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拉曼光学信号实现光照安全剂量内14厘米肌肉组织穿透检测

来源：时间：2023-01-31 14:05:18 浏览：2045次

医学成像技术如计算机断层扫描、核磁共振或正电子发射计算机断层扫描等虽然能诊断深层病灶，但存在采集时间长、仪器昂贵或辐射剂量大等原因，与之相比，光学检测和成像方法具有实时、高灵敏、非电离辐射、采集方便等优势，结合外源性造影剂可以提供生物体结构、功能和分子的精确信息，但光在生物组织中的穿透深度一直受限，目前广泛使用的荧光成像技术的组织穿透深度通常只有几毫米，因此在光照安全剂量内实现更深穿透深度成为了科学家一直在突破的方向。

透射拉曼光谱信号的理论计算

为了解决本领域的上述重要问题，上海交通大学生物医学工程学院叶坚团队首先从透射拉曼光谱测量过程中拉曼光子传播的理论建模和计算入手，研究了实验参数（组织厚度、SERS纳米探针位置、纳米探针亮度、激光功率和光束尺寸）对透射拉曼光谱探测深度的影响。理论计算表明，透射拉曼信号与信号源的埋深之间呈不对称的U型关系，说明病变位于组织中部时信号最弱，对透射拉曼信号的检测是最具挑战性的。而提高SERS纳米探针的亮度是增加检测深度/透射组织厚度最直接有效的途径。此外，光束尺寸的增大对深部病灶的透射拉曼检测强度几乎没有影响。因此，可以采用较大的激光束尺寸来降低功率密度。

基于这些发现，该团队设计制备了超亮SERS纳米探针与自制的透射拉曼装置相结合，开发了一个拉曼检测/成像系统。该系统具有以下优点：深度检测能力，使用了低至单颗粒检测水平的超亮SERS纳米探针；临床光安全，样品表面的激光功率密度低于安全光照剂量阈值。

利用该系统，团队成功地在安全光照剂量内通过体外14 cm厚的组织实现了对包埋在其中的SERS纳米探针的检测，与目前已报道的透射拉曼光谱检测研究相比，穿透深度提高了约97%。进一步地，团队在安全光照剂量内实现了1.5 cm厚未剃毛活鼠体内深层SERS纳米探针的体内无创成像，相比之下，传统的背散射拉曼成像无法获得显著信号。这项工作为透射拉曼光谱技术在体内非侵入性生物医学检查方面的发展提供了新的见解。

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