世上首个“超声诱导组织透明”医学成像技术

图1 用于深部组织成像的超声诱导光学透明显微成像技术

由韩国大邱庆北科学技术院电子工程与计算机系的Jin Ho Chang教授、Jae Youn Hwang教授所领导的联合研究组，发明了世上首个利用超声波临时产生的气泡，对生物组织进行更深入、更详细观察的激光扫描显微成像技术。

光学成像和治疗技术在生命科学研究和临床实践中已经被广泛应用。然而由于组织内部发生的光学散射，光的透射率较低，因此光学手段在对深部组织图像采集和处理方面存在着固有的局限性，极大地阻碍了光学成像技术应用领域的扩展。

2017年， Jin Ho Chang教授的团队提出了一个设想：生物组织在高强度超声波照射下，会产生的微米大小气泡，能够克服这一成像障碍。他们发明了一种利用超声波临时产生的气泡、使光学散射方向与入射光的传播方向一致的方法，能够增加光的穿透深度。

此外，Jin Ho Chang教授和Jae Youn Hwang教授的联合研究小组专注于利用超声波诱导产生的气泡，扩大光学成像技术的应用。共聚焦荧光显微镜是一种选择性地检测光焦平面上产生的荧光信号、并对癌细胞等微结构进行高分辨率、高对比度成像的设备。它以其优异的性能成为生命科学研究中应用最广泛的仪器。然而由于组织内部发生的光散射，在深度大于100微米的情况下光的焦点变得模糊，限制了共聚焦荧光显微镜的应用有效性。

为了增加共聚焦荧光显微镜等光学成像方式的最大成像深度，辐照光的光子必须尽可能减少在其传播方向上、因组织中发生的光散射而造成的传播方向扭曲。然而此前发明的基于超声产生稀疏气泡的方法并不能实现这一效果。

因此，该联合研究小组开发了超声波技术，在需要的区域制造出活组织内密集气泡（密度90%以上）的气泡层，并在获取图像的同时保持生成的气泡。在这一气泡层中光子的传播方向不会发生扭曲。

目前已通过实验证明，即使在更深处的生物组织中也能实现光聚焦。此外，将超声诱导组织透明技术应用于共聚焦荧光显微镜，在世界上首次开发了超声诱导光学透明显微成像技术（UltraSound-induced Optical Clearing Microscopy, US-OCM），成像深度是传统共聚焦显微镜的6倍。

尤为值得注意的是，此次研究开发的US-OCM对组织没有造成任何损伤：当停止超声照射时，产生的气泡消失，组织的光学性质重新恢复到气泡产生前。这表明US-OCM技术对活体无害。

大邱庆北科学技术院电子工程与计算机科学系的Jin Ho Chang教授说：“通过与超声和光学成像专家的密切合作，我们成功克服了现有光学成像和治疗技术的固有局限性。”

“这项新的技术将应用于各种光学成像技术中，包括多光子显微镜和光声显微镜，以及包括光热疗法和光动力疗法在内的几种光学疗法中，通过增加成像和治疗深度来增强现有技术的应用。”

此项研究结果发表于Nature Photonics，文章见：Haemin Kim et al, Deep laser microscopy using optical clearing by ultrasound-induced gas bubbles, Nature Photonics (2022). DOI: 10.1038/s41566-022-01068-x。