Verdens første fiberoptiske Uasonic-billedsonde til fremtidig sygdomsdiagnostik på nanoskala

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Home > Presse > Verdens første fiberoptiske ultralydsonde til fremtidig sygdomsdiagnostik i nanoskala

Konceptkunst, der viser 3D-kortlægning af mikroskopiske objekter ved hjælp af phonon-sondesystemet. Den optiske fiber indeholder et metallag på spidsen og projicerer rødt laserlys ind i prøven. KREDIT Dr. Salvatore La Cavera

Abstract:
Forskere ved University of Nottingham har udviklet et ultralydsbilleddannelsessystem, som kan placeres på spidsen af en hårtynd optisk fiber, og som kan indsættes i den menneskelige krop for at visualisere celleabnormiteter i 3D.

Verdens første fiberoptiske ultralydsonde til fremtidig sygdomsdiagnostik i nanoskala

Nottingham, Storbritannien | Udgivet den 30. april 2021

Den nye teknologi producerer mikroskopiske og nanoskopiske opløsningsbilleder, der en dag vil hjælpe klinikere med at undersøge celler, der bor i svært tilgængelige dele af kroppen, såsom mave-tarmkanalen, og tilbyde mere effektive diagnoser for sygdomme lige fra mavekræft til bakteriel meningitis.

Det høje niveau af ydeevne, teknologien leverer, er i øjeblikket kun muligt i avancerede forskningslaboratorier med store, videnskabelige instrumenter – hvorimod dette kompakte system har potentialet til at bringe det ind i kliniske omgivelser for at forbedre patientbehandlingen.

Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC)-finansierede innovation reducerer også behovet for konventionelle fluorescerende etiketter - kemikalier, der bruges til at undersøge cellebiologi under et mikroskop - som kan være skadelige for menneskelige celler i store doser.

Resultaterne bliver rapporteret i et nyt papir med titlen 'Phonon imaging in 3D with a fiber probe' offentliggjort i Nature journal, Light: Science & Applications.

Papirforfatter, Salvatore La Cavera, en EPSRC Doctoral Prize Fellow fra University of Nottingham Optics and Photonics Research Group, sagde om ultralydsbilleddannelsessystemet: "Vi tror på dets evne til at måle stivheden af en prøve, dens biokompatibilitet og dens endoskopisk potentiale, alt imens man får adgang til nanoskalaen, er det, der adskiller det. Disse funktioner sætter teknologien op til fremtidige målinger inde i kroppen; mod det ultimative mål med minimalt invasiv point-of-care diagnostik."

I øjeblikket på prototypestadiet er det ikke-invasive billeddannelsesværktøj, beskrevet af forskerne som en "fononprobe", i stand til at blive indsat i et standard optisk endoskop, som er et tyndt rør med et kraftigt lys og kamera for enden, dvs. navigeret ind i kroppen for at finde, analysere og operere kræftlæsioner blandt mange andre sygdomme. Det kan være fordelagtigt at kombinere optiske og fononteknologier; fremskynde den kliniske arbejdsgang og reducere antallet af invasive testprocedurer for patienter.

3D-kortlægningsmuligheder

Ligesom en læge måske udfører en fysisk undersøgelse for at mærke efter unormal 'stivhed' i væv under huden, som kunne indikere tumorer, vil phonon-sonden tage dette '3D-kortlægning'-koncept til et cellulært niveau.

Ved at scanne ultralydssonden i rummet kan den gengive et tredimensionelt kort over stivhed og rumlige egenskaber af mikroskopiske strukturer ved og under overfladen af en prøve (f.eks. væv); det gør det med evnen til at afbilde små objekter som et storskalamikroskop og kontrasten til at differentiere objekter som en ultralydssonde.

"Teknikker, der er i stand til at måle, om en tumorcelle er stiv, er blevet realiseret med laboratoriemikroskoper, men disse kraftfulde værktøjer er besværlige, ubevægelige og utilpasselige til patientvendte kliniske omgivelser. Nanoskala ultralydsteknologi i en endoskopisk kapacitet er klar til at tage det spring,” tilføjer Salvatore La Cavera.

