RESEARCH ARTICLE

Optical coherence tomography with enhanced contrast using oriented magnetic nanorods    

Seyyede Sarvenaz Khatami, Mohammad Ali Ansari, Behnam Shariati Bein Kalaee, Valery V. Tuchin

2025, 18(4): 24.https://doi.org/10.1007/s12200-025-00167-1

Abstract：In recent years, the utilization of nanoparticles with varying morphologies in optical coherence tomography (OCT) has gained prominence, primarily aimed at enhancing imaging contrast and depth. Various factors associated with nanoparticles, encompassing their shape, orientation, and distribution within biological tissues, significantly influence OCT performance. A thorough investigation of these parameters has yielded substantial findings, particularly regarding the enhancement of OCT images facilitated by the presence of nanorods (NRs). In this study, we conducted OCT imaging of chicken breast tissue employing Fe3O4 NRs under different polarization states, utilizing solenoids to apply a magnetic field to the nanoparticles. The results demonstrate that orienting nanoparticles can improve the Contrast-to-Noise Ratio (CNR) and signal-to-noise ratio (SNR) of OCT signal more than twofold compared to scenarios lacking specified orientation. Furthermore, this article addresses the challenge of prolonged nanoparticle distribution in tissue when using ultrasound probes, successfully reducing the distribution time from approximately 45 min to about 5 min. The findings presented herein show significant promises for advancing optical coherence tomography across a variety of applications.

研究背景

光学相干断层扫描（OCT）是一种重要的生物医学成像技术，但其成像深度和对比度有限。使用纳米颗粒作为外源性对比剂是提高OCT成像性能的常见策略。然而，纳米颗粒在组织中的扩散分布缓慢（通常需数十分钟），且非球形纳米颗粒（如纳米棒）在组织内的取向随机，而其后向散射效率与取向密切相关，这两个问题严重制约了其在OCT中的有效应用。

主要内容

本研究提出并验证了一种通过结合磁场与超声波来增强OCT成像性能的新方法。具体为：将具有磁性的Fe₃O₄纳米棒注入鸡胸肉组织，利用磁场控制纳米棒的取向（垂直、水平或随机），同时利用超声波加速纳米棒在组织中的分布。系统研究了纳米棒尺寸（150 nm和300 nm）、取向以及超声波辅助分布对OCT图像对比度噪声比（CNR）、信噪比（SNR）和组织群折射率的影响。

创新点

• 主动取向控制：首次将磁场引入OCT成像系统，主动控制磁性纳米棒在组织内的空间取向，利用其各向异性散射特性最大化提升图像对比度。

• 加速分布技术：引入超声波辐照，利用其声辐射力与空化等效应对纳米棒进行机械驱动，将纳米棒在组织内的均匀分布时间从约45分钟大幅缩短至约5分钟。

方法

• 纳米棒制备：采用水热还原法合成两种不同长径比的Fe₃O₄纳米棒（~150 nm和~300 nm）。

• 样品与实验：使用标准化鸡胸肉组织样本，注射纳米棒悬浮液。实验分为多组：无纳米棒、纳米棒随机分布、磁场诱导垂直/水平取向、以及联合超声波处理。

• 成像与表征：使用扫频源OCT系统（1050 nm）成像。通过图像分析计算CNR和SNR。利用双光束紫外-可见分光光度计测量纳米棒的光学特性。使用动态光散射和TEM表征纳米棒尺寸与形貌。

主要结果

• 取向效应：垂直取向的300 nm纳米棒使OCT图像的CNR和SNR相比无纳米棒组织提升超过两倍（CNR从~3.3提升至~8.6；SNR提升约114%）。垂直取向效果优于水平与随机取向。

• 尺寸依赖：300 nm纳米棒的光学增强效果普遍优于150 nm纳米棒。

• 超声波加速的有效性：5分钟超声波辐照即可达到与45分钟自然扩散相当的纳米棒分布效果和成像对比度，分布效率提升约9倍。

• 群折射率变化：组织群折射率在纳米棒垂直取向时最高（ng ≈ 1.692），进一步证实了光与纳米棒相互作用的增强。

总结

本研究通过磁场控制纳米棒取向与超声波加速其分布，有效解决了纳米对比剂在OCT应用中分布慢、取向随机两大瓶颈问题，显著提升了OCT图像的对比度和信噪比。该协同策略为发展高性能、快速OCT成像技术提供了新思路，在皮肤诊断、血管成像及肿瘤检测等领域具有应用潜力。

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