ДАРЕМ, Северная Каролина - Исследователи в области фотоники и ультразвуковой инженерии из Университета Дьюка и Университета Джорджа Вашингтона совместно разработали оптический сканер, достаточно миниатюрный, чтобы его можно было вводить в тело, где его световые лучи когда-нибудь смогут обнаруживать аномалии, скрытые в стенах. толстой кишки, мочевого пузыря или пищевода.
Экспериментальное устройство, называемое "электростатическим микромашинным сканирующим зеркалом для оптической когерентной томографии", описано в статье, опубликованной 15 апреля 2003 года в исследовательском журнале Optics Letters. После того, как он будет одобрен для использования в больницах и клиниках, он предоставит новые возможности для эндоскопических процедур.
Используя крошечные электрически активированные искусственные мышечные волокна для вибрации покрытого золотом зеркала шириной всего около 2 миллиметров, прототип устройства излучает особый вид квази-лазера, который может не только сканировать внутренние поверхности органов, но и проникать прямо под них. поверхность.
Ключевыми исследователями в области миниатюризации являются Джейсон Зара, доцент инженерных и прикладных наук Университета Джорджа Вашингтона, и Стивен Смит, профессор биомедицинской инженерии в Инженерной школе Дьюка Пратта в Дареме, Северная Каролина
«Это новое устройство показало большие перспективы для новых диагностических приложений», - сказала Зара, бывшая аспирантка Смита в Университете Дьюка, которая является ведущим автором отчета Optics Letter. Соавторы включают Смита; Джозеф Изатт, адъюнкт-профессор биомедицинской инженерии Инженерной школы Дьюка Пратта; и бывший аспирант Изатта Сиаваш Язданфар и бывший научный сотрудник с докторской степенью К. Дивакар Рао.
Изатт, возглавляющий исследовательскую деятельность в области биофотоники в Центре фотоники и коммуникационных систем им.
Зара и Смит разработали и изготовили систему, включающую крошечное зеркало, которое вибрирует до 2000 раз в секунду на петлях шириной всего в 3 миллионных доли метра. Зеркало дрожит в ответ на действие более чем полумиллиона микроскопических энергоаккумулирующих конденсаторов, расположенных на параллельных полосах гибкого полиимида.
Это устройство действует как искусственная мускулатура, сказал Смит. «Когда на каждый из этих конденсаторов подается напряжение, они сжимаются. Это тянет зеркало вправо. Когда напряжение отключается, зеркало поворачивается обратно влево». Когда напряжение быстро включается и выключается, а зеркало вибрирует, луч света от оптоволоконного кабеля отражается на поверхности ткани в виде сканирующего рисунка. Это повторное сканирование создает оптические изображения внешних слоев тканей.
Искусственная мышца была изготовлена в MCNC, исследовательском институте микроэлектроники и компьютерных исследований Research Triangle Park, основанном штатом Северная Каролина. Зара и Смит также основали стартап Memscept, Inc., чтобы продавать исследования.
Идея использования света в качестве более глубокого зонда, называемая оптической когерентной томографией (ОКТ), впервые была предложена в Массачусетском технологическом институте, где Изат был научным сотрудником с докторской степенью. Он продолжал развивать эту концепцию, работая на факультете Университета Кейс Вестерн Резерв, прежде чем перешел в Дьюк.
«Стандартный эндоскоп дает врачу возможность увидеть внутренние поверхности полых органов с помощью белого света», - сказал Изатт. «Что делает OCT, так это смотрит глубже этих поверхностей.
«Он может заглянуть примерно на полтора миллиметра вглубь стенок органов», - добавил он. «Этого достаточно для обнаружения рака, такого как карциномы, которые растут вблизи поверхности тканей, пока они еще достаточно малы, чтобы их можно было полностью удалить. При нормальном взгляде врача на поверхность рак там не виден, но мы можем увидеть его с помощью ОКТ, потому что мы смотрим внутрь».
Изат признал, что световые волны не могут проникать в кожу так глубоко, как ультразвук, конкурирующая технология, которая использует звуковые волны для визуализации внутренних структур. С другой стороны, длина волны света намного короче длины волны звука. В результате «разрешение OCT намного выше», - сказал Изатт.
Вместо того, чтобы использовать белый свет обычной эндоскопии, эта версия ОКТ использует инфракрасный свет от лазерного диода, у которого отключена одна ключевая функция лазера. «Строго говоря, это не лазер, но он близок к тому, чтобы быть лазером», - сказал Изатт.
Хотя этот модифицированный «суперлюминесцентный диод» обладает лазерной «пространственной когерентностью», что означает, что его луч остается более сфокусированным, чем обычный свет, он не излучает свет одной цветовой частоты, как это могут делать полные лазеры.
Специальное сочетание характеристик позволяет исследователям ОКТ использовать его в интерферометрии. Интерферометрия - это метод создания визуальных изображений путем быстрого сканирования поверхностей светом с различной длиной волны и интерпретации обратных отражений с различной глубины.
Использование суперлюминесцентного диода с интерферометрией является «самой дешевой» формой ОКТ, сказал Изат. А сходство между этим методом светового сканирования и системами доставки ультразвука стимулировало естественное сотрудничество, добавил Смит, который является частью исследовательской программы Дьюка по ультразвуку.
Статья Optics Letters также включала результаты нескольких микромашинных ОКТ-сканирований биологических тканей. Один исследовал слизистую оболочку иссеченной толстой кишки свиньи. Второе сканирование исследовало роговицу и радужную оболочку вырезанного глаза свиньи. На третьем изображена нижняя сторона кончика человеческого пальца.
OCT в настоящее время имеет клиническое одобрение Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США только для сканирования сетчатки глаза, где эта процедура широко используется, сказал Изатт. Он также добавил, что его оценивают для различных возможных применений для визуализации желудочно-кишечного тракта, легких, мочевого пузыря, шейки матки и коронарных артерий..