Новая УЗИ-система, способная визуализировать аномальности клеток изнутри тела

Новая УЗИ-система, способная визуализировать аномальности клеток изнутри тела

07 May 2021
63
Прослушать

Ученые из Ноттингемского университета (Великобритания) разработали систему ультразвуковой визуализации, которая может быть развернута на кончике тонкого оптического волокна толщиной в человеческий волос и введена в человеческое тело для трехмерной визуализации клеточных аномалий.

Новая технология позволяет получать изображения микроскопического и наноскопического разрешения, которые в будущем помогут врачам исследовать клетки, обитающие в труднодоступных частях тела, таких как желудочно-кишечный тракт, и предложить более эффективную диагностику заболеваний - от рака желудка до бактериального менингита.

Эта технология снижает необходимость использования обычных флуоресцентных меток - химических веществ, используемых для изучения биологии клеток под микроскопом, - которые в больших дозах могут быть вредны для человека.

Информация об этой разработке была опубликована в журнале Nature, Light: Science & Applications.

В настоящее время это устройство, описанное исследователями как "фононный зонд", находится на стадии прототипа и может быть вставлено в стандартный оптический эндоскоп. Сочетание оптических и фононных технологий может быть выгодным - это позволяет ускорить клинический процесс и сократить количество инвазивных процедур тестирования для пациентов.

Подобно тому, как врач может провести физический осмотр, чтобы определить аномальную "жесткость" тканей под кожей, которая может указывать на опухоли, фононный зонд перенесет эту концепцию "трехмерного картирования" на клеточный уровень. Такое устройство может воспроизвести трехмерную карту жесткости и пространственных особенностей микроскопических структур на поверхности и под поверхностью образца (например, ткани). Зонд делает это как крупномасштабный микроскоп, обеспечивая контрастность для различения объектов, как ультразвуковой зонд.

Один из авторов исследования доктор Сальваторе Ла Каера говорит:

Методы, позволяющие измерить, является ли опухолевая клетка жесткой, были реализованы с помощью лабораторных микроскопов, но эти мощные инструменты громоздки, неподвижны и не приспособлены для клинических условий, в которых находятся пациенты. Наноразмерные ультразвуковые технологии в эндоскопическом качестве способны изменить эту ситуацию.

Новая система использует два лазера, которые излучают короткие импульсы энергии для стимулирования и обнаружения вибраций в образце. Один из лазерных импульсов поглощается слоем металла - нанопреобразователем (который работает путем преобразования энергии из одной формы в другую) - находящимся на кончике волокна. В результате этого процесса высокочастотные фононы (звуковые частицы) попадают в образец. Затем второй лазерный импульс сталкивается со звуковыми волнами - процесс, известный как бриллюэновское рассеяние**. Обнаружив эти "столкнувшиеся" лазерные импульсы, можно воссоздать форму движущейся звуковой волны и отобразить ее визуально. Обнаруженная звуковая волна кодирует информацию о жесткости материала и даже о его геометрии.

В двух измерениях фононный зонд может "видеть" объекты порядка 1 микрометра, подобно микроскопу, а в третьем измерении (высота) он обеспечивает измерения в масштабе нанометров, что является беспрецедентным для волоконно-оптической системы формирования изображений.

* Фонон - квазичастица, представляющая собой квант колебательного движения атомов кристалла. Фонон — элементарная порция звуковой энергии, подобно тому как фотон — элементарная порция световой (электромагнитной) энергии.

** Бриллюэновское рассеяние - рассеяние оптического излучения конденсированными средами в результате его взаимодействия с собственными упругими колебаниями этих сред.