Ultrasound-switchable fluorescence imaging
अल्ट्रासाउंड-स्विचेबल फ्लोरोसेंस (यू. एस. एफ.) इमेजिंग एक गहरी प्रकाशिकी इमेजिंग तकनीक है। पिछले कुछ दशकों में, जैविक नमूनों और जीवित ऊतकों की छवि बनाने के लिए प्रतिदीप्ति सूक्ष्मदर्शी को अत्यधिक विकसित किया गया है। हालांकि, प्रकाश प्रकीर्णन के कारण, प्रतिदीप्ति सूक्ष्मदर्शी उथले ऊतकों (लगभग 1 मिमी) तक सीमित है। चूंकि प्रतिदीप्ति की विशेषता उच्च कंट्रास्ट, उच्च संवेदनशीलता और कम लागत है जो ऊतक की गहरी जानकारी की जांच करने के लिए महत्वपूर्ण है, इसलिए उच्च गहराई-से-रिज़ॉल्यूशन अनुपात के साथ प्रतिदीप्ति इमेजिंग तकनीक विकसित करना आशाजनक होगा। हाल ही में, छवि की गहराई का त्याग किए बिना उच्च संकेत-से-शोर अनुपात (एस. एन. आर.) और उच्च स्थानिक रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग प्राप्त करने के लिए अल्ट्रासाउंड-स्विचेबल फ्लोरोसेंस इमेजिंग विकसित की गई है। बुनियादी सिद्धांत सैद्धांतिक मॉडल को पहली बार 2009 में युआन द्वारा प्रस्तावित किया गया था, उन्होंने एक फ्लोरोफोर-क्वेंचर-लेबल माइक्रो बबल प्रणाली के आधार पर एक अल्ट्रासाउंड-मॉड्यूलेटेड फ्लोरोसेंस विकसित किया जो अल्ट्रासाउंड-फोकल ज़ोन के अंदर फ्लोरोसेंट उत्सर्जन को नियंत्रित कर सकता है ताकि स्थानिक रिज़ॉल्यूशन और इमेजिंग के लिए एसएनआर को बढ़ाया जा सके। यू. एस. एफ. इमेजिंग सिद्धांत के संदर्भ में, अल्ट्रासाउंड फोकल वॉल्यूम के बाहर फ्लोरोसेंस को ट्रिगर किए बिना अल्ट्रासाउंड फोकल वॉल्यूम के अंदर फ्लोरोसेंट उत्सर्जन को सक्रिय करने के लिए एक छोटी अल्ट्रासाउंड पल्स लागू की जाती है। इस प्रकार, अल्ट्रासाउंड फोकल ज़ोन में फ्लोरोफ़ोर वितरण को लक्ष्य की जाँच करके अलग किया जा सकता है और चित्रित किया जा सकता है। यू. एस. एफ. इमेजिंग तकनीक में दो बुनियादी तत्वों की आवश्यकता होती है, पहला अद्वितीय यू. एस. एफ. कंट्रास्ट एजेंट है जिसका प्रतिदीप्ति उत्सर्जन एक केंद्रित अल्ट्रासाउंड तरंग द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। दूसरा, संकेत का पता लगाने और पृष्ठभूमि के शोर को दबाने के लिए एक संवेदनशील यू. एस. एफ. इमेजिंग प्रणाली की भी आवश्यकता होती है। इमेजिंग कंट्रास्ट एजेंट वर्तमान में दो प्रकार के कंट्रास्ट एजेंट विकसित किए गए हैं। फ्लोरोफोर-क्वेंचर-लेबल माइक्रो बबल पहला प्रकार फ्लोरोफोर-क्वेंचर-लेबल माइक्रो बबल है जिसे पहली बार 2019 में युआन द्वारा खोजा गया था, और लियू एट अल द्वारा विकसित किया गया था। 2014 में। इस प्रकार के कंट्रास्ट एजेंट का मूल सिद्धांत माइक्रोबबल सतह पर फ्लोरोफोर सांद्रता को बदलना है। 