Art conceptuel montrant la cartographie 3D d'objets microscopiques par le système de sonde à phonons. La fibre optique contient une couche métallique sur sa pointe et projette une lumière laser rouge dans l'échantillon. Crédit :Université de Nottingham
Des scientifiques de l'Université de Nottingham ont développé un système d'imagerie par ultrasons, qui peut être déployée sur la pointe d'une fibre optique aussi fine qu'un cheveu, et sera insérable dans le corps humain pour visualiser les anomalies cellulaires en 3D.
La nouvelle technologie produit des images de résolution microscopique et nanoscopique qui aideront un jour les cliniciens à examiner les cellules habitant les parties du corps difficiles à atteindre, comme le tractus gastro-intestinal, et offrir des diagnostics plus efficaces pour des maladies allant du cancer gastrique à la méningite bactérienne.
Le haut niveau de performance de la technologie n'est actuellement possible que dans des laboratoires de recherche de pointe avec de grands, instruments scientifiques, alors que ce système compact a le potentiel de l'intégrer dans les milieux cliniques pour améliorer les soins aux patients.
L'innovation financée par le Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) réduit également le besoin de marqueurs fluorescents conventionnels - 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 nouveau document, intitulé « Imagerie Phonon en 3D avec une sonde à fibre, " Publié dans Lumière :science et applications .
Auteur du papier Salvatore La Cavera, un boursier du prix de doctorat EPSRC du groupe de recherche en optique et photonique de l'Université de Nottingham, a déclaré à propos du système d'imagerie par ultrasons :« Nous pensons que sa capacité à mesurer la rigidité d'un échantillon, sa bio-compatibilité, et son potentiel endoscopique, tout en accédant à l'échelle nanométrique, sont ce qui le distingue. Ces caractéristiques préparent la technologie pour les futures mesures à l'intérieur du corps ; vers l'objectif ultime de diagnostics au point de service peu invasifs."
Actuellement au stade de prototype, l'outil d'imagerie non invasif, décrit par les chercheurs comme une "sonde à phonons, " est capable d'être inséré dans un endoscope optique standard, qui est un tube mince avec une lumière puissante et une caméra à la fin qui est navigué dans le corps pour trouver, analyser, et opérer des lésions cancéreuses, parmi de nombreuses autres maladies. La combinaison des technologies optiques et phononiques pourrait être avantageuse; accélérer le processus de flux de travail clinique et réduire le nombre de procédures de test invasives pour les patients.
(en haut) Images au microscope conventionnel de cellules biologiques modèles. (en bas) La sonde phonon reproduit des images 3D des objets (la couleur est la hauteur). Simultanément, la sonde a détecté des mesures liées à la rigidité qui sont représentées en vert sur l'image en haut à gauche. La barre d'écailles blanches mesure 10 micromètres de long. Crédit :Université de Nottingham
Capacités de cartographie 3D
Tout comme un médecin peut procéder à un examen physique pour détecter une « rigidité » anormale dans les tissus sous la peau qui pourrait indiquer des tumeurs, la sonde phonon portera ce concept de « cartographie 3D » au niveau cellulaire.
En balayant la sonde ultrasonore dans l'espace, il peut reproduire une carte tridimensionnelle de la rigidité et des caractéristiques spatiales des structures microscopiques à, et plus bas, la surface d'un échantillon (par exemple un tissu); il le fait avec le pouvoir d'imager 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, immobile, et inadaptés aux contextes cliniques orientés vers les patients. La technologie des ultrasons 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 Brillouin. En détectant ces impulsions laser "collées", la forme de l'onde sonore progressive peut être recréée et affichée visuellement.
L'onde sonore détectée code des informations sur la rigidité d'un matériau, et même 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 qui peut être vu 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, semblable à 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.
Le capteur d'imagerie à fibre optique a un diamètre de 125 micromètres, environ la taille d'un cheveu humain, montré pour la perspective contre un sou. Une image au microscope montre l'échelle réelle de l'appareil, et sa capacité à conduire la lumière. Crédit :Université de Nottingham
Applications futures
Dans le journal, les chercheurs démontrent que la technologie est compatible à la fois avec une seule fibre optique et la 10, 000 à 20, 000 fibres d'un faisceau d'imagerie (1 mm de diamètre), tel qu'il est utilisé dans les endoscopes conventionnels.
Par conséquent, une résolution spatiale supérieure et de larges champs de vision pourraient être obtenus de manière routinière 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, mettant ainsi à portée de main une nouvelle classe d'endoscopes à phonons.
Au-delà des soins de santé cliniques, des domaines tels que la fabrication de précision et la métrologie pourraient utiliser cet outil à haute résolution pour les inspections de surface et la caractérisation des matériaux ; une mesure complémentaire ou de remplacement pour les instruments scientifiques existants. Les technologies en plein essor telles que la bio-impression 3D et l'ingénierie tissulaire pourraient également utiliser la sonde à phonons comme outil d'inspection en ligne en l'intégrant directement au diamètre extérieur de l'aiguille d'impression.
Prochain, l'équipe développera une série d'applications d'imagerie biologique cellulaire et tissulaire en collaboration avec le Nottingham Digestive Diseases Center et l'Institute of Biophysics, Imagerie et sciences optiques à l'Université de Nottingham; dans le but de créer un outil clinique viable dans les années à venir.
