Sonde d’imagerie ultrasonique à fibre optique pour le diagnostic futur des maladies à l’échelle nanométrique – Technoguide

Des scientifiques de l’Université de Nottingham ont mis au point un système d’imagerie par ultrasons, qui peut être déployé sur la pointe d’une fibre optique très fine et qui sera insérable dans le corps humain pour visualiser les anomalies cellulaires en 3D.

La nouvelle technologie produit des images à résolution microscopique et nanoscopique qui aideront un jour les cliniciens à examiner les cellules habitant des parties du corps difficiles à atteindre, telles que le tractus gastro-intestinal, et offrent des diagnostics plus efficaces pour des maladies allant du cancer gastrique à la méningite bactérienne.

Le haut niveau de performance qu’offre la technologie n’est actuellement possible que dans des laboratoires de recherche de pointe dotés de grands instruments scientifiques – alors que ce système compact a le potentiel de l’intégrer dans des environnements cliniques pour améliorer les soins aux patients.

L’innovation financée par l’EPSRC (Engineering and Physical Sciences Research Council) réduit également le besoin d’étiquettes fluorescentes conventionnelles – des produits chimiques utilisés pour examiner la biologie cellulaire au microscope – qui peuvent être nocifs pour les cellules humaines à fortes doses.

Les résultats sont rapportés dans un nouvel article, intitulé «Imagerie Phonon en 3D avec une sonde à fibre», publié dans la revue Nature, Light: Science & Applications.

L’auteur de l’article, Salvatore La Cavera, boursier du prix de doctorat EPSRC de l’Université de Nottingham Optics and Photonics Research Group, a déclaré à propos du système d’imagerie par ultrasons: «Nous croyons qu’il est capable de mesurer la rigidité d’un spécimen, sa bio-compatibilité et son Le potentiel endoscopique, tout en accédant à l’échelle nanométrique, est ce qui le distingue. Ces caractéristiques préparent la technologie pour de futures mesures à l’intérieur du corps; vers l’objectif ultime de diagnostics au point de service minimalement invasifs. “

Actuellement au stade du prototype, l’outil d’imagerie non invasive, décrit par les chercheurs comme une «sonde phonon», est capable d’être inséré dans un endoscope optique standard, qui est un tube fin avec une lumière puissante et une caméra à la fin qui est ont navigué dans le corps pour trouver, analyser et opérer des lésions cancéreuses, parmi de nombreuses autres maladies. La combinaison des technologies optiques et phonons pourrait être avantageuse; accélérer le processus de flux de travail clinique et réduire le nombre de procédures de test invasives pour les patients.

Capacités de cartographie 3D

Tout comme un médecin peut effectuer un examen physique pour détecter une «raideur» anormale des tissus sous la peau qui pourrait indiquer des tumeurs, la sonde phonon amènera ce concept de «cartographie 3D» au niveau cellulaire.

En balayant la sonde ultrasonore dans l’espace, elle peut reproduire une carte tridimensionnelle de la rigidité et des caractéristiques spatiales des structures microscopiques au niveau et au-dessous de la surface d’un spécimen (par exemple un tissu); il le fait avec le pouvoir d’imaginer de petits objets comme un microscope à grande échelle, et le contraste pour différencier les objets comme une sonde à ultrasons.

“Des techniques capables de mesurer si une cellule tumorale est rigide ont été réalisées avec des microscopes de laboratoire, mais ces outils puissants sont encombrants, immobiles et inadaptés aux contextes cliniques des patients. La technologie ultrasonique à l’échelle nanométrique dans une capacité endoscopique est sur le point de faire ce saut, »ajoute Salvatore La Cavera.

Comment ça fonctionne

Le nouveau système d’imagerie par ultrasons utilise deux lasers qui émettent de courtes impulsions d’énergie pour stimuler et détecter les vibrations dans un échantillon. L’une des impulsions laser est absorbée par une couche de métal – un nano-transducteur (qui fonctionne en convertissant l’énergie d’une forme à une autre) – fabriquée à l’extrémité de la fibre; un processus qui entraîne le pompage de phonons à haute fréquence (particules sonores) dans l’échantillon. Puis une seconde impulsion laser entre en collision avec les ondes sonores, un processus connu sous le nom de diffusion de Brillouin. En détectant ces impulsions laser “en collision”, la forme de l’onde sonore itinérante peut être recréée et affichée visuellement.

L’onde sonore détectée code des informations sur la rigidité d’un matériau, voire sa géométrie. L’équipe de Nottingham a été la première à démontrer cette double capacité en utilisant des lasers pulsés et des fibres optiques.

La puissance d’un appareil d’imagerie est généralement mesurée par le plus petit objet visible par le système, c’est-à-dire la résolution. En deux dimensions, la sonde phonon peut “résoudre” des objets de l’ordre de 1 micromètre, comme un microscope; mais dans la troisième dimension (hauteur), il fournit des mesures à l’échelle du nanomètre, ce qui est sans précédent pour un système d’imagerie à fibre optique.

Applications futures

Dans l’article, les chercheurs démontrent que la technologie est compatible à la fois avec une seule fibre optique et les 10 à 20 000 fibres d’un faisceau d’imagerie (1 mm de diamètre), tel qu’utilisé dans les endoscopes conventionnels.

Par conséquent, une résolution spatiale supérieure et de larges champs de vision pourraient être systématiquement obtenus en collectant des informations sur la rigidité et l’espace à partir de plusieurs points différents sur un échantillon, sans avoir besoin de déplacer l’appareil – apportant une nouvelle classe d’endoscopes phonons à portée de main.

Au-delà de la santé clinique, des domaines tels que la fabrication de précision et la métrologie pourraient utiliser cet outil haute résolution pour les inspections de surface et la caractérisation des matériaux; une mesure complémentaire ou de remplacement pour les instruments scientifiques existants. Des technologies en plein essor telles que la bio-impression 3D et l’ingénierie tissulaire pourraient également utiliser la sonde phonon comme outil d’inspection en ligne en l’intégrant directement au diamètre extérieur de l’aiguille d’impression.

Ensuite, l’équipe développera une série d’applications d’imagerie biologique de cellules et de tissus en collaboration avec le Nottingham Digestive Diseases Center et l’Institut de biophysique, d’imagerie et de science optique de l’Université de Nottingham; dans le but de créer un outil clinique viable dans les années à venir.

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