世界上第一个用于未来纳米级疾病诊断的光纤超声成像探头

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概念图展示了声子探针系统对微观物体的 3D 映射。光纤的尖端包含金属层，并将红色激光投射到样本中（图片来源：Salvatore La Cavera 博士）

摘要：
诺丁汉大学的科学家们开发了一种超声波成像系统，该系统可以部署在一根头发丝细的光纤尖端上，并且可以插入人体以 3D 方式可视化细胞异常情况。

全球首个用于未来纳米级疾病诊断的光纤超声成像探头

英国诺丁汉 |发表于 30 年 2021 月 XNUMX 日

这项新技术产生的微观和纳米分辨率图像有朝一日将帮助临床医生检查居住在难以到达的身体部位（例如胃肠道）的细胞，并为从胃癌到细菌性脑膜炎等疾病提供更有效的诊断。

该技术提供的高水平性能目前只有在拥有大型科学仪器的最先进的研究实验室中才能实现，而这种紧凑的系统有潜力将其引入临床环境以改善患者护理。

工程与物理科学研究委员会 (EPSRC) 资助的创新还减少了对传统荧光标记（用于在显微镜下检查细胞生物学的化学物质）的需求，这种化学物质在大剂量时可能对人体细胞有害。

研究结果发表在《自然》杂志《光：科学与应用》上发表的一篇题为“使用光纤探针进行 3D 声子成像”的新论文中。

论文作者、诺丁汉大学光学与光子学研究小组的 EPSRC 博士奖研究员 Salvatore La Cavera 在谈到超声波成像系统时表示：“我们相信它能够测量样本的刚度、生物相容性以及内窥镜潜力，同时进入纳米尺度，是它与众不同的原因。这些功能为未来体内测量奠定了基础。实现微创即时诊断的最终目标。”

目前处于原型阶段，研究人员将这种非侵入性成像工具称为“声子探针”，能够插入标准光学内窥镜，该内窥镜是一根细管，末端带有强大的光线和摄像头，导航到体内以发现、分析和治疗癌性病变以及许多其他疾病。结合光学和声子技术可能会具有优势；加快临床工作流程并减少患者侵入性测试程序的数量。

3D 绘图功能

正如医生可能会进行身体检查以感觉皮下组织中是否存在异常“僵硬”（这可能表明存在肿瘤）一样，声子探针会将这种“3D 映射”概念带到细胞水平。

通过在空间中扫描超声波探头，它可以再现样本（例如组织）表面及其下方微观结构的刚度和空间特征的三维图；它能够像大型显微镜一样对小物体进行成像，并通过超声波探头等区分物体的对比度来实现这一点。

“能够测量肿瘤细胞是否僵硬的技术已经通过实验室显微镜实现，但这些强大的工具很笨重、不可移动，并且不适合面向患者的临床环境。内窥镜能力的纳米级超声波技术有望实现这一飞跃，”Salvatore La Cavera 补充道。

产品思路

新的超声波成像系统使用两个激光发射短能量脉冲来刺激和检测样本中的振动。其中一个激光脉冲被一层金属吸收——纳米换能器（其工作原理是将能量从一种形式转换为另一种形式）——制造在光纤的尖端；导致高频声子（声音粒子）被泵入样本的过程。然后第二个激光脉冲与声波碰撞，这一过程称为布里渊散射。通过检测这些“碰撞”的激光脉冲，可以重新创建并直观地显示行进声波的形状。

检测到的声波对有关材料的刚度甚至其几何形状的信息进行编码。诺丁汉团队是第一个使用脉冲激光和光纤展示这种双重功能的团队。

成像设备的功率通常通过系统可以看到的最小物体来测量，即分辨率。在二维中，声子探针可以“解析”1微米量级的物体，类似于显微镜；但在第三维（高度），它提供纳米级的测量，这对于光纤成像系统来说是前所未有的。

未来的应用

在论文中，研究人员证明该技术与传统内窥镜中使用的单根光纤和成像束（直径 10 毫米）的 20,000-1 根光纤兼容。

因此，通常可以通过从样本上的多个不同点收集刚度和空间信息来实现卓越的空间分辨率和宽视场，而无需移动设备，从而使新型声子内窥镜触手可及。

除了临床医疗保健之外，精密制造和计量等领域也可以使用这种高分辨率工具进行表面检查和材料表征；现有科学仪器的补充或替代测量。 3D 生物打印和组织工程等新兴技术也可以将声子探针直接集成到打印针的外径上，将其用作在线检查工具。

接下来，该团队将与诺丁汉消化疾病中心以及诺丁汉大学生物物理、成像和光学科学研究所合作开发一系列生物细胞和组织成像应用；目标是在未来几年创建一个可行的临床工具。

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