Forskare vid University of Nottingham har utvecklat ett ultraljudsavbildningssystem, som kan placeras på spetsen av en hårtunn optisk fiber, och kommer att kunna införas i människokroppen för att visualisera cellavvikelser i 3D.

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

Den högsta prestandanivån som teknologin levererar är för närvarande endast möjlig för avancerade forskningslaboratorier med stora, vetenskapliga instrument - varvid 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 i mikroskop-som kan vara skadliga för mänskliga celler i stora doser.

Resultaten rapporteras i en ny tidning, med titeln "Phonon imaging in 3D with a fiber probe, "publicerad i Ljus:Vetenskap och applikationer .

Pappersförfattare Salvatore La Cavera, en EPSRC Doctoral Prize Fellow från University of Nottingham Optics and Photonics Research Group, sade om ultraljudsavbildningssystemet:"Vi tror dess förmåga att mäta styvheten hos ett prov, dess biokompatibilitet, och dess endoskopiska potential, allt medan du kommer åt nanoskala, är det som skiljer det åt. Dessa funktioner sätter tekniken för framtida mätningar inuti kroppen; mot det slutliga målet om minimalt invasiv vårddiagnostik. "

För närvarande i prototypstadiet, det icke-invasiva bildverktyget, beskrivs av forskarna som en "fononsond, "kan sättas in i ett standard optiskt endoskop, som är ett tunt rör med ett kraftfullt ljus och kamera i slutet som navigeras in i kroppen för att hitta, analysera, och operera cancerceller, bland många andra sjukdomar. Att kombinera optisk och fononteknologi kan vara fördelaktigt. påskynda den kliniska arbetsflödesprocessen och minska antalet invasiva testprocedurer för patienter.

3D -mappningsfunktioner

Precis som en läkare kan utföra en fysisk undersökning för att känna av onormal 'stelhet' i vävnad under huden som kan indikera tumörer, fononsonden tar detta 3D -kartläggningskoncept till mobilnivå.

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

"Tekniker som kan mäta om en tumörcell är stel har förverkligats med laboratoriemikroskop, men dessa kraftfulla verktyg är besvärliga, orörlig, och kan inte anpassas till patientens kliniska inställningar. Nanoskala ultraljudsteknik i en endoskopisk kapacitet är redo att göra det språnget, "tillägger Salvatore La Cavera.

Hur det fungerar

Det nya ultraljudsavbildningssystemet använder två lasrar som avger korta energipulser för att stimulera och detektera vibrationer i ett prov. En av laserpulserna absorberas av ett metallskikt-en nanotransducer (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. Då kolliderar en andra laserpuls med ljudvågorna, en process som kallas Brillouin -spridning. Genom att upptäcka dessa "kolliderade" laserpulser, formen på den resande ljudvågen kan återskapas och visas visuellt.

Den detekterade ljudvågen kodar information om ett materials styvhet, och till och med dess geometri. Nottingham-teamet var det första som demonstrerade denna dubbla förmåga med pulserande lasrar och optiska fibrer.

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

Framtida applikationer

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

Följaktligen, överlägsen rumsupplösning och breda synfält kan rutinmässigt uppnås genom att samla in styvhet och rumslig information från flera olika punkter på ett prov, utan att behöva flytta enheten - vilket ger en ny klass med fononendoskop inom räckhåll.

Utöver klinisk vård, områden som precisionstillverkning och metrologi kan använda detta högupplösta verktyg för ytinspektioner och materialkarakterisering; en kompletterande eller ersättande mätning för befintliga vetenskapliga instrument. Sprudlande teknik som 3D-bioutskrift och mjukpappersteknik kan också använda fononsonden som ett inline-inspektionsverktyg genom att integrera den direkt med trycknålens ytterdiameter.

Nästa, teamet kommer 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 syftet att skapa ett livskraftigt kliniskt verktyg under de kommande åren.