2000 में, मॉर्गन एट अल। यह पाया गया कि नकारात्मक अल्ट्रासॉल्ड तरंग सूक्ष्म बुलबुला को कई गुना बड़ा बना सकती है। नतीजतन, सूक्ष्म बुलबुला सतह पर शमनकर्ता और फ्लोरोफोर के बीच की दूरी बड़ी हो जाती है (सतह पर फ्लोरोफोर की सांद्रता कम हो जाती है) जिसका अर्थ है कि शमन दक्षता बहुत कम हो जाती है और फ्लोरोफोर उच्च उत्सर्जन दक्षता (चालू स्थिति) दिखाता है। अल्ट्रासाउंड केंद्र क्षेत्र के बाहर सूक्ष्म बुलबुला पूरी प्रक्रिया के दौरान एक ही छोटे आकार को रखता है, इसलिए शमन दक्षता हमेशा फ्लोरोफोर उत्सर्जन (बंद स्थिति) को दबाने के लिए पर्याप्त होती है। फ्लोरोफोर-लेबल थर्मोसेन्सिटिव पॉलिमर या फ्लोरोफोर-एनकैप्सुलेटेड नैनोपार्टिकल्स (एन. पी.) दूसरे प्रकार के कंट्रास्ट एजेंट फ्लोरोफोर-लेबल थर्मोसेन्सिटिव पॉलिमर या फ्लोरोफोर-एनकैप्सुलेटेड नैनोपार्टिकल्स (एन. पी.) हैं। इस तरह के एजेंट का महत्वपूर्ण हिस्सा थर्मो-सेंसिटिव वाहक और पर्यावरण-सेंसिटिव (आमतौर पर ध्रुवीयता-सेंसिटिव) फ्लोरोफोर का संयोजन है। जब पर्यावरण का तापमान एक निश्चित सीमा (टी. टी. एच. 1) से कम होता है, तो वाहक की ध्रुवीयता जिस पर फ्लोरोफोर काफी कम उत्सर्जन दक्षता (बंद स्थिति) दिखाता है। जब केंद्रित अल्ट्रासाउंड लगाया जाता है, तो केंद्र क्षेत्र को तापमान सीमा (टी. टी. एच. 2) से ऊपर गर्म किया जाता है और थर्मो-संवेदनशील वाहक की संरचना बदल जाएगी जिससे इसकी ध्रुवीयता भी बदल जाती है, इसलिए ध्रुवीयता-संवेदनशील फ्लोरोफोर को बंद कर दिया जाएगा। पूरी प्रक्रिया के दौरान, अल्ट्रासाउंड फोकल ज़ोन के बाहर का फ्लोरोफोर बंद रहता है क्योंकि तापमान Tth1 से कम होता है। यू. एस. एफ. इमेजिंग प्रणाली यू. एस. एफ. इमेजिंग प्रणाली का उद्देश्य यू. एस. एफ. संकेत का संवेदनशील रूप से पता लगाना और पृष्ठभूमि के शोर को नाटकीय रूप से दबाना है। छवि प्रणाली पहले एक लॉक-इन एम्पलीफायर और एक ठंडा फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब (पीएमटी) को अपनाकर प्रणाली की संवेदनशीलता को नाटकीय रूप से बढ़ाती है; फिर प्रणाली यूएसएफ संकेत को पृष्ठभूमि के शोर से अलग करने के लिए एक सहसंबंध एल्गोरिथ्म का उपयोग करती है; इसके अलावा, यह केवल अल्ट्रासाउंड के कारण होने वाले प्रतिदीप्ति संकेत के परिवर्तन का पता लगाती है, मॉड्यूलेटेड-आवृत्ति उत्तेजना लेजर हर समय चलता रहता है, अल्ट्रासाउंड-प्रेरित तापमान वृद्धि मॉड्यूलेटेड आवृत्ति में प्रतिदीप्ति संकेत के आयाम को बदल देती है। एक चरण-बंद संदर्भ संकेत के साथ हस्तक्षेप करने के बाद, लॉक-इन एम्पलीफायर यू. एस. एफ. संकेत की रिपोर्ट करता है; सिस्टम कई उत्सर्जन फिल्टर का उपयोग करके लेजर रिसाव को भी कम कर सकता है। सिग्नल टू नॉइज़ अनुपात यू. एस. एफ. इमेजिंग पृष्ठभूमि फोटॉनों से सिग्नल फोटॉनों को अलग करके एस. एन. आर. को बढ़ा सकता है। पृष्ठभूमि फोटॉन ऑटोफ्लोरेसेंस, प्रकाश प्रकीर्णन, अपूर्ण कंट्रास्ट एजेंट और लेजर रिसाव से आ सकते हैं। ऑटोफ्लोरेसेंस को कम करने के लिए, एन. आई. आर. फ्लोरोफोर को अपनाया जा सकता है क्योंकि जैविक ऊतक घटक एन. आई. आर. क्षेत्र में कम से कम ऑटोफ्लोरेसेंस का उत्पादन करते हैं। रेले सिद्धांत के अनुसारः I (r, θ) = 1/λ4 बड़ी तरंग दैर्ध्य वाला