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Arte conceptual que muestra el mapeo 3D de objetos microscópicos mediante el sistema de sonda de fonones. La fibra óptica contiene una capa de metal en su punta y proyecta una luz láser roja en la muestra. CRÉDITO Dr. Salvatore La Cavera

Abstracto:
Científicos de la Universidad de Nottingham han desarrollado un sistema de imágenes ultrasónicas, que se puede implementar en la punta de una fibra óptica delgada como un cabello y se insertará en el cuerpo humano para visualizar anomalías celulares en 3D.

La primera sonda de imágenes ultrasónicas de fibra óptica del mundo para el futuro diagnóstico de enfermedades a nanoescala

Nottingham, Reino Unido | Publicado el 30 de abril de 2021

La nueva tecnología produce imágenes de resolución microscópica y nanoscópica que algún día ayudarán a los médicos a examinar las células que habitan en partes del cuerpo de difícil acceso, como el tracto gastrointestinal, y ofrecerán diagnósticos más efectivos para enfermedades que van desde el cáncer gástrico hasta la meningitis bacteriana.

Actualmente, el alto nivel de rendimiento que ofrece la tecnología solo es posible en laboratorios de investigación de vanguardia con grandes instrumentos científicos, mientras que este sistema compacto tiene el potencial de llevarlo a entornos clínicos para mejorar la atención al paciente.

La innovación financiada por el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC) también reduce la necesidad de etiquetas fluorescentes convencionales, sustancias químicas utilizadas para examinar la biología celular bajo un microscopio, que pueden ser dañinas para las células humanas en grandes dosis.

Los hallazgos se informan en un nuevo artículo, titulado 'Imágenes Phonon en 3D con una sonda de fibra' publicado en la revista Nature, Light: Science & Applications.

El autor del artículo, Salvatore La Cavera, becario del Premio de Doctorado EPSRC del Grupo de Investigación de Óptica y Fotónica de la Universidad de Nottingham, dijo sobre el sistema de imágenes ultrasónicas: “Creemos que su capacidad para medir la rigidez de una muestra, su biocompatibilidad y su El potencial endoscópico, todo mientras se accede a la nanoescala, es lo que lo distingue. Estas características configuran la tecnología para futuras mediciones dentro del cuerpo; hacia el objetivo final de los diagnósticos en el punto de atención mínimamente invasivos ".

Actualmente en la etapa de prototipo, la herramienta de imágenes no invasiva, descrita por los investigadores como una "sonda de fonón", es capaz de insertarse en un endoscopio óptico estándar, que es un tubo delgado con una luz potente y una cámara en el extremo que es navegó por el cuerpo para encontrar, analizar y operar lesiones cancerosas, entre muchas otras enfermedades. La combinación de tecnologías ópticas y fonéticas podría resultar ventajosa; acelerar el proceso de flujo de trabajo clínico y reducir el número de procedimientos de prueba invasivos para los pacientes.

Capacidades de mapeo 3D

Del mismo modo que un médico puede realizar un examen físico para detectar una "rigidez" anormal en el tejido debajo de la piel que podría indicar tumores, la sonda del fonón llevará este concepto de "mapeo 3D" a un nivel celular.

Al escanear la sonda ultrasónica en el espacio, puede reproducir un mapa tridimensional de rigidez y características espaciales de estructuras microscópicas en y debajo de la superficie de una muestra (por ejemplo, tejido); lo hace con el poder de obtener imágenes de objetos pequeños como un microscopio a gran escala y el contraste para diferenciar objetos como una sonda ultrasónica.

“Se han realizado técnicas capaces de medir si una célula tumoral está rígida con microscopios de laboratorio, pero estas poderosas herramientas son engorrosas, inmóviles e inadaptables a entornos clínicos de cara al paciente. La tecnología ultrasónica a nanoescala con capacidad endoscópica está preparada para dar ese salto ”, añade Salvatore La Cavera.

Cómo funciona

El nuevo sistema de imágenes ultrasónicas utiliza dos láseres que emiten breves pulsos de energía para estimular y detectar vibraciones en una muestra. Uno de los pulsos de láser es absorbido por una capa de metal - un nano-transductor (que funciona convirtiendo energía de una forma a otra) - fabricada en la punta de la fibra; un proceso que da como resultado fonones de alta frecuencia (partículas de sonido) que se bombean al interior de la muestra. Luego, un segundo pulso láser choca con las ondas sonoras, un proceso conocido como dispersión de Brillouin. Al detectar estos pulsos de láser "colisionados", la forma de la onda de sonido en movimiento se puede recrear y mostrar visualmente.

La onda de sonido detectada codifica información sobre la rigidez de un material e incluso su geometría. El equipo de Nottingham fue el primero en demostrar esta capacidad dual utilizando láseres pulsados y fibras ópticas.

La potencia de un dispositivo de imágenes se mide típicamente por el objeto más pequeño que puede ser visto por el sistema, es decir, la resolución. En dos dimensiones, la sonda fonónica puede "resolver" objetos del orden de 1 micrómetro, similar a un microscopio; pero en la tercera dimensión (altura) proporciona mediciones en la escala de nanómetros, lo que no tiene precedentes para un sistema de imágenes de fibra óptica.

Aplicaciones futuras

En el artículo, los investigadores demuestran que la tecnología es compatible tanto con una sola fibra óptica como con las 10-20,000 fibras de un haz de imágenes (1 mm de diámetro), como se usa en los endoscopios convencionales.

En consecuencia, la resolución espacial superior y los campos de visión amplios se pueden lograr de forma rutinaria mediante la recopilación de información espacial y de rigidez de múltiples puntos diferentes en una muestra, sin necesidad de mover el dispositivo, lo que pone a su alcance una nueva clase de endoscopios fonónicos.

Más allá de la asistencia sanitaria clínica, campos como la fabricación de precisión y la metrología podrían utilizar esta herramienta de alta resolución para inspecciones de superficies y caracterización de materiales; una medida complementaria o sustitutiva de los instrumentos científicos existentes. Las tecnologías emergentes, como la bioimpresión 3D y la ingeniería de tejidos, también podrían utilizar la sonda fonona como una herramienta de inspección en línea integrándola directamente en el diámetro exterior de la aguja de impresión.

A continuación, el equipo desarrollará una serie de aplicaciones de imágenes biológicas de células y tejidos en colaboración con el Centro de Enfermedades Digestivas de Nottingham y el Instituto de Biofísica, Imágenes y Ciencias Ópticas de la Universidad de Nottingham; con el objetivo de crear una herramienta clínica viable en los próximos años.

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Más información está disponible de Salvatore La Cavera III en

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