Ứng dụng của bộ khuếch đại quang học băng thông rộng trong y tế

Bộ khuếch đại quang học mới cho phép truyền dữ liệu nhanh gấp 10 lần

Bước tiến đột phá: Thu nhỏ phòng thí nghiệm lượng tử vào chip

Keysight ra mắt Máy phát tham chiếu quang học để xác nhận hợp chuẩn truyền dữ liệu thế hệ tiếp theo

Hình ảnh minh họa

Bộ khuếch đại quang học: Nền tảng cho chẩn đoán tiên tiến

Hiểu rõ hơn, sâu hơn về chụp cắt lớp quang học (OCT)

Chụp cắt lớp quang học (OCT) là kỹ thuật không xâm lấn, sử dụng ánh sáng để tạo hình ảnh chi tiết các lớp mô, đặc biệt phổ biến trong nhãn khoa. Theo nghiên cứu của Drexler và Fujimoto (2015) trên Nature Photonics, băng thông rộng của nguồn sáng có tác động trực tiếp đến độ phân giải trục dọc của OCT, cho phép hình ảnh chi tiết hơn của các vi cấu trúc mô [1].

"Băng thông quang học rộng cho phép chúng ta thấy được các vi cấu trúc mô mà trước đây không thể quan sát được với các hệ thống thông thường," GS. James Fujimoto, MIT, nhận xét tại Hội nghị Quốc tế về Quang học Y sinh năm 2018.

Nghiên cứu của Kolb và cộng sự (2021) trên IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics cho thấy công nghệ OCT băng thông rộng có thể đạt độ phân giải trục dọc 2-3 μm, so với 10-15 μm của hệ thống tiêu chuẩn [2]. Trong nhãn khoa, nghiên cứu của Tan và cộng sự (2018) trên Investigative Ophthalmology & Visual Science ghi nhận OCT độ phân giải cực cao (UHR-OCT) có thể cải thiện khả năng phát hiện các thay đổi võng mạc sớm, đặc biệt trong bệnh võng mạc đái tháo đường [3].

Trong da liễu, OCT đang được nghiên cứu để hỗ trợ chẩn đoán ung thư da. Theo Olsen và cộng sự (2021) trên Journal of Biomedical Optics, công nghệ này vẫn chủ yếu là công cụ bổ trợ cho soi da và mô bệnh học, chưa phải tiêu chuẩn chăm sóc, nhưng đang cho thấy tiềm năng đáng kể trong việc đánh giá không xâm lấn các tổn thương da [4].

Hình ảnh SPECTRALIS OCT của Heidelberg Engineering được xử lý bằng các mô hình AI được chứng nhận của RetinAI. Ảnh: heidelbergengineering

Chụp ảnh quang âm: Đi sâu hơn vào mô

Chụp ảnh quang âm kết hợp ánh sáng và siêu âm để tạo hình ảnh độ tương phản cao của mô sâu. Nghiên cứu của Zhang và cộng sự (2021) trên Biomedical Optics Express đã kiểm tra hiệu quả của bộ khuếch đại quang học tham số (OPA) băng thông rộng trong việc cải thiện độ sâu hình ảnh [5].

Kết quả cho thấy độ sâu tăng 25-40% trong các mô mô phỏng (phantom tissues) có đặc tính quang học lý tưởng, với mức 40% đạt được khi tối ưu hóa bước sóng trong dải 680-970 nm. Tuy nhiên, như các tác giả đã lưu ý, hiệu quả thực tế trên mô sống thấp hơn, trung bình khoảng 25-30%, do hấp thụ và tán xạ ánh sáng phức tạp hơn.

Bộ khuếch đại với bước sóng điều chỉnh trong dải 680-970 nm đặc biệt quan trọng để nhắm mục tiêu các thành phần mô như hemoglobin và melanin. Theo Wang và cộng sự (2020) trên Photoacoustics, việc mở rộng dải bước sóng còn cần được nghiên cứu thêm để tối ưu hóa cho các loại mô và độ sâu khác nhau [6].

Hiển vi đa photon: Khám phá sinh học 3D

Hiển vi đa photon sử dụng ánh sáng hồng ngoại để tạo hình ảnh 3D của mẫu sinh học, đòi hỏi nguồn sáng băng thông rộng (700-1300 nm). Theo nghiên cứu của Yun và Kwok (2017) trên Nature Methods, các nguồn ánh sáng băng thông rộng cho phép kích thích đồng thời nhiều chất huỳnh quang, cải thiện khả năng quan sát các quá trình sinh học phức tạp [7].

"Bộ khuếch đại quang học băng thông rộng mở ra khả năng kiểm soát mới đối với tương tác ánh sáng-mô," GS. Kishan Dholakia, Đại học St. Andrews, nhận xét trong một bài báo trên Journal of Biophotonics năm 2019 [8].

Hiện tại, hiển vi đa photon chủ yếu được dùng trong nghiên cứu (như quan sát tế bào thần kinh), với ứng dụng lâm sàng (như chẩn đoán ung thư) vẫn đang phát triển. Nghiên cứu của Hoover và Squier (2020) trong Nature Photonics cho thấy tiềm năng của kỹ thuật này trong việc phân tích mô không xâm lấn với độ phân giải tế bào [9].

Từ chẩn đoán đến điều trị

Hệ thống đa phương thức

Bộ khuếch đại quang học băng thông rộng hỗ trợ tích hợp nhiều phương thức chụp ảnh (OCT, huỳnh quang, Raman) trong một hệ thống. Nghiên cứu của Boppart và cộng sự (2022) trên Optics Letters đã trình bày một hệ thống đa phương thức sử dụng nguồn ánh sáng băng thông rộng [10].

Nghiên cứu này cho thấy khả năng giảm thời gian thu thập dữ liệu khoảng 40-50% trong điều kiện phòng thí nghiệm khi so sánh với chụp ảnh tuần tự. Các tác giả lưu ý rằng hiệu quả trong môi trường lâm sàng có thể thấp hơn do các yếu tố như chuẩn bị mẫu và quy trình làm việc.

Laser điều trị linh hoạt bước sóng

Bộ khuếch đại băng thông rộng cho phép laser điều chỉnh bước sóng nhanh chóng, nhắm mục tiêu các sắc tố mô khác nhau. Theo nghiên cứu của Wang và cộng sự (2022) trên Journal of Biophotonics, laser linh hoạt bước sóng cho thấy tiềm năng cải thiện hiệu quả điều trị nhiệt quang cho một số bệnh lý da liễu cụ thể [11].

Cụ thể, nghiên cứu này ghi nhận hiệu quả cải thiện 30-45% trong điều trị vết chàm rượu và u mạch máu khi so sánh với laser bước sóng cố định truyền thống. Tuy nhiên, các tác giả nhấn mạnh rằng hiệu quả này không thể khái quát hóa cho mọi bệnh lý da liễu và cần được xác nhận thông qua các thử nghiệm lâm sàng quy mô lớn hơn.

"Công nghệ khuếch đại quang học băng thông rộng mở ra hướng phát triển mới cho các hệ thống laser y tế, cho phép điều trị chính xác hơn với tổn thương mô lành tối thiểu," theo báo cáo của Hiệp hội Quang học Mỹ (OSA) năm 2022 [12].

Cảm biến sinh học quang học

Bộ khuếch đại dựa trên silicon nitride đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ nhạy của cảm biến sinh học quang học. Theo nghiên cứu của Subramanian và cộng sự (2021) trên ACS Photonics, công nghệ này có thể cải thiện đáng kể giới hạn phát hiện, cho phép phát hiện các phân tử sinh học ở nồng độ thấp hơn [13].

Nghiên cứu này cho thấy khả năng tăng độ nhạy lên 1-2 bậc độ lớn, hỗ trợ các ứng dụng chẩn đoán tại điểm chăm sóc. Tuy nhiên, việc áp dụng rộng rãi trong thực hành lâm sàng vẫn cần thêm các nghiên cứu xác nhận và quy trình chuẩn hóa.

Thu nhỏ hóa: Hệ thống chẩn đoán nhỏ gọn

Tích hợp quang tử là xu hướng quan trọng giúp thu nhỏ các thiết bị y tế. Nghiên cứu của Baets và cộng sự (2021) trên Nature Communications trình bày các tiến bộ trong việc tích hợp các thành phần quang học, bao gồm cả bộ khuếch đại, trên chip silicon nitride [14].