प्रकाश कम बिखरा होता है, इसलिए प्रकाश के प्रकीर्णन के परिणामस्वरूप पृष्ठभूमि के शोर को कम किया जा सकता है। इसके अलावा, फ्लोरोसेंट उत्सर्जन को नियंत्रित करने के लिए अल्ट्रासाउंड को अपनाकर, सिग्नल फ्लोरोफोर को आसानी से बैकग्राउंड फ्लोरोफोर से अलग किया जा सकता है। जैसा कि हमने ऊपर उल्लेख किया है, लेजर रिसाव को उत्सर्जन फिल्टर द्वारा कम किया जा सकता है। स्थानिक संकल्प दूसरे प्रकार के कंट्रास्ट एजेंटों (फ्लोरोफोर-लेबल वाले थर्मोसेन्सिटिव एन. पी.) का उपयोग करते समय, दो तंत्रों के आधार पर स्थानिक संकल्प में और सुधार किया जा सकता है। गैर-रेखीय ध्वनिक प्रभाव स्थानिक संकल्प को बढ़ाने के लिए ध्वनिक विवर्तन मुख्य बाधा है। अल्ट्रासाउंड एक्सपोजर पावर को नियंत्रित करके, अरैखिक ध्वनिक प्रभाव हो सकता है, जिसके परिणामस्वरूप, मौलिक आवृत्ति पर ध्वनिक ऊर्जा के एक हिस्से को फोकल वॉल्यूम में उच्च हार्मोनिक आवृत्ति घटकों में स्थानांतरित किया जा सकता है जिसे अधिक मजबूती से केंद्रित किया जा सकता है। यह प्रमुख कारण है कि अरैखिक ध्वनिक प्रभाव अल्ट्रासाउंड-प्रेरित तापमान फोकल आकार को कम कर सकता है। थर्मल कनफिनमेंट यू. एस. एफ. तकनीक का स्थानिक संकल्प उस क्षेत्र के आकार से निर्धारित किया जाता है जहां फ्लोरोफोर को चालू किया जा सकता है। केवल तापमान सीमा से ऊपर है, फ्लोरफोर को चालू किया जा सकता है। हालांकि, थर्मल प्रसार या चालन के कारण, अल्ट्रासाउंड-प्रेरित थर्मल ऊर्जा को अल्ट्रासाउंड एक्सपोजर समय को नियंत्रित करके फोकल वॉल्यूम आकार के भीतर सीमित करने की आवश्यकता होती है, इसलिए फ्लोरोफोर को चालू किया जा सकता है जो आमतौर पर अल्ट्रासाउंड के वास्तविक फोकल आकार से छोटा होता है। अनुप्रयोग यू. एस. एफ. तकनीक को एक गहरे अशांत माध्यम में उच्च-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग प्राप्त करने के लिए एक प्रकाश-पल्स-विलंब तकनीक और एक फोटॉन गिनती तकनीक के साथ जोड़ा जा सकता है। 2016 में, चेंग एट अल। उच्च एस. एन. आर. और उच्च संवेदनशीलता के साथ सेंटीमीटर-गहरे ऊतक फैंटम में उच्च-रिज़ॉल्यूशन प्रतिदीप्ति इमेजिंग हासिल की, उन्होंने एक एन. आई. आर. अत्यंत पर्यावरण-संवेदनशील फ्लोरोफोर, ए. डी. पी. (सी. ए.) 2, और इस डाई पर आधारित यू. एस. एफ. कंट्रास्ट एजेंटों के एक परिवार को संश्लेषित और विशेषता दी। 2019 में हाल के अध्ययन में, याओ एट अल। सबसे पहले उच्च रिज़ॉल्यूशन वाले चूहों में विवो अल्ट्रासाउंड-स्विचेबल फ्लोरोसेंस इमेजिंग में हासिल किया गया। आई. सी. जी.-एनकैप्सुलेटेड पी. एन. आई. पी. ए. एम. नैनोकणों को विपरीत एजेंटों के रूप में अपनाया गया था जो जैविक वातावरण में काफी स्थिर हैं। सीटी इमेजिंग परिणामों की तुलना में, उन्होंने पाया कि यूएसएफ इमेजिंग ने गहरे ऊतक में उच्च संवेदनशीलता और विशिष्टता बनाए रखी। संदर्भ अल्ट्रासाउंड ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी तकनीक फ्लोरोसेंस