Wetenschappers van de Universiteit van Nottingham hebben een ultrasoon beeldvormingssysteem ontwikkeld, die kan worden ingezet op de punt van een haardunne optische vezel, en zal in het menselijk lichaam kunnen worden ingebracht om celafwijkingen in 3D te visualiseren.

De nieuwe technologie produceert microscopische en nanoscopische resolutiebeelden die clinici op een dag zullen helpen om cellen te onderzoeken die moeilijk bereikbare delen van het lichaam bewonen, zoals het maagdarmkanaal, en bieden effectievere diagnoses voor ziekten variërend van maagkanker tot bacteriële meningitis.

Het hoge prestatieniveau dat de technologie levert, is momenteel alleen mogelijk in ultramoderne onderzoekslaboratoria met grote, wetenschappelijke instrumenten, terwijl dit compacte systeem het potentieel heeft om het in klinische omgevingen te brengen om de patiëntenzorg te verbeteren.

De door de Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) gefinancierde innovatie vermindert ook de behoefte aan conventionele fluorescerende labels - chemicaliën die worden gebruikt om celbiologie onder een microscoop te onderzoeken - die in grote doses schadelijk kunnen zijn voor menselijke cellen.

De bevindingen worden gerapporteerd in een nieuw artikel, getiteld "Phonon-beeldvorming in 3D met een vezelsonde, " gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen .

Papierauteur Salvatore La Cavera, een EPSRC Doctoral Prize Fellow van de University of Nottingham Optics and Photonics Research Group, zei over het ultrasone beeldvormingssysteem:"Wij geloven dat het in staat is om de stijfheid van een monster te meten, zijn biocompatibiliteit, en zijn endoscopisch potentieel, allemaal terwijl je toegang hebt tot de nanoschaal, zijn wat het onderscheidt. Deze functies maken de technologie klaar voor toekomstige metingen in het lichaam; op weg naar het uiteindelijke doel van minimaal invasieve point-of-care diagnostiek."

Momenteel in de prototypefase, het niet-invasieve beeldvormingsinstrument, beschreven door de onderzoekers als een "phonon probe, " kan worden ingebracht in een standaard optische endoscoop, dat is een dunne buis met een krachtig licht en een camera aan het uiteinde die in het lichaam wordt genavigeerd om te vinden, analyseren, en opereren op kankerachtige laesies, onder vele andere ziekten. Het combineren van optische en fonon-technologieën kan voordelig zijn; het versnellen van het klinische workflowproces en het verminderen van het aantal invasieve testprocedures voor patiënten.

3D-kaartmogelijkheden

Net zoals een arts een lichamelijk onderzoek zou kunnen doen om abnormale 'stijfheid' in weefsel onder de huid te voelen die op tumoren zou kunnen duiden, de fonon-sonde zal dit concept van '3D mapping' naar een cellulair niveau brengen.

Door de ultrasone sonde in de ruimte te scannen, het kan een driedimensionale kaart van stijfheid en ruimtelijke kenmerken van microscopische structuren reproduceren op, en onder, het oppervlak van een monster (bijv. weefsel); het doet dit met de kracht om kleine objecten af ​​te beelden zoals een grootschalige microscoop, en het contrast om objecten zoals een ultrasone sonde te onderscheiden.

"Technieken die kunnen meten of een tumorcel stijf is, zijn gerealiseerd met laboratoriummicroscopen, maar deze krachtige tools zijn omslachtig, onbeweeglijk, en niet aanpasbaar aan patiëntgerichte klinische omgevingen. Ultrasone technologie op nanoschaal in een endoscopische capaciteit staat klaar om die sprong te maken, ", voegt Salvatore La Cavera toe.

Hoe het werkt

Het nieuwe ultrasone beeldvormingssysteem maakt gebruik van twee lasers die korte energiepulsen uitzenden om trillingen in een monster te stimuleren en te detecteren. Een van de laserpulsen wordt geabsorbeerd door een laag metaal - een nano-transducer (die werkt door energie van de ene vorm in de andere om te zetten) - die op de punt van de vezel is gefabriceerd; een proces waarbij hoogfrequente fononen (geluidsdeeltjes) in het monster worden gepompt. Dan botst een tweede laserpuls op de geluidsgolven, een proces dat bekend staat als Brillouin-verstrooiing. Door deze "botsende" laserpulsen te detecteren, de vorm van de reizende geluidsgolf kan opnieuw worden gemaakt en visueel worden weergegeven.

De gedetecteerde geluidsgolf codeert informatie over de stijfheid van een materiaal, en zelfs de geometrie ervan. Het team van Nottingham was de eerste die deze dubbele capaciteit demonstreerde met behulp van gepulste lasers en optische vezels.

De kracht van een beeldapparaat wordt meestal gemeten door het kleinste object dat door het systeem kan worden gezien, d.w.z. de resolutie. In twee dimensies kan de fonon-sonde objecten in de orde van 1 micrometer "oplossen", vergelijkbaar met een microscoop; maar in de derde dimensie (hoogte) levert het metingen op de schaal van nanometers, wat ongekend is voor een vezeloptisch beeldvormingssysteem.

Toekomstige toepassingen

In de krant, de onderzoekers tonen aan dat de technologie compatibel is met zowel een enkele optische vezel als de 10, 000 tot 20, 000 vezels van een beeldbundel (diameter 1 mm), zoals gebruikt in conventionele endoscopen.

Bijgevolg, superieure ruimtelijke resolutie en brede gezichtsvelden kunnen routinematig worden bereikt door stijfheid en ruimtelijke informatie te verzamelen van meerdere verschillende punten op een monster, zonder dat het apparaat hoeft te worden verplaatst, waardoor een nieuwe klasse fonon-endoscopen binnen handbereik komt.

Naast de klinische gezondheidszorg, gebieden zoals precisiefabricage en metrologie zouden dit hulpmiddel met hoge resolutie kunnen gebruiken voor oppervlakte-inspecties en materiaalkarakterisering; een aanvullende of vervangende meting voor bestaande wetenschappelijke instrumenten. Ontluikende technologieën zoals 3D bioprinten en tissue engineering zouden de fononsonde ook kunnen gebruiken als een inline inspectietool door deze rechtstreeks te integreren in de buitendiameter van de printnaald.

Volgende, het team zal een reeks biologische cel- en weefselbeeldvormingstoepassingen ontwikkelen in samenwerking met het Nottingham Digestive Diseases Center en het Institute of Biophysics, Beeldvorming en optische wetenschappen aan de Universiteit van Nottingham; met als doel om in de komende jaren een levensvatbaar klinisch hulpmiddel te creëren.