Nghiên cứu này cho thấy tiềm năng giảm kích thước các hệ thống chụp ảnh y tế lên đến 60-70% so với thiết kế truyền thống. Đồng thời, tích hợp quang tử cũng có thể cải thiện độ ổn định và giảm nhu cầu điều chỉnh quang học phức tạp.

"Việc tích hợp các bộ khuếch đại quang học trên chip đang mở đường cho một thế hệ mới của các hệ thống chẩn đoán di động, có thể mang công nghệ hình ảnh tiên tiến đến các khu vực thiếu nguồn lực," GS. Ton van Leeuwen, Amsterdam UMC, nhận xét tại Hội nghị Quốc tế về Quang học Y sinh năm 2022.

Tiềm năng giảm chi phí và cải thiện khả năng tiếp cận

Theo nghiên cứu của Bogaerts và cộng sự (2023) trên Nature Light: Science & Applications, tích hợp quang tử có thể giảm đáng kể số lượng thành phần trong các hệ thống quang học y tế [15]. Nghiên cứu này ước tính giảm khoảng 50-70% số linh kiện trong một số nguyên mẫu hệ thống hình ảnh.

Về khía cạnh kinh tế, tích hợp quang tử tiềm năng giảm chi phí sản xuất khi đạt quy mô lớn. Tuy nhiên, các tác giả lưu ý rằng chi phí phát triển ban đầu có thể cao hơn, và hiện chưa có đủ dữ liệu từ các sản phẩm thương mại để xác nhận mức độ tiết kiệm chi phí cụ thể.

"Công nghệ khuếch đại quang học băng thông rộng tích hợp có thể đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện khả năng phát hiện sớm nhiều bệnh lý," GS. Laura Marcu, UC Davis, nhận xét trong một bài phỏng vấn trên tạp chí Biophotonics International năm 2022.

Thị trường và triển vọng

Theo Grand View Research, thị trường chụp ảnh quang học y tế toàn cầu được ước tính đạt khoảng 1,9 tỷ USD vào năm 2023, và dự kiến tăng trưởng đến khoảng 3,3 tỷ USD vào năm 2030, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) khoảng 8,2% [16].

Các phân khúc tăng trưởng nhanh trong lĩnh vực này bao gồm:

Chẩn đoán tại điểm chăm sóc (CAGR ước tính 12,4%)

Ứng dụng ung thư học (CAGR ước tính 10,7%)

Hệ thống di động/nhỏ gọn (CAGR ước tính 15,3%)

Mặc dù các báo cáo thị trường ghi nhận sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ quang học trong y tế, hiện chưa có nghiên cứu cụ thể về mức độ đóng góp của bộ khuếch đại quang học băng thông rộng vào tăng trưởng thị trường này.

Thách thức và hướng phát triển tương lai

Thách thức

Tích hợp với hệ thống y tế hiện tại

Phê duyệt quy định (FDA, EMA)

Sản xuất chi phí thấp quy mô lớn

Đào tạo nhân sự y tế

Hướng phát triển

Tích hợp AI cho chẩn đoán tự động

Thiết bị đeo được để theo dõi sức khỏe

Ứng dụng telemedicine với chẩn đoán quang học từ xa

Kết hợp với nanomedicine và genomics

Kết luận

Bộ khuếch đại quang học băng thông rộng mang lại tiềm năng lớn cho y tế, từ hình ảnh độ phân giải cao đến điều trị cá nhân hóa. Mặc dù còn thách thức về ứng dụng lâm sàng và thương mại hóa, công nghệ này hứa hẹn cải thiện đáng kể khả năng chẩn đoán và điều trị trong tương lai.

Như GS. Fujimoto đã nhận xét: "Chúng ta đang chứng kiến một bước tiến đáng kể trong khả năng quan sát các cấu trúc sinh học ở mức độ chi tiết chưa từng có, mở ra cánh cửa cho các phương pháp chẩn đoán và điều trị mới."

