Primera sonda de imágenes por ultrasonido de fibra óptica del mundo para el diagnóstico de enfermedades a nanoescala en el futuro

Científicos de la Universidad de Nottingham han desarrollado un sistema de imágenes por ultrasonido que se puede insertar en la punta de una fibra óptica delgada como un cabello e insertar en el cuerpo humano para revelar anomalías celulares en 3D.

La nueva tecnología crea imágenes de resolución microscópica y nanoscópica que algún día ayudarán a los médicos a examinar las células en partes del cuerpo de difícil acceso como el tracto gastrointestinal y proporcionar diagnósticos más efectivos para enfermedades que van desde el cáncer gástrico hasta la meningitis bacteriana.

Actualmente, el alto nivel de rendimiento de la tecnología solo es posible en laboratorios de investigación de vanguardia con grandes instrumentos científicos, mientras que este sistema compacto tiene el potencial de llevarlo a entornos clínicos para mejorar la atención al paciente.

La innovación, financiada por el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC), también reduce la necesidad de etiquetas fluorescentes convencionales (sustancias químicas utilizadas para estudiar la biología celular bajo un microscopio) que, en grandes dosis, pueden ser dañinas para las células humanas.

Los resultados se publicarán en un nuevo artículo titulado ‘Imágenes de fonones en 3D con una sonda de fibra‘publicado en Nature Journal, Light: Science & Applications.

“Creemos que la capacidad del sistema para medir la rigidez de una muestra, su biocompatibilidad y su potencial endoscópico al acceder a la nanoescala es lo que lo hace especial. Estas funciones preparan la tecnología para futuras mediciones en el cuerpo. hacia el objetivo final de los diagnósticos en el punto de atención mínimamente invasivos. ”

Actualmente en la etapa de prototipo, la herramienta de imágenes no invasiva, denominada por los investigadores como la “sonda de fonón”, se puede insertar en un endoscopio óptico estándar, que es un tubo delgado con una luz fuerte y una cámara en el extremo que se navega hacia el cuerpo. para encontrar, analizar y tratar lesiones cancerosas, entre otras cosas. La combinación de tecnologías ópticas y fonéticas podría resultar beneficiosa. Acelere el proceso de flujo de trabajo clínico y reduzca la cantidad de procedimientos de prueba invasivos para los pacientes.

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Imágenes de microscopio convencional de células modelo biológicas (arriba). La sonda de fonón reproduce imágenes en 3D de los objetos (el color es la altura). Al mismo tiempo, la sonda reconoció las mediciones relacionadas con la rigidez, que se muestran en verde en la parte superior izquierda (inferior). La barra de escala blanca tiene 10 micrómetros de largo.

Funciones de mapeo 3D

Así como un médico podría hacer un examen físico para encontrar una “rigidez” anormal de los tejidos debajo de la piel que podría indicar tumores, la sonda de fonón llevará este concepto de “mapeo 3-D” a un nivel celular.

Al escanear la sonda de ultrasonido en el espacio, se puede reproducir un mapa tridimensional de la rigidez y las características espaciales de las estructuras microscópicas sobre y debajo de la superficie de una muestra (por ejemplo, tejido). Lo hace con la capacidad de obtener imágenes de objetos pequeños como un microscopio grande y el contraste para distinguir objetos como una sonda de ultrasonido.

“Se han implementado técnicas con microscopios de laboratorio que pueden usarse para medir si una célula tumoral está rígida. Sin embargo, estas poderosas herramientas son engorrosas, inmóviles y no se adaptan a los entornos clínicos de los pacientes. La tecnología nanoscópica de ultrasonido con capacidad endoscópica está preparada para dar ese salto. ”

El sensor de imágenes de fibra óptica tiene 125 micrómetros de diámetro, aproximadamente el tamaño de un cabello humano, mostrado en perspectiva frente a un centavo. Una imagen de microscopio muestra la escala real del dispositivo y su capacidad para dirigir la luz.

Cómo funciona

El nuevo sistema de imágenes por ultrasonido utiliza dos láseres que emiten breves pulsos de energía para estimular y detectar vibraciones en una muestra. Uno de los pulsos de láser es absorbido por una capa de metal, un nano-transductor (que convierte la energía de una forma a otra), hecha en la punta de la fibra. Un proceso que hace que los fonones de alta frecuencia (partículas de sonido) se bombeen a la muestra. Luego, un segundo pulso láser choca con las ondas sonoras, un proceso conocido como dispersión de Brillouin. Al detectar estos pulsos de láser “colisionados”, la forma de la onda de sonido en movimiento puede restaurarse y mostrarse visualmente.

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La onda de sonido grabada codifica información sobre la rigidez de un material e incluso sobre su geometría. El equipo de Nottingham fue el primero en demostrar esta capacidad dual utilizando láseres pulsados ​​y fibras ópticas.

El rendimiento de un dispositivo de imágenes se mide típicamente por el objeto más pequeño que puede ser visto por el sistema, es decir, su resolución. En dos dimensiones, la sonda fonónica puede “resolver” objetos del orden de 1 micrómetro, similar a un microscopio. En la tercera dimensión (altura), sin embargo, proporciona mediciones en el rango nanométrico, lo que no tiene precedentes para un sistema de imágenes de fibra óptica.

Aplicaciones futuras

En su trabajo, los investigadores muestran que la tecnología es compatible tanto con una sola fibra óptica como con las 10 a 20.000 fibras de un haz de imágenes (1 mm de diámetro), como se utiliza en los endoscopios convencionales.

Por lo tanto, la resolución espacial superior y los campos de visión grandes podrían lograrse de forma rutinaria mediante la recopilación de información espacial y de rigidez de varios puntos diferentes en una muestra sin mover el dispositivo, con lo que una nueva clase de endoscopios fonónicos se encuentra dentro del alcance.

Más allá de la atención médica clínica, áreas como la fabricación de precisión y la metrología podrían utilizar esta herramienta de alta resolución para la inspección de superficies y la caracterización de materiales. una medida complementaria o de sustitución de los instrumentos científicos existentes. Las tecnologías emergentes, como la bioimpresión tridimensional y la ingeniería de tejidos, también podrían utilizar la sonda fonona como una herramienta de inspección en línea integrándola directamente en el diámetro exterior del cable de impresión.

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A continuación, el equipo trabajará con el Centro de Enfermedades Digestivas de Nottingham y el Instituto de Biofísica, Imágenes y Ciencias Ópticas de la Universidad de Nottingham para desarrollar una gama de aplicaciones de imágenes para células y tejidos biológicos. con el objetivo de crear una herramienta clínica viable en los próximos años.

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