Gli scienziati dell'Università di Nottingham hanno sviluppato un sistema di imaging a ultrasuoni, che può essere distribuito sulla punta di una fibra ottica sottilissima, e sarà inseribile nel corpo umano per visualizzare anomalie cellulari in 3D.

La nuova tecnologia produce immagini a risoluzione microscopica e nanoscopica che un giorno aiuteranno i medici a esaminare le cellule che abitano parti del corpo difficili da raggiungere, come il tratto gastrointestinale, e offrono diagnosi più efficaci per malattie che vanno dal cancro gastrico alla meningite batterica.

L'alto livello di prestazioni che la tecnologia offre attualmente possibili solo laboratori di ricerca all'avanguardia con grandi, strumenti scientifici, mentre questo sistema compatto ha il potenziale per portarlo in contesti clinici per migliorare la cura del paziente.

L'innovazione finanziata dall'Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) riduce anche la necessità di etichette fluorescenti convenzionali, sostanze chimiche utilizzate per esaminare la biologia cellulare al microscopio, che possono essere dannose per le cellule umane in grandi dosi.

I risultati sono stati riportati in un nuovo documento, intitolato "Imaging phono in 3D con una sonda in fibra, " pubblicato in Luce:scienza e applicazioni .

Autore della carta Salvatore La Cavera, un borsista del premio di dottorato EPSRC dell'Università di Nottingham Optics and Photonics Research Group, ha detto del sistema di imaging ad ultrasuoni:"Crediamo che la sua capacità di misurare la rigidità di un campione, la sua biocompatibilità, e il suo potenziale endoscopico, il tutto mentre si accede alla nanoscala, sono ciò che lo distingue. Queste caratteristiche impostano la tecnologia per misurazioni future all'interno del corpo; verso l'obiettivo finale della diagnostica point-of-care minimamente invasiva".

Attualmente in fase di prototipo, lo strumento di imaging non invasivo, descritta dai ricercatori come una "sonda fononica, " è in grado di essere inserito in un endoscopio ottico standard, che è un tubo sottile con una luce potente e una fotocamera all'estremità che viene navigato nel corpo per trovare, analizzare, e operare su lesioni cancerose, tra tante altre malattie. La combinazione di tecnologie ottiche e fononiche potrebbe essere vantaggiosa; accelerando il processo del flusso di lavoro clinico e riducendo il numero di procedure di test invasive per i pazienti.

Funzionalità di mappatura 3D

Proprio come un medico potrebbe condurre un esame fisico per sentire una "rigidità" anormale nel tessuto sottocutaneo che potrebbe indicare tumori, la sonda fononica porterà questo concetto di "mappatura 3D" a livello cellulare.

Scansionando la sonda ultrasonica nello spazio, può riprodurre una mappa tridimensionale della rigidità e delle caratteristiche spaziali di strutture microscopiche a, e sotto, la superficie di un campione (es. tessuto); lo fa con il potere di visualizzare piccoli oggetti come un microscopio su larga scala, e il contrasto per differenziare gli oggetti come una sonda ultrasonica.

"Tecniche in grado di misurare se una cellula tumorale è rigida sono state realizzate con microscopi da laboratorio, ma questi potenti strumenti sono ingombranti, immobile, e inadatto alle impostazioni cliniche rivolte al paziente. La tecnologia ultrasonica su nanoscala in una capacità endoscopica è pronta a fare quel salto, " aggiunge Salvatore La Cavera.

Come funziona

Il nuovo sistema di imaging a ultrasuoni utilizza due laser che emettono brevi impulsi di energia per stimolare e rilevare le vibrazioni in un campione. Uno degli impulsi laser viene assorbito da uno strato di metallo – un nano-trasduttore (che funziona convertendo energia da una forma all'altra) – fabbricato sulla punta della fibra; un processo che fa sì che i fononi ad alta frequenza (particelle sonore) vengano pompati nel campione. Quindi un secondo impulso laser si scontra con le onde sonore, un processo noto come diffusione di Brillouin. Rilevando questi impulsi laser "in collisione", la forma dell'onda sonora in viaggio può essere ricreata e visualizzata visivamente.

L'onda sonora rilevata codifica informazioni sulla rigidità di un materiale, e anche la sua geometria. Il team di Nottingham è stato il primo a dimostrare questa doppia capacità utilizzando laser pulsati e fibre ottiche.

La potenza di un dispositivo di imaging è in genere misurata dall'oggetto più piccolo che può essere visto dal sistema, cioè la risoluzione. In due dimensioni la sonda fononica può "risolvere" oggetti dell'ordine di 1 micrometro, simile a un microscopio; ma nella terza dimensione (altezza) fornisce misure sulla scala dei nanometri, che è senza precedenti per un sistema di imaging in fibra ottica.

Applicazioni future

Nella carta, i ricercatori dimostrano che la tecnologia è compatibile sia con una singola fibra ottica che con la 10, 000 a 20, 000 fibre di un fascio di immagini (1 mm di diametro), utilizzato negli endoscopi convenzionali.

Di conseguenza, una risoluzione spaziale superiore e ampi campi visivi potrebbero essere raggiunti regolarmente raccogliendo rigidità e informazioni spaziali da più punti diversi su un campione, senza dover spostare il dispositivo, portando a portata di mano una nuova classe di endoscopi fononici.

Oltre l'assistenza sanitaria clinica, campi come la produzione di precisione e la metrologia potrebbero utilizzare questo strumento ad alta risoluzione per le ispezioni superficiali e la caratterizzazione dei materiali; una misurazione complementare o sostitutiva degli strumenti scientifici esistenti. Tecnologie fiorenti come la bio-stampa 3D e l'ingegneria dei tessuti potrebbero anche utilizzare la sonda fononica come strumento di ispezione in linea integrandola direttamente al diametro esterno dell'ago di stampa.

Prossimo, il team svilupperà una serie di applicazioni di imaging biologico di cellule e tessuti in collaborazione con il Nottingham Digestive Diseases Center e l'Institute of Biophysics, Scienze dell'immagine e dell'ottica presso l'Università di Nottingham; con l'obiettivo di creare un valido strumento clinico nei prossimi anni.