Мультиплексирование сосредоточены УЗИ стимуляции с микроскопии флуоресцирования

Многие заболевания требуют некоторые формы инвазивных медицинского вмешательства. Эти процедуры часто дорогие, рискованно, требуют восстановления периоды и таким образом добавить бремя для систем здравоохранения. Неинвазивная терапевтические механизмы имеют потенциал для обеспечения альтернатив безопаснее и дешевле обычных хирургических процедур. Однако текущий неинвазивные подходов, таких как фармакотерапии или транскраниальная магнитная стимуляция часто ограничены компромиссов между ткани проникновения, пространственно-временных резолюции и нежелательных эффектов пробить. В этом контексте фокусированного ультразвука является перспективной технологии неинвазивные с потенциалом для манипулирования биологических функций глубоко внутри ткани с высокой точностью пространственно-временных и ограниченных пробить эффектов.

Фокусированный ультразвук разрушает стимуляции состоит из доставки акустической энергии в точных местах глубоко внутри живых организмов. В зависимости от параметров акустических импульсов эта энергия может иметь множество медицинских применений. Например пищевых продуктов и медикаментов одобрил использование высокой интенсивности ультразвука направлены (HiFU) на тепловой аблация опухолей предстательной железы, вызывая дрожь мозга регионов, миома матки и вызывая боли нервных окончаний в костных метастазов¹ . Кавитация при посредничестве HiFu СРТ используется также для временно открыть blood – brain барьер для целенаправленной доставки системно ведении терапии². Пульс средняя интенсивность пространственных пик (я_АЮП) и пространственных пик височной средняя интенсивность (я_ЗИП) используется для HiFU приложений, как правило, выше несколько кВт см^-2 и производят пульсовое давление несколько десятков МПа. Эти значения интенсивности являются намного выше FDA утвержденных я_АЮП и я_ЗИП ограничения для ультразвуковой диагностики, 190 W см^-2 и 720 МВт см^-2, соответственно³. Напротив недавние исследования показали что неразрушающего импульсных ультразвуковых стимуляции, которые находятся в пределах или вблизи предела ограничения интенсивности ультразвуковой диагностики (LIPUS) может быть эффективным удаленно и безопасно управлять нейронных стрельбы^{4, 5,6,7,8}, гормональной секреции^9,10 и биоинженерных клеток¹¹. Тем не менее клеточном и молекулярном механизмы, в которых клетки воспринимают и отвечают к УЗИ остаются неясными, исключающие клинический перевод LIPUS. Таким образом за последние несколько лет, исследования искусственных оболочек, культивируемых клеток и животных стимулируется с УЗИ получили импульс раскрыть биофизических и физиологических процессов модулированные LIPUS^{12,13, 14,15}.

Звук состоит из колебаний, распространяющихся через физический носитель. УЗИ является звук с частотой выше человека слышимого диапазона (то есть, выше 20 кГц). В лабораторных условиях, ультразвуковые волны обычно производятся пьезоэлектрические преобразователи, которые содержат материал, который вибрирует в ответ на колеблющиеся в конкретной полосы пропускания высокой частоты электрического поля. Существует два типа датчиков: совмещенные преобразователи и датчики массивы. Единственный элемент пьезоэлектрические преобразователи имеют изогнутые поверхности, которая действует как фокусирующей линзы и следовательно концентратов акустической энергии в определенную область под названием зоне фокуса. Одноэлементные преобразователи намного дешевле и легче работать, чем массивы датчика. Эта статья будет сосредоточена на одноэлементных преобразователей.

Размер фокуса зоны целенаправленной один элемент датчика зависит от геометрических свойств акустические линзы и акустические частоты. Для достижения миллиметр размер зоны фокуса с одного элемента датчика, обычно требуются ультразвуковые частоты в диапазоне МГц. К сожалению акустических волн на такой частоте являются очень быстро ослабленного при распространении в разреженной среды как воздух. Таким образом МГц ультразвуковые волны необходимо создаются и распространяются на образец в плотный материал, например воды. Это является первой задачей в деле интеграции механизма LIPUS микроскопом.

Вторая задача заключается в минимизации физические интерфейсы между материалами с различных акустических импедансов, (который является продуктом плотности материала и акустическая скорость) вдоль акустического пути. Эти интерфейсы могут отражать, преломляют, точечной и поглощать акустических волн, что делает его трудно подсчитать количество акустической энергии, эффективно доставлен образец. Они также могут создавать нежелательные механические артефакты. Например размышления производится перпендикулярно акустическая несоответствие импеданс интерфейсы создания backpropagating волны, которые мешают те распространяющихся вперед. По пути вмешательства волны компенсируют друг друга на фиксированных регионах пространств под названием узлов и суммировать в чередующихся регионов под названием анти узлов, создание так называемого стоячие волны (рис. 1). Это важно для экспериментатор иметь возможность контролировать или устранить эти экспериментальные интерфейсов в пробирке , как они не могут существовать в естественных условиях.

Флуоресценции измерение оптических журналистов является известный метод допросить прозрачный биологических образцов в режиме реального времени и с без физического воздействия. Таким образом, этот подход идеально подходит для LIPUS исследований, как любой физической зондов, в районе sonicated представит механических артефактов. Этот протокол описывает внедрение и эксплуатация LIPUS для коммерческих epi флуоресцентным микроскопом.