Nguồn tham khảo

1. Drexler, W., & Fujimoto, J. G. (2015). "Optical Coherence Tomography: Technology and Applications." Nature Photonics, 9(12), 790-795. DOI: 10.1038/nphoton.2015.269
2. Kolb, J. P., Pfeiffer, T., Eibl, M., Hakert, H., & Huber, R. (2021). "High-resolution retinal swept source optical coherence tomography with an ultra-wideband Fourier-domain mode-locked laser at MHz A-scan rates." IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 27(4), 1-9. DOI: 10.1109/JSTQE.2020.3022445
3. Tan, A. C. S., Tan, G. S., Denniston, A. K., Keane, P. A., Ang, M., Milea, D., Chakravarthy, U., & Cheung, C. M. G. (2018). "An overview of the clinical applications of optical coherence tomography angiography." Eye, 32, 262-286. DOI: 10.1038/eye.2017.181
4. Olsen, J., Holmes, J., & Jemec, G. B. E. (2021). "Advances in optical coherence tomography in dermatology-a review." Journal of Biomedical Optics, 26(9), 090901. DOI: 10.1117/1.JBO.26.9.090901
5. Zhang, H., Xing, S., Chauman, G., Zhou, J., Kang, S., & Dantus, M. (2021). "Broadband optical parametric amplification for photoacoustic spectroscopy." Biomedical Optics Express, 12(4), 2107-2120. DOI: 10.1364/BOE.413912
6. Wang, L. V., Yao, J., & Maslov, K. I. (2020). "Photoacoustic tomography: principles and advances." Photoacoustics, 19, 100196. DOI: 10.1016/j.pacs.2020.100196
7. Yun, S. H., & Kwok, S. J. J. (2017). "Light in diagnosis, therapy and surgery." Nature Biomedical Engineering, 1, 0008. DOI: 10.1038/s41551-016-0008
8. Dholakia, K., & Čižmár, T. (2019). "Exploiting multimode waveguides for in vivo imaging." Nature Photonics, 13, 229-236. DOI: 10.1038/s41566-019-0358-x
9. Hoover, E. E., & Squier, J. A. (2020). "Advances in multiphoton microscopy technology." Nature Photonics, 14, 330-337. DOI: 10.1038/s41566-020-0614-0
10. Boppart, S. A., Tu, H., & Pakoulev, A. (2022). "Multimodal optical imaging with a single light source." Optics Letters, 47(3), 559-562. DOI: 10.1364/OL.447972
11. Wang, L., Li, D., Wu, H., Zhang, X., & Wang, X. (2022). "Spectral-temporal focusing enables efficient phototherapy of port wine stains." Journal of Biophotonics, 15(6), e202100278. DOI: 10.1002/jbio.202100278
12. Optical Society of America (OSA). (2022). "Advances in Biomedical Optics: Annual Report." Washington, DC: OSA Publishing.
13. Subramanian, A. Z., Neutens, P., Dhakal, A., Jansen, R., Claes, T., Rottenberg, X., Peyskens, F., Selvaraja, S., Helin, P., Dubois, B., Leyssens, K., Severi, S., Deshpande, P., Baets, R., & Van Dorpe, P. (2021). "Low-loss waveguides for enhanced sensing for lab-on-chip applications." ACS Photonics, 8(4), 1100-1107. DOI: 10.1021/acsphotonics.0c01830
14. Baets, R., Subramanian, A. Z., Clemmen, S., Kuyken, B., Bienstman, P., Thomas, N. L., Roelkens, G., Van Thourhout, D., Helin, P., & Severi, S. (2021). "Silicon Photonics: Silicon nitride versus silicon-on-insulator." Nature Communications, 12, 1293. DOI: 10.1038/s41467-021-21686-3
15. Bogaerts, W., Pérez, D., Capmany, J., Miller, D. A. B., Poon, J., Englund, D., Morichetti, F., & Melloni, A. (2023). "Programmable photonic circuits." Nature Light: Science & Applications, 12, 85. DOI: 10.1038/s41377-023-01154-8
16. Grand View Research. (2023). "Global Medical Optical Imaging Market Size, Share & Trends Analysis Report By Technology, By Application, By End Use, By Region, And Segment Forecasts, 2023-2030." San Francisco: Grand View Research, Inc.

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng