미래 나노 규모 질병 진단을 위한 세계 최초의 광섬유 Uasonic 이미징 프로브

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포논 프로브 시스템에 의한 미세한 물체의 3D 매핑을 보여주는 컨셉 아트. 광섬유는 끝 부분에 금속층이 포함되어 있으며 적색 레이저 광을 표본에 투사합니다. CREDIT Dr Salvatore La Cavera

요약 :
노팅엄 대학의 과학자들은 머리카락처럼 얇은 광섬유 끝에 배치 할 수있는 초음파 이미징 시스템을 개발했으며 인체에 삽입하여 세포 이상을 3D로 시각화 할 수 있습니다.

미래 나노 스케일 질병 진단을위한 세계 최초의 광섬유 초음파 이미징 프로브

노팅엄, 영국 | 게시일 : 30 년 2021 월 XNUMX 일

이 새로운 기술은 언젠가 임상의가 위장관과 같이 접근하기 어려운 신체 부위에 서식하는 세포를 검사하는 데 도움이 될 현미경 및 나노 해상도 이미지를 생성하고 위암에서 세균성 수막염에 이르는 질병에 대한보다 효과적인 진단을 제공 할 것입니다.

이 기술이 제공하는 높은 수준의 성능은 현재 대규모 과학 기기를 갖춘 최첨단 연구 실험실에서만 가능하지만이 소형 시스템은 환자 치료를 개선하기 위해 임상 환경으로 가져올 수있는 잠재력을 가지고 있습니다.

공학 및 물리 과학 연구위원회 (EPSRC)가 자금을 지원하는 혁신은 또한 대량으로 인간 세포에 해로울 수있는 현미경으로 세포 생물학을 검사하는 데 사용되는 화학 물질 인 기존 형광 라벨의 필요성을 줄여줍니다.

연구 결과는 Nature 저널 Light : Science & Applications에 게재 된 '섬유 프로브를 사용한 3D Phonon 이미징'이라는 제목의 새로운 논문에보고되고 있습니다.

노팅엄 대학교 광학 및 포토닉스 연구 그룹의 EPSRC 박사 상 연구원 인 논문 저자 Salvatore La Cavera는 초음파 이미징 시스템에 대해 다음과 같이 말했습니다.“우리는 표본의 강성, 생체 적합성 및 나노 스케일에 접근하는 동안 내시경 전위는이 모든 것을 구별합니다. 이러한 기능은 향후 신체 내부 측정을위한 기술을 설정합니다. 최소 침습적 현장 진단의 궁극적 인 목표를 향해.”

현재 프로토 타입 단계에서 연구자들이 "포논 프로브"라고 설명하는 비 침습적 이미징 도구는 강력한 빛과 카메라가있는 얇은 튜브 인 표준 광학 내시경에 삽입 할 수 있습니다. 다른 많은 질병 중에서도 암성 병변을 찾아 분석하고 수술하기 위해 신체를 탐색했습니다. 광학 기술과 포논 기술을 결합하면 유리할 수 있습니다. 임상 워크 플로우 프로세스의 속도를 높이고 환자를위한 침습적 테스트 절차의 수를 줄입니다.

3D 매핑 기능

의사가 종양을 나타낼 수있는 피부 아래 조직의 비정상적인 '경직'을 느끼기 위해 신체 검사를 수행 할 수있는 것처럼 포논 프로브는이 '3D 매핑'개념을 세포 수준으로 가져갑니다.

우주에서 초음파 탐침을 스캔함으로써 표본 (예 : 조직)의 표면과 그 아래에서 현미경 구조의 강성과 공간적 특징에 대한 XNUMX 차원 맵을 재현 할 수 있습니다. 이것은 대형 현미경과 같은 작은 물체를 이미지화하는 힘과 초음파 프로브와 같은 물체를 구별하기위한 대조로이를 수행합니다.

“종양 세포가 뻣뻣한지 측정 할 수있는 기술은 실험실 현미경으로 실현되었지만 이러한 강력한 도구는 번거롭고 움직이지 않으며 환자 대면 임상 환경에 적합하지 않습니다. 내시경 용량의 나노 스케일 초음파 기술은 그 도약을 할 준비가되어 있습니다.”라고 Salvatore La Cavera는 덧붙입니다.

전달 방법

새로운 초음파 이미징 시스템은 짧은 에너지 펄스를 방출하는 두 개의 레이저를 사용하여 표본의 진동을 자극하고 감지합니다. 레이저 펄스 중 하나는 섬유의 끝 부분에 제작 된 나노 변환기 (에너지를 한 형태에서 다른 형태로 변환) 인 금속 층에 의해 흡수됩니다. 고주파 포논 (사운드 입자)이 표본으로 펌핑되는 과정. 그런 다음 두 번째 레이저 펄스가 Brillouin 산란으로 알려진 과정 인 음파와 충돌합니다. 이러한 "충돌 된"레이저 펄스를 감지하여 진행하는 음파의 모양을 재현하고 시각적으로 표시 할 수 있습니다.

감지 된 음파는 재료의 강성에 대한 정보와 형상까지도 인코딩합니다. Nottingham 팀은 펄스 레이저와 광섬유를 사용하여 이러한 이중 기능을 최초로 시연했습니다.

이미징 장치의 파워는 일반적으로 시스템에서 볼 수있는 가장 작은 물체, 즉 해상도로 측정됩니다. 1 차원에서 phonon probe는 현미경과 유사하게 XNUMX 마이크로 미터 정도의 물체를 "분해"할 수 있습니다. 그러나 XNUMX 차원 (높이)에서는 나노 미터 단위의 측정 값을 제공합니다. 이는 광섬유 이미징 시스템에서 전례없는 수준입니다.

향후 애플리케이션

이 논문에서 연구원들은이 기술이 기존 내시경에서 사용되는 단일 광섬유 및 이미징 번들 (직경 10mm)의 20,000 ~ 1 섬유와 모두 호환된다는 것을 보여줍니다.

결과적으로, 장치를 이동할 필요없이 시료의 여러 지점에서 강성과 공간 정보를 수집하여 뛰어난 공간 해상도와 넓은 시야를 일상적으로 얻을 수 있으며 새로운 등급의 포논 내시경을 사용할 수 있습니다.

임상 의료 외에도 정밀 제조 및 계측과 같은 분야에서이 고해상도 도구를 표면 검사 및 재료 특성화에 사용할 수 있습니다. 기존 과학 기기에 대한 보완 또는 대체 측정. 3D 바이오 프린팅 및 조직 공학과 같은 급성장하는 기술은 포논 프로브를 프린트 바늘의 외경에 직접 통합하여 인라인 검사 도구로 사용할 수도 있습니다.

다음으로, 팀은 Nottingham Digestive Diseases Center 및 University of Nottingham의 생물 물리학, 영상 및 광학 과학 연구소와 협력하여 일련의 생물학적 세포 및 조직 이미징 애플리케이션을 개발할 것입니다. 향후 몇 년 동안 실행 가능한 임상 도구를 만드는 것을 목표로합니다.

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