرکز توانست به اصطلاح نیروی گرادیان نوری بر روی ذرات دی الکتریک نزدیک به کانون پرتو ایجاد کند. این نیرو او را قادر ساخت تا ذرات منفرد را در مقیاسی که قبلاً هرگز به دست نیامده بود، به دام بیندازد و حرکت دهد.

مجله نوروفوتونیک

"بررسی تاثیر فرکانس مدولاسیون بر کیفیت تصویر توموگرافی اپتیکال پراکنده با چگالی بالا"

محدوده

فناوری‌های نوری جدید برای تصویربرداری و دستکاری ساختار و عملکرد مغز از تجسم اندامک‌های درون سلولی و مجموعه‌های پروتئین تا بررسی ماکروسکوپی غیرتهاجمی فعالیت قشر مغز در افراد انسانی. روش ها و کاربردها به سرعت در حال رشد هستند و پیشرفت های عمیقی را در درک پدیده های مغز مانند تحریک پذیری الکتریکی، مشارکت نوروگلیال، سیگنال دهی عصبی عروقی، فعالیت متابولیک و همودینامیک در سلامت و بیماری ایجاد می کنند. در رابط بین اپتیک و علوم اعصاب، نوروفوتونیکس پیشرفت‌های فناوری نوری قابل استفاده برای مطالعه مغز و تأثیر آنها بر کاربردهای اساسی و بالینی علوم اعصاب را پوشش می‌دهد. Neurophotonics مقالات بررسی شده را در مورد طیف گسترده ای از موضوعات منتشر می کند که تأثیر روش های نوری جدید در علوم اعصاب را برجسته می کند. برخی از نمونه های نماینده، اما نه جامع، شامل توسعه و کاربردهای زیر است:

روش های میکروسکوپی

روش های نانوسکوپی با وضوح فوق العاده

اپتوژنتیک و سایر روش های نوری دستکاری رفتار سلولی

گزارشگرها و محرک های نوری مصنوعی و رمزگذاری شده ژنتیکی

روش های پاکسازی نوری

روش‌هایی برای بررسی فیزیولوژی نوروگلیال و عروقی

روش‌های بررسی انرژی سلولی

روش‌های غیرتهاجمی اندازه‌گیری و تصویربرداری عملکرد مغز و فیزیولوژی

روش‌های فوتوآکوستیک از وضوح نوری تا وضوح صوتی

کاربردهای بالینی و ترجمه

روش های محاسباتی مربوط به درک و تفسیر اندازه گیری های نوری.

تکنیک‌های نوروفوتونیک، آسیب‌های تروماتیک مغز را روشن می‌کنند

تکنیک‌های نوروفوتونیک، آسیب‌های تروماتیک مغز را روشن می‌کنند

ترجمه با مهندس شکوفه ساتری

امواج ضربه ای ناشی از لیزر بر روی سلول های عصبی، که با تصویربرداری فاز کمی نظارت می شود، به درک آسیب مغزی و اثرات فیزیولوژیکی آن کمک می کند.

نیکولاس پرز، پگاه پولادیان، و داریل پریس، دانشگاه کالیفرنیا، ایروین

آسیب مغزی تروماتیک می تواند تأثیرات فاجعه باری بر عملکرد روزمره و کیفیت زندگی داشته باشد. اکنون، مجموعه ای از ابزارهای فوتونیک ممکن است بینش جدیدی در مورد این وضعیت ارائه دهد. همراه با دانش فنی که با استفاده از علوم زیستی و فیزیکی در دسترس است، از روش‌های جدید تصویربرداری و تکنیک‌های بیوفوتونیک به خوبی استفاده می‌شود. نمونه بارز این اتصال متقابل مطالعه امواج ضربه ای ناشی از لیزر (LIS) است.

اثرات امواج ضربه ای بر بدن انسان برای اولین بار در طول جنگ جهانی دوم مشاهده شد، زمانی که مشخص شد ملوانانی که در زمان انفجار اژدر در اقیانوس بودند، اما مستقیماً هدف قرار نگرفتند، اغلب به دلیل اختلال در ریه جان خود را از دست دادند. در تعدادی از موارد، هیچ آسیب فیزیکی خارجی به آنها وارد نشده بود. با این حال، اخیراً امواج ضربه ای به عنوان علت آسیب تروماتیک مغزی مطرح شده اند. هنگامی که امواج ضربه ای ایجاد شده توسط یک ضربه یا موج انفجار از جمجمه عبور می کند، می تواند به بافت عصبی آسیب برساند. آسیب به مغز ممکن است پایدار باشد و منجر به انواع اثرات ناتوان کننده مانند از دست دادن حافظه، افسردگی و سایر اختلالات ذهنی شود.

برای مطالعه اثرات امواج شوک بر مغز، تیم تحقیقاتی نویسندگان در دانشگاه کالیفرنیا، ایروین اخیراً از لیزر پالسی 1064 نانومتری Nd:YAG برای ایجاد امواج شوک میکروسکوپی و نظارت بر اثرات روی سلول‌های منفرد استفاده کردند. با استفاده از یک پرتو لیزر پالسی متمرکز بر یک نقطه، می توان انرژی شدید تولید کرد. هنگامی که تجمع انرژی در نقطه کانونی به اندازه کافی قوی باشد، یک حباب کاویتاسیون تشکیل می شود و سپس فرو می ریزد، که یک موج ضربه ای ایجاد می کند که از کانون به بیرون تابش می کند. با کنترل دقیق پارامترهای پرتو، امواج ضربه ای را می توان به گونه ای کالیبره کرد تا نیروهایی معادل منابع شناخته شده آسیب تروماتیک مغزی اعمال کند.

نویسندگان از این پدیده برای شبیه سازی آسیب های مغزی در شرایط آزمایشگاهی با استفاده از امواج ضربه ای ناشی از لیزر برای آسیب رساندن به سلول های عصبی مانند آستروسیت ها استفاده کردند. آستروسیت ها سلول های گلیال ستاره ای شکل هستند که پرتعدادترین سلول ها در سیستم عصبی مرکزی هستند. آنها نقش مهمی در حفظ عملکرد سالم نورون های مغز دارند. از آنجایی که سلول ها مسئول حفظ و تامین مواد مغذی به بافت عصبی در مغز و نخاع هستند، مطالعه نحوه واکنش آستروسیت ها به تروما، بینش های ارزشمندی را در مورد مکانیسم هایی که مغز برای ترمیم آسیب های داخلی استفاده می کند، ارائه می دهد.

یکی از راه های ارزیابی آسیب وارد شده به سلول، نظارت بر تغییرات مورفولوژیکی سلول است. با ایجاد امواج ضربه ای در نزدیکی سلول و اندازه گیری کمی تغییر حجم سلول با استفاده از میکروسکوپ هولوگرافیک، می توان مشاهده کرد که سلول چگونه در پاسخ به نیروی خارجی اعمال شده تغییر شکل می دهد.

علوم اعصاب در دنیای روزمره

پیشرفت‌های اخیر در دستگاه‌های طیف‌سنجی عملکردی NIR (fNIRS) و ابزارهای پردازش سیگنال، مجموعه آزمایش‌های بدون محدودیت را برای تحقیقات علوم اعصاب گسترش می‌دهد.ما  بر پیشرفت های انجام شده در مرکز نوروفوتونیک به سمت "علوم اعصاب در دنیای روزمره" تمرکز دارد.

نوروفوتونیک و نقشه برداری مغز

درک نحوه کار مغز و ایجاد روشهای درمانی موثر در پیشرفت علوم اعصاب و بهبود مراقبتهای بالینی از بیمار مهم است.  نوروفوتونیک و نقشه برداری مغز پیشرفته ترین تحقیق و توسعه در زمینه فناوری های نوری و برنامه های کاربردی برای نقشه برداری و درمان مغز را پوشش می دهد. این یک مرور کلی از روشهای مختلف توسعه یافته با استفاده از نور ، هر دو روش میکروسکوپی و ماکروسکوپی است. تحولات اخیر در تصویربرداری آندوسکوپیک حداقل تهاجمی از ساختار و عملکرد عمیق مغز ، و همچنین درمان مبتنی بر نور نیز بررسی می شود.

نوروفوتونیک و طیف سنجی زیست پزشکی

نوروفوتونیک و طیف سنجی زیست پزشکی

یک جلد در نانوفوتونیک

شرح

Neurophotonics and Biomedical Spectroscopy به کار جدیدترین فناوری در طیف سنجی نوری غیر تهاجمی اشاره دارد که شروع و پیشرفت بیماری ها و سایر شرایط را از جمله قبل از بدخیمی ، سرطان ، بیماری آلزایمر ، پاسخ بافتی و سلولی به درمان تشخیص می دهد. مداخله ، آسیب ناخواسته و رسوب انرژی لیزر. این کتاب سپس تحقیق در زمینه نوروفوتونیک را بررسی می کند که به بررسی تحریک تک و چند فوتونی امضای نوری بافت های عصبی طبیعی / بیمار و مغز می پردازد ، و درک بهتری از تغییرات اساسی بیوشیمیایی و ساختاری بافت ها و سلول ها را که مسئول طیف سنجی مشاهده شده هستند ، ارائه می دهد.