Verdens første fiberoptiske Uasonic-bildesonde for fremtidig sykdomsdiagnostikk på nanoskala

Publisert av Platon

Følgere: 0

Hjemprodukt > Press > Verdens første fiberoptiske ultralydavbildningssonde for fremtidig sykdomsdiagnostikk i nanoskala

Konseptkunst som viser 3D-kartlegging av mikroskopiske objekter ved hjelp av fononsondesystemet. Den optiske fiberen inneholder et metalllag på spissen og projiserer rødt laserlys inn i prøven KREDITT Dr Salvatore La Cavera

Abstrakt:
Forskere ved University of Nottingham har utviklet et ultralydbildesystem, som kan settes ut på spissen av en hårtynn optisk fiber, og som kan settes inn i menneskekroppen for å visualisere celleavvik i 3D.

Verdens første fiberoptiske sonde for ultralyd for fremtidig diagnostikk av nanoskala sykdom

Nottingham, Storbritannia | Lagt ut 30. april 2021

Den nye teknologien produserer mikroskopiske og nanoskopiske oppløsningsbilder som en dag vil hjelpe klinikere med å undersøke celler som bor i vanskelig tilgjengelige deler av kroppen, slik som mage-tarmkanalen, og tilby mer effektive diagnoser for sykdommer som spenner fra magekreft til bakteriell meningitt.

Det høye ytelsesnivået teknologien leverer er foreløpig bare mulig i toppmoderne forskningslaboratorier med store, vitenskapelige instrumenter – mens dette kompakte systemet har potensial til å bringe det inn i kliniske omgivelser for å forbedre pasientbehandlingen.

Innovasjon finansiert av Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) reduserer også behovet for konvensjonelle fluorescerende etiketter – kjemikalier som brukes til å undersøke cellebiologi under et mikroskop – som kan være skadelige for menneskelige celler i store doser.

Funnene blir rapportert i en ny artikkel, med tittelen 'Phonon imaging in 3D with a fiber probe' publisert i Nature journal, Light: Science & Applications.

Papirforfatter, Salvatore La Cavera, en EPSRC doktorgradsstipendiat fra University of Nottingham Optics and Photonics Research Group, sa om ultralydbildesystemet: "Vi tror dets evne til å måle stivheten til en prøve, dens biokompatibilitet og dens endoskopisk potensial, alt mens du får tilgang til nanoskalaen, er det som skiller det. Disse funksjonene setter teknologien opp for fremtidige målinger inne i kroppen; mot det endelige målet om minimalt invasiv behandlingspunktdiagnostikk."

For tiden på prototypestadiet er det ikke-invasive bildeverktøyet, beskrevet av forskerne som en "fononprobe", i stand til å settes inn i et standard optisk endoskop, som er et tynt rør med et kraftig lys og kamera på enden som er navigerte inn i kroppen for å finne, analysere og operere på kreftlesjoner, blant mange andre sykdommer. Å kombinere optisk og fononteknologi kan være fordelaktig; fremskynde den kliniske arbeidsflytprosessen og redusere antall invasive testprosedyrer for pasienter.

3D-kartleggingsmuligheter

Akkurat som en lege kan utføre en fysisk undersøkelse for å føle etter unormal "stivhet" i vev under huden som kan indikere svulster, vil fononsonden ta dette "3D-kartleggingskonseptet" til et cellenivå.

Ved å skanne ultralydsonden i rommet, kan den reprodusere et tredimensjonalt kart over stivhet og romlige trekk ved mikroskopiske strukturer på og under overflaten av en prøve (f.eks. vev); den gjør dette med kraften til å avbilde små objekter som et storskala mikroskop, og kontrasten til å skille objekter som en ultralydsonde.

"Teknikker som er i stand til å måle om en svulstcelle er stiv, har blitt realisert med laboratoriemikroskoper, men disse kraftige verktøyene er tungvinte, ubevegelige og ikke kan tilpasses kliniske omgivelser som møter pasienter. Ultralydteknologi i nanoskala i endoskopisk kapasitet er klar til å ta det spranget, legger Salvatore La Cavera til.