Sådan fungerer det

Det nye ultralydsbilleddannelsessystem bruger to lasere, der udsender korte energipulser til at stimulere og detektere vibrationer i en prøve. En af laserimpulserne absorberes af et lag metal – en nano-transducer (som virker ved at omdanne energi fra en form til en anden) – fremstillet på spidsen af fiberen; en proces, som resulterer i, at højfrekvente fononer (lydpartikler) bliver pumpet ind i prøven. Derefter kolliderer en anden laserimpuls med lydbølgerne, en proces kendt som Brillouin-spredning. Ved at detektere disse "kolliderede" laserimpulser kan formen af den vandrende lydbølge genskabes og vises visuelt.

Den detekterede lydbølge koder information om et materiales stivhed og endda dets geometri. Nottingham-teamet var det første til at demonstrere denne dobbelte kapacitet ved hjælp af pulserende lasere og optiske fibre.

Effekten af en billeddannende enhed måles typisk ved det mindste objekt, der kan ses af systemet, altså opløsningen. I to dimensioner kan fononsonden "opløse" objekter i størrelsesordenen 1 mikrometer, svarende til et mikroskop; men i den tredje dimension (højde) giver den målinger på skalaen af nanometer, hvilket er uden fortilfælde for et fiberoptisk billeddannelsessystem.

Fremtidige ansøgninger

I papiret demonstrerer forskerne, at teknologien er kompatibel med både en enkelt optisk fiber og de 10-20,000 fibre i et billeddannende bundt (1 mm i diameter), som anvendes i konventionelle endoskoper.

Som følge heraf kunne overlegen rumlig opløsning og brede synsfelter rutinemæssigt opnås ved at indsamle stivhed og rumlig information fra flere forskellige punkter på en prøve uden at skulle flytte enheden – hvilket bringer en ny klasse af phonon-endoskoper inden for rækkevidde.

Ud over klinisk sundhedspleje kunne felter som præcisionsfremstilling og metrologi bruge dette højopløsningsværktøj til overfladeinspektioner og materialekarakterisering; en supplerende eller erstatningsmåling for eksisterende videnskabelige instrumenter. Fremvoksende teknologier såsom 3D-bioprint og vævsteknologi kan også bruge phonon-sonden som et inline-inspektionsværktøj ved at integrere den direkte i den ydre diameter af printnålen.

Dernæst vil holdet udvikle en række biologiske celle- og vævsbilleddannelsesapplikationer i samarbejde med Nottingham Digestive Diseases Center og Institute of Biophysics, Imaging and Optical Science ved University of Nottingham; med det formål at skabe et levedygtigt klinisk værktøj i de kommende år.

###

####

Om University of Nottingham
University of Nottingham er et forskningsintensivt universitet med en stolt arv, konsekvent rangeret blandt verdens 100 bedste. At studere på University of Nottingham er en livsændrende oplevelse, og vi er stolte af at frigøre vores studerendes potentiale. Vi har en pionerånd, udtrykt i visionen fra vores grundlægger Sir Jesse Boot, som har set os føre an i etableringen af campusser i Kina og Malaysia – en del af et globalt forbundet netværk af uddannelse, forskning og industrielt engagement. Universitetets state-of-the-art faciliteter og tilbud om inkluderende og handicapidræt afspejles i dets status som The Times og Sunday Times Good University Guide 2021 Sports University of the Year. Vi er rangeret som nummer otte for forskningskraft i Storbritannien i henhold til REF 2014. Vi har seks pejlemærker for fremragende forskning, der hjælper med at transformere liv og ændre verden; vi er også en stor arbejdsgiver og industripartner – lokalt og globalt. Sammen med Nottingham Trent University leder vi Universities for Nottingham-initiativet, et banebrydende samarbejde, der samler den kombinerede styrke og civile missioner fra Nottinghams to verdensklasse universiteter og arbejder med lokalsamfund og partnere for at hjælpe med genopretning og fornyelse efter COVID-19 pandemi.

For mere information, klik link.

Kontaktpersoner:
Emma Lowry
44-011-584-67156

Mere information er tilgængelig fra Salvatore La Cavera III på

@UoNPressOffice

Hvis du har en kommentar, tak Kontakt os.

Udstedere af nyhedsudgivelser, ikke 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, er alene ansvarlige for indholdets nøjagtighed.

Bogmærke: