Världens första fiberoptiska Uasonic-avbildningssond för framtida sjukdomsdiagnostik i nanoskala

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

Hem > Presse > Världens första fiberoptiska ultraljudssond för framtida diagnostik av nanoskala

Konceptkonst som visar 3D-kartläggning av mikroskopiska föremål med fononsondsystemet. Den optiska fibern innehåller ett metallskikt på spetsen och projicerar rött laserljus in i provet CREDIT Dr Salvatore La Cavera

Sammanfattning:
Forskare vid University of Nottingham har utvecklat ett ultraljudssystem, som kan distribueras på spetsen av en hårtunn optisk fiber och kommer att kunna sättas in i människokroppen för att visualisera cellavvikelser i 3D.

Världens första fiberoptiska ultraljudssond för framtida diagnostik av nanoskala

Nottingham, Storbritannien | Upplagt den 30 april 2021

Den nya tekniken producerar mikroskopiska och nanoskopiska upplösningsbilder som en dag kommer att hjälpa kliniker att undersöka celler som bor i svåråtkomliga delar av kroppen, såsom mag-tarmkanalen, och erbjuda mer effektiva diagnoser för sjukdomar som sträcker sig från magcancer till bakteriell hjärnhinneinflammation.

Den höga prestandan som teknologin levererar är för närvarande endast möjlig i toppmoderna forskningslaboratorier med stora vetenskapliga instrument - medan detta kompakta system har potential att föra det in i kliniska miljöer för att förbättra patientvården.

Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) -finansierad innovation minskar också behovet av konventionella fluorescerande etiketter - kemikalier som används för att undersöka cellbiologi under ett mikroskop - som kan vara skadliga för mänskliga celler i stora doser.

Resultaten rapporteras i ett nytt papper med titeln 'Phonon imaging in 3D with a fiber probe' som publicerades i Nature-tidskriften Light: Science & Applications.

Pappersförfattare, Salvatore La Cavera, doktorandpris från EPSRC från University of Nottingham Optics and Photonics Research Group, sa om ultraljudssystemet: "Vi tror att dess förmåga att mäta styvheten hos ett prov, dess biokompatibilitet och dess endoskopisk potential, samtidigt som man får åtkomst till nanoskalan, är det som skiljer den ut. Dessa funktioner ställer in tekniken för framtida mätningar inuti kroppen; mot det slutgiltiga målet med minimalt invasiv vårddiagnostik. ”

För närvarande på prototypstadiet kan det icke-invasiva avbildningsverktyget, som beskrivs av forskarna som en "fononsond", kunna införas i ett standardoptiskt endoskop, vilket är ett tunt rör med ett kraftfullt ljus och en kamera i slutet som är navigerade in i kroppen för att hitta, analysera och operera cancerläkemedel, bland många andra sjukdomar. Att kombinera optisk och fononteknik kan vara fördelaktig; påskynda den kliniska arbetsflödesprocessen och minska antalet invasiva testförfaranden för patienter.

3D-kartläggningsmöjligheter

Precis som en läkare kan genomföra en fysisk undersökning för att känna för onormal 'styvhet' i vävnad under huden som kan indikera tumörer, kommer fononsonden att ta detta '3D-kartläggning' -koncept till en cellulär nivå.

Genom att skanna ultraljudssonden i rymden kan den återge en tredimensionell karta över styvhet och rumsliga egenskaper hos mikroskopiska strukturer vid och under ytan av ett prov (t.ex. vävnad); det gör det med kraften att avbilda små föremål som ett storskaligt mikroskop, och kontrasten för att differentiera objekt som en ultraljudssond.

”Tekniker som kan mäta om en tumörcell är stel har förverkligats med laboratoriemikroskop, men dessa kraftfulla verktyg är besvärliga, orörliga och inte anpassningsbara till patientinriktade kliniska miljöer. Ultraljudsteknik i nanoskala i en endoskopisk kapacitet är redo att göra det språnget, ”tillägger Salvatore La Cavera.

Hur det fungerar

Det nya ultraljudssystemet använder två lasrar som avger korta pulser av energi för att stimulera och detektera vibrationer i ett prov. En av laserpulserna absorberas av ett metallskikt - en nano-omvandlare (som fungerar genom att omvandla energi från en form till en annan) - tillverkad på fiberns spets; en process som resulterar i att högfrekventa fononer (ljudpartiklar) pumpas in i provet. Sedan kolliderar en andra laserpuls med ljudvågorna, en process som kallas Brillouinspridning. Genom att detektera dessa "kolliderade" laserpulser kan formen på den resande ljudvågen återskapas och visas visuellt.

Den detekterade ljudvågen kodar information om materialets styvhet och till och med dess geometri. Nottingham-teamet var först med att demonstrera denna dubbla kapacitet med hjälp av pulserade lasrar och optiska fibrer.

Kraften hos en bildanordning mäts vanligtvis av det minsta objekt som kan ses av systemet, dvs. upplösningen. I två dimensioner kan fononsonden "lösa" objekt i storleksordningen 1 mikrometer, liknar ett mikroskop; men i den tredje dimensionen (höjd) ger den mätningar på skalan av nanometer, vilket är oöverträffat för ett fiberoptiskt bildsystem.

Framtida applikationer

I tidningen visar forskarna att tekniken är kompatibel med både en enda optisk fiber och 10-20,000 1 fibrer i en bildbunt (XNUMX mm i diameter), som används i konventionella endoskop.

Följaktligen kunde överlägsen rumslig upplösning och breda synfält rutinmässigt uppnås genom att samla styvhet och rumslig information från flera olika punkter i ett prov utan att behöva flytta enheten - vilket ger en ny klass av fononendoskop inom räckhåll.

Utöver klinisk vård kan områden som precisionstillverkning och metrologi använda detta högupplösta verktyg för ytinspektioner och materialkarakterisering; en kompletterande eller ersättningsmätning för befintliga vetenskapliga instrument. Växande tekniker som 3D-biotryck och vävnadsteknik kan också använda fononsonden som ett integrerat inspektionsverktyg genom att integrera den direkt med trycknålens ytterdiameter.

Därefter kommer teamet att utveckla en serie biologiska cell- och vävnadsavbildningsapplikationer i samarbete med Nottingham Digestive Diseases Center och Institute of Biophysics, Imaging and Optical Science vid University of Nottingham; med målet att skapa ett livskraftigt kliniskt verktyg under de kommande åren.

# # #

####

Om University of Nottingham
University of Nottingham är ett forskningsintensivt universitet med ett stolt arv, som konsekvent rankas bland världens 100 bästa. Att studera vid University of Nottingham är en livsförändrande upplevelse och vi är stolta över att frigöra våra studerandes potential. Vi har en banbrytande anda, uttryckt i visionen av vår grundare Sir Jesse Boot, som har sett oss leda vägen för att etablera campus i Kina och Malaysia - en del av ett globalt anslutet nätverk av utbildning, forskning och industriellt engagemang. Universitetets toppmoderna faciliteter och sport- och inkluderingssporter återspeglas i dess status som The Times och Sunday Times Good University Guide 2021 Sports University of the Year. Vi rankas åttonde för forskningskraft i Storbritannien enligt REF 2014. Vi har sex ledare för forskningskunskap som hjälper till att förändra liv och förändra världen; Vi är också en stor arbetsgivare och branschpartner - lokalt och globalt. Vid sidan av Nottingham Trent University leder vi universitetet för Nottingham-initiativet, ett banbrytande samarbete som samlar de kombinerade styrkan och samhällsuppdragen från Nottinghams två universitet i världsklass och arbetar med lokala samhällen och partners för att hjälpa till med återhämtning och förnyelse efter COVID-19 pandemisk.

För mer information, klicka på här.

Kontaktpersoner:
Emma Lowry
44-011-584-67156

Mer information finns på Salvatore La Cavera III den

@UoNPressOffice

Om du har en kommentar, snälla Kontakta oss oss.

Emittenter av nyhetsmeddelanden, inte 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, är ensamma ansvariga för innehållets noggrannhet.

Bokmärke: