Автор AZoNano 3 мая 2021 г.

Ученые из Ноттингемского университета разработали систему ультразвуковой визуализации, которую можно развернуть на кончике тонкого как волос оптоволокно и вставить в тело человека для визуализации клеточных аномалий в 3D.

Новая технология позволяет получать изображения с микроскопическим и наноскопическим разрешением, которые однажды помогут клиницистам исследовать клетки, населяющие труднодоступные части тела, такие как желудочно-кишечный тракт, и предложить более эффективную диагностику различных заболеваний, от рака желудка до бактериальный менингит.

Высокий уровень производительности, обеспечиваемый технологией, в настоящее время возможен только в современных исследовательских лабораториях с большими научными приборами, тогда как эта компактная система может использовать ее в клинических условиях для улучшения ухода за пациентами.

Инновация, финансируемая Советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC), также снижает потребность в обычных флуоресцентных метках – химических веществах, используемых для изучения клеточной биологии под микроскопом, – которые могут быть вредными для человеческих клеток в больших дозах.

Результаты сообщаются в новой статье под названием «Фононное изображение в 3D с помощью волоконного зонда», опубликованной в журнале Nature, Light: Science & Applications .

Автор статьи, Сальваторе Ла Кавера, научный сотрудник EPSRC из исследовательской группы по оптике и фотонике Ноттингемского университета, сказал об ультразвуковой системе визуализации: «Мы считаем, что ее способность измерять жесткость образца, его биосовместимость и его эндоскопический потенциал, все при доступе к наномасштабу, – вот что отличает его. Эти особенности устанавливают технологию для будущих измерений внутри тела; к конечной цели минимально инвазивной диагностики в месте оказания медицинской помощи ».

В настоящее время на стадии прототипа неинвазивный инструмент визуализации, описанный исследователями как «фононный зонд» может быть вставлен в стандартный оптический эндоскоп, который представляет собой тонкую трубку с мощный свет и камера в конце, которые направляются в тело, чтобы находить, анализировать и оперировать раковые поражения, среди многих других заболеваний. Комбинация оптических и фононных технологий может быть выгодной; ускорение клинического рабочего процесса и сокращение количества инвазивных тестовых процедур для пациентов.

Возможности 3D-карт

Так же, как врач может провести физическое обследование, чтобы почувствовать аномальную «жесткость» в тканях под кожей, которые могут указывать на опухоли, фононный зонд перенесет эту концепцию «трехмерного картирования» на клеточный уровень.

Сканируя ультразвуковой зонд в космосе, он может воспроизводить трехмерную карту жесткости и пространственных характеристик микроскопических структур на поверхности образца (например, ткани) и под ней; он делает это с помощью мощности для изображения небольших объектов, таких как крупномасштабный микроскоп, и контрастности для различения объектов, таких как ультразвуковой зонд.

«Методы, позволяющие измерить жесткость опухолевой клетки, были реализованы с помощью лабораторных микроскопов, но эти мощные инструменты громоздки, неподвижны и не адаптируются к клиническим условиям, в которых находится пациент. готов совершить этот скачок ", добавляет Сальваторе Ла Кавера.

Как это работает

В новой системе ультразвуковой визуализации используются два лазера, которые излучают короткие импульсы энергии для стимуляции и обнаружения вибраций в образце. Один из лазерных импульсов поглощается слоем металла – нанопреобразователем (который работает путем преобразования энергии из одной формы в другую), созданным на конце волокна; процесс, в результате которого в образец попадают высокочастотные фононы (звуковые частицы). Затем второй лазерный импульс сталкивается со звуковыми волнами – процесс, известный как рассеяние Бриллюэна. Обнаруживая эти "столкнувшиеся" лазерные импульсы, можно воссоздать и визуально отобразить форму бегущей звуковой волны.

Обнаруженная звуковая волна кодирует информацию о жесткости материала и даже его геометрии. Команда из Ноттингема была первой, кто продемонстрировал эту двойную способность с использованием импульсных лазеров и оптических волокон.

Мощность устройства формирования изображения обычно измеряется по наименьшему объекту, который может увидеть система, то есть по разрешению. В двух измерениях фононный зонд может «разрешать» объекты размером порядка 1 микрометра, подобно микроскопу; но в третьем измерении (высоте) он обеспечивает измерения в масштабе нанометров, что является беспрецедентным для волоконно-оптических систем визуализации.

Будущие приложения

В статье исследователи демонстрируют, что технология совместима как с одним оптическим волокном, так и с 10-20 000 волокон пучка изображений (диаметром 1 мм), которые используются в обычных эндоскопах.

Следовательно, превосходное пространственное разрешение и широкое поле зрения могут быть обычно достигнуты путем сбора жесткости и пространственной информации из нескольких разных точек на образце без необходимости перемещать устройство, что делает новый класс фононных эндоскопов доступным.

Помимо клинического здравоохранения, такие области, как прецизионное производство и метрология, могли бы использовать этот инструмент с высоким разрешением для проверки поверхностей и определения характеристик материалов; дополнительное или заменяющее измерение для существующих научных инструментов. Развивающиеся технологии, такие как трехмерная биопечать и тканевая инженерия, также могут использовать фононный зонд в качестве встроенного инструмента проверки, интегрируя его непосредственно с внешним диаметром печатной иглы.

Затем команда будет разрабатывать серию приложений для визуализации биологических клеток и тканей в сотрудничестве с Ноттингемским центром болезней органов пищеварения и Институтом биофизики, визуализации и оптики в Ноттингемском университете; с целью создания жизнеспособного клинического инструмента в ближайшие годы.

Источник: http://www.nottingham.ac.uk/