Cientistas da Universidade de Nottingham desenvolveram um sistema de imagem ultrassônica, que pode ser implantado na ponta de uma fibra óptica fina como um cabelo, e será inserido no corpo humano para visualizar anormalidades celulares em 3D.

A nova tecnologia produz imagens microscópicas e nanoscópicas de resolução que um dia ajudarão os médicos a examinar as células que habitam partes do corpo de difícil acesso, como o trato gastrointestinal, e oferecem diagnósticos mais eficazes para doenças que vão do câncer gástrico à meningite bacteriana.

O alto nível de desempenho que a tecnologia oferece atualmente só é possível em laboratórios de pesquisa de última geração com grandes, instrumentos científicos - sendo que este sistema compacto tem o potencial de trazê-lo para ambientes clínicos para melhorar o atendimento ao paciente.

A inovação financiada pelo Conselho de Pesquisa de Ciências Físicas e Engenharia (EPSRC) também reduz a necessidade de rótulos fluorescentes convencionais - produtos químicos usados ​​para examinar a biologia celular em um microscópio - que podem ser prejudiciais às células humanas em grandes doses.

As descobertas estão sendo relatadas em um novo jornal, intitulado "Imagens do Phonon em 3D com uma sonda de fibra, " publicado em Light:Ciência e Aplicações .

Salvatore La Cavera, autor do artigo um bolsista do Prêmio EPSRC de Doutorado do Grupo de Pesquisa em Óptica e Fotônica da Universidade de Nottingham, disse sobre o sistema de imagem ultrassônica:"Acreditamos na capacidade de medir a rigidez de uma amostra, sua biocompatibilidade, e seu potencial endoscópico, tudo isso enquanto acessa a nanoescala, são o que o diferenciam. Esses recursos configuram a tecnologia para futuras medições dentro do corpo; em direção ao objetivo final de diagnósticos de ponto de atendimento minimamente invasivos. "

Atualmente em fase de protótipo, a ferramenta de imagem não invasiva, descrito pelos pesquisadores como uma "sonda de fônon, "é capaz de ser inserido em um endoscópio óptico padrão, que é um tubo fino com uma luz poderosa e uma câmera na extremidade que é navegada para dentro do corpo para encontrar, analisar, e operar em lesões cancerosas, entre muitas outras doenças. Combinar tecnologias óticas e de fônon pode ser vantajoso; acelerando o processo de fluxo de trabalho clínico e reduzindo o número de procedimentos de teste invasivos para os pacientes.

Recursos de mapeamento 3D

Assim como um médico pode realizar um exame físico para sentir a "rigidez" anormal no tecido sob a pele que pode indicar tumores, a sonda de fônon levará este conceito de 'mapeamento 3D' a um nível celular.

Ao escanear a sonda ultrassônica no espaço, pode reproduzir um mapa tridimensional de rigidez e características espaciais de estruturas microscópicas em, e abaixo, a superfície de uma amostra (por exemplo, tecido); faz isso com o poder de criar imagens de pequenos objetos, como um microscópio de grande escala, e o contraste para diferenciar objetos como uma sonda ultrassônica.

"Técnicas capazes de medir se uma célula tumoral é rígida foram realizadas com microscópios de laboratório, mas essas ferramentas poderosas são pesadas, imóvel, e não adaptável a ambientes clínicos voltados para o paciente. A tecnologia ultrassônica em nanoescala com capacidade endoscópica está pronta para dar esse salto, "acrescenta Salvatore La Cavera.

Como funciona

O novo sistema de imagem ultrassônica usa dois lasers que emitem pulsos curtos de energia para estimular e detectar vibrações em uma amostra. Um dos pulsos de laser é absorvido por uma camada de metal - um nanotransdutor (que funciona convertendo energia de uma forma em outra) - fabricada na ponta da fibra; um processo que resulta em fônons de alta frequência (partículas sonoras) sendo bombeados para o espécime. Em seguida, um segundo pulso de laser colide com as ondas sonoras, um processo conhecido como espalhamento de Brillouin. Ao detectar esses pulsos de laser "colididos", a forma da onda sonora viajante pode ser recriada e exibida visualmente.

A onda sonora detectada codifica informações sobre a rigidez de um material, e até mesmo sua geometria. A equipe de Nottingham foi a primeira a demonstrar essa capacidade dupla usando lasers pulsados ​​e fibras ópticas.

O poder de um dispositivo de imagem é normalmente medido pelo menor objeto que pode ser visto pelo sistema, ou seja, a resolução. Em duas dimensões, a sonda de fônon pode "resolver" objetos da ordem de 1 micrômetro, semelhante a um microscópio; mas na terceira dimensão (altura) fornece medições na escala de nanômetros, o que é sem precedentes para um sistema de imagem de fibra óptica.

Aplicações futuras

No papel, os pesquisadores demonstram que a tecnologia é compatível com uma única fibra óptica e com 10, 000 a 20, 000 fibras de um feixe de imagem (1 mm de diâmetro), como usado em endoscópios convencionais.

Consequentemente, resolução espacial superior e amplos campos de visão podem ser rotineiramente alcançados por meio da coleta de rigidez e informações espaciais de vários pontos diferentes em uma amostra, sem a necessidade de mover o dispositivo - trazendo uma nova classe de endoscópios de fônon ao seu alcance.

Além da saúde clínica, campos como manufatura de precisão e metrologia podem usar esta ferramenta de alta resolução para inspeções de superfície e caracterização de materiais; uma medida complementar ou de substituição para instrumentos científicos existentes. Tecnologias em expansão, como bioimpressão 3D e engenharia de tecidos, também podem usar a sonda de fônon como uma ferramenta de inspeção em linha, integrando-a diretamente ao diâmetro externo da agulha de impressão.

Próximo, a equipe desenvolverá uma série de aplicações de imagem biológica de células e tecidos em colaboração com o Nottingham Digestive Diseases Center e o Institute of Biophysics, Imaging and Optical Science na University of Nottingham; com o objetivo de criar uma ferramenta clínica viável nos próximos anos.