Hvordan fungerer det

Det nye ultralydbildesystemet bruker to lasere som sender ut korte energipulser for å stimulere og oppdage vibrasjoner i en prøve. En av laserpulsene absorberes av et lag av metall – en nano-transduser (som fungerer ved å konvertere energi fra en form til en annen) – laget på tuppen av fiberen; en prosess som resulterer i at høyfrekvente fononer (lydpartikler) pumpes inn i prøven. Deretter kolliderer en andre laserpuls med lydbølgene, en prosess kjent som Brillouin-spredning. Ved å detektere disse "kolliderte" laserpulsene, kan formen på den bevegelige lydbølgen gjenskapes og vises visuelt.

Den detekterte lydbølgen koder for informasjon om stivheten til et materiale, og til og med dets geometri. Nottingham-teamet var det første som demonstrerte denne doble funksjonen ved å bruke pulserende lasere og optiske fibre.

Kraften til en bildebehandlingsenhet måles typisk av det minste objektet som kan ses av systemet, dvs. oppløsningen. I to dimensjoner kan fononsonden "løse" gjenstander i størrelsesorden 1 mikrometer, lik et mikroskop; men i den tredje dimensjonen (høyden) gir den målinger på nanometerskalaen, noe som er enestående for et fiberoptisk bildesystem.

Fremtidige applikasjoner

I artikkelen demonstrerer forskerne at teknologien er kompatibel med både en enkelt optisk fiber og de 10-20,000 1 fibrene i en bildebunt (XNUMX mm i diameter), som brukes i konvensjonelle endoskoper.

Følgelig kan overlegen romlig oppløsning og brede synsfelt rutinemessig oppnås ved å samle stivhet og romlig informasjon fra flere forskjellige punkter på en prøve, uten å måtte flytte enheten – noe som bringer en ny klasse av fononendoskoper innen rekkevidde.

Utover klinisk helsevesen, kan felt som presisjonsproduksjon og metrologi bruke dette høyoppløselige verktøyet for overflateinspeksjoner og materialkarakterisering; en komplementær eller erstatningsmåling for eksisterende vitenskapelige instrumenter. Voksende teknologier som 3D-bioprinting og vevsteknikk kan også bruke phonon-sonden som et inline-inspeksjonsverktøy ved å integrere den direkte i den ytre diameteren av printnålen.

Deretter vil teamet utvikle en serie med biologiske celle- og vevsavbildningsapplikasjoner i samarbeid med Nottingham Digestive Diseases Center og Institute of Biophysics, Imaging and Optical Science ved University of Nottingham; med mål om å skape et levedyktig klinisk verktøy i årene som kommer.

# # #

####

Om University of Nottingham
University of Nottingham er et forskningsintensivt universitet med en stolt arv, konsekvent rangert blant verdens 100 beste. Å studere ved University of Nottingham er en livsendrende opplevelse, og vi er stolte av å frigjøre potensialet til studentene våre. Vi har en pionerånd, uttrykt i visjonen til vår grunnlegger Sir Jesse Boot, som har sett oss lede an i etableringen av campus i Kina og Malaysia – en del av et globalt tilkoblet nettverk av utdanning, forskning og industrielt engasjement. Universitetets toppmoderne fasiliteter og tilbud om inkluderende og funksjonshemmede idretter gjenspeiles i statusen som The Times og Sunday Times Good University Guide 2021 Sports University of the Year. Vi er rangert som åttende for forskningskraft i Storbritannia i henhold til REF 2014. Vi har seks fyrtårn for fremragende forskning som hjelper til med å transformere liv og forandre verden; vi er også en stor arbeidsgiver og industripartner – lokalt og globalt. Ved siden av Nottingham Trent University leder vi Universities for Nottingham-initiativet, et banebrytende samarbeid som samler den kombinerte styrken og samfunnsoppdragene til Nottinghams to universiteter i verdensklasse og jobber med lokalsamfunn og partnere for å hjelpe til med utvinning og fornyelse etter COVID-19 pandemi.

For mer informasjon, klikk her.

Kontakter:
Emma Lowry
44-011-584-67156

Mer informasjon er tilgjengelig fra Salvatore La Cavera III på

@UoNPressOffice

Hvis du har en kommentar, vær så snill Kontakt oss.

Utstedere av nyhetsutgivelser, ikke 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, er alene ansvarlig for nøyaktigheten av innholdet.

Bokmerke: