基于时间反演和超声编码的生物活体组织中光成像及捕获研究

Advent of optical trapping is a milestone in the development of laser technology.The technique of the optical trapping makes people can manipulate microscopic objects rather than only observing them with microscopy. Living cells, organelles, bio-macro-molecules can be trapped in non-intact non-invasion way. However, this technique is basically stalled on in-vitro applications. The reason for its limited applications in vivo is that light becomes random after passing through highly scattering media like living tissues.Therefore, people have been filtering out the scattering light as a background noise for a long time. The aim of this proposal is to make best use of the scattering light for optical imaging and trapping. Firstly, near-infrared light is modulated by an acoustic light modulator(AOM) then encoded by an ultrasonic transducer which serves as a guide star. A spatial light modulator is adopted for time reversing the scattering light after the scattering media. Consequently，optical focusing, imaging and trapping in highly scattering media can be achieved. With this technique we can trap, manipulate red blood cells, white cells in living tissues, even more we can remove blood clots, and so on. The fulfillment of this project will promote and broaden the laser applications in the field of medicine, even a revolution in medical treatment .

光镊的发明是激光技术发展历程中的一个重要里程碑，光镊技术可以实现对活体生物细胞、细胞器、细菌等的非接触、无损伤操控。然而，这一技术目前还无法在生物活体组织内部获得广泛应用，其根本原因在于生物组织是一种动态的高散射介质，光束经过生物组织后由于高度散射而无法再次聚焦。本项目拟发展光镊技术，将这些散射光采取巧妙的办法利用起来，采用对生物组织高度透明的近红外激光作为光源，通过声光调制器施加一个频率移动，然后对通过高散射介质的调制光与聚焦的超声波相互作用进行超声编码，以此作为“引导星”，获得光束波阵面畸变的信息，然后将其输入空间光调制器，对经过样品后的散射光进行时间反演，从而实现光在高散射介质内部的聚焦、成像及捕获，最后对生物活体组织内部比如血管中的红细胞、白细胞等进行成像、捕获，以及对血栓进行移除等操作。该项目的实施将会促进与拓宽激光在医学领域更加广泛的应用，甚至有可能带来一场技术革新。

光镊的发明是激光技术发展历程中的一个重要里程碑，光镊技术可以实现对活体生物细胞、细胞器、细菌等的非接触、无损伤操控。尽管光镊可以操控许多微小物体，但是光镊的局限性也不可忽视：1）不能穿过非透明物质，遇到非透明物质的阻隔，光镊就全无招架之力；2） 操控力较小（pN量级）。 . 声镊是一种新兴的微操控平台，通过声波与固体、液体和气体的相互作用在广泛的尺寸范围内精确地操控物质。尽管声镊不具有光镊那样出色的空间分辨率，但声镊的主要优势在于：操控粒子范围广，基本不受材料性质的限制，集成化难度小，对细胞损伤低等。. 在自然科学基金的支持下，本项目结合光学高分辨率和声学高穿透深度的优点，在任意场的产生、光声成像、声镊和声学马达细胞操控方面，取得了一系列进展。.1. 利用纳秒脉冲激光器和空间光调制器控制光声介质表平面的光场，利用光声效应在声介质表平面激发声场，从而代替固定的模板来激发声场，因此可以同时实现高精度的和动态的控制声场。.2. 利用声波的辐射力和辐射力矩平移或旋转粒子，操控生物组织和活细胞。我们实现了将捕获和旋转功能集成于芯片上的用于活细胞操控的“声镊马达”系统。芯片上刻蚀有可以将入射平面波转换成贝塞尔声束的衍射栅结构，结构参数适用于操控活细胞。.3. 研制成功激光超声检测系统原型样机。我们利用纳秒激光器产生的绿光（532nm）激光经过高数值孔径的物镜聚焦于样品表面，由于光声效应，绿色脉冲光在样品内部激励超声波，同时激光测振仪实时检测该振动。通过移动样品位置，我们得到了样品表面的振动分布，从而实现了对样品表面的微结构进行实时成像。. 我们这些成果的取得将会促进与拓宽光声操控和高分辨率光声成像在生物医学领域以及生命科学中的广泛应用。