WEST LAFAYETTE, Ind. - Ученые Университета Пердью, разрабатывающие новую технологию визуализации, создали первые в мире «визуальные пролеты» живой опухоли.
Техника, в которой используются лазеры, голограммы и специальные детекторы, обещает новый вид медицинской визуализации, основанный на свете, а не на рентгеновских лучах, повреждающих ткани, сказал Дэвид Нолти, профессор физики в Purdue.
Его исследовательская группа недавно использовала новую технику, называемую оптической когерентной визуализацией, чтобы снять на видео внутреннюю часть раковой опухоли крысы.
«Это первый случай, когда кто-либо сделал голографический пролет живой опухоли», - сказал Нольте.
Опухоль не просматривали внутри крысы, а культивировали и поддерживали в живых в питательной среде.
Оптическая когерентная визуализация предлагает множество возможных применений, включая диагностическую визуализацию в медицине и промышленности. Этот метод может позволить ученым изучать поведение живых опухолей в режиме реального времени и даже то, как они реагируют на экспериментальные препараты.
«Это доказательство концепции», - сказал Нольте. «Это самые первые изображения такого рода».
Выводы работы будут подробно изложены в устном докладе, который будет представлен 23 мая во время конференции по лазерам и электрооптике в Лонг-Бич, Калифорния. Пердью, который написал статью вместе с Нолти, аспиранткой Мирелой Мустатой, Джоном Туреком, профессором фундаментальных медицинских наук, все из Пердью, и П. М. В. Френч, физик из Имперского колледжа науки, технологий и медицины в Лондоне.
Критическое значение для оптической когерентности изображения имеет полупроводниковая голографическая пленка, разработанная командой. Многие другие технологии визуализации требуют, чтобы образцы, такие как опухоли, были специально подготовлены и разрезаны на части для исследования, убивая ткань.
Благодаря оптической когерентной визуализации будущие медицинские исследователи могут использовать джойстик для интерактивного просмотра живых тканей, таких как внутренняя структура опухоли.
«Вы можете использовать джойстик, чтобы летать вперед и назад через опухоль», - сказал Нолте. «Если вы видите какую-то структуру, на которую стоит обратить внимание, вы можете сделать резервную копию в режиме реального времени и пройтись по секции опухоли».
Новая техника визуализации стала возможной благодаря лазерам и специальным «динамическим голографическим пленкам» - самым чувствительным из подобных пленок в мире - которые были разработаны в лаборатории Нольте с тех пор, как он десять лет назад пришел в Пердью из Bell Labs..
Когда два пересекающихся лазерных луча освещают пленку, создаются голографические изображения.
«Это голографическая пленка, которая адаптивна, постоянно меняется, корректируется и перемещается в реальном времени», - сказал Нольте. «Это не статическая голограмма, которую можно увидеть на обложке журнала.
"Эти голограммы приспосабливаются к меняющимся условиям освещения и изменяющейся информации, которую несут лазерные лучи. Вся эта когерентная информация сохраняется из света, так что она выглядит трехмерной. исходящий от исходного объекта."
Пленка сочетается с серией линз и зеркал, действуя как фильтр, который отвергает обычный, «рассеянный свет» и пропускает только «когерентный» лазерный свет, необходимый для создания изображений.
«Я могу взять фонарик в темноте, поднести его к руке, и вся моя рука засветится красным», - сказал Нольте. «Но я вообще не вижу костей, хотя кости находятся прямо под кожей».
Причина в том, что большая часть света считается рассеянной, что означает, что это беспорядок многочисленных отдельных световых путей, которые не проходят прямо через руку.
«Появляющийся свет подобен ряби, создаваемой целой горстью камней, брошенных одновременно в пруд», - сказал Нольте. «Рябь набегает друг на друга, образуя хаотичную смесь неравномерно расположенных волн».
Однако, используя лазеры, можно найти световые пути, которые проходят прямо через объект.
«В обычном свете миллиарды атомов излучают световые единицы, называемые фотонами, и все фотоны находятся в случайном беспорядке», - сказал Нольте. «Лазер не такой. Все атомы в лазере взаимодействуют друг с другом, и все они в основном идут в ногу».
Лазеры излучают «когерентный свет», который можно сравнить с рябью, создаваемой всего лишь одним камнем, брошенным в пруд. Рябь или световые волны от лазера равномерно разнесены и движутся в унисон.
Но большинство детекторов света, включая человеческий глаз и обычные видеокамеры, не обнаруживают когерентный свет, ограничение, которое можно преодолеть с помощью голографической пленки. Пленка чувствительна к когерентному свету.
Голографическая пленка в данном случае состоит из чередующихся слоев двух материалов, арсенида галлия и арсенида галлия алюминия. Эти материалы, полупроводники, подобные тем, которые используются для изготовления лазеров для проигрывателей компакт-дисков, образуют 200-слойную пленку. Каждый слой имеет толщину 8 нанометров, что на самом деле меньше длины волны электрона в материале. Принуждение электронов двигаться через такие тонкие слои улучшает оптические свойства пленки и делает ее более эффективной при обнаружении когерентного света.
Команда Purdue использовала эту технику для получения видеоизображений внутри крошечной опухоли, формы рака, называемой остеогенной саркомой, которая поражает кости и соединительные ткани. Опухоль была размером с небольшую горошину.
«Одним из преимуществ этого метода является то, что мы можем изучать опухоли, не разрывая их на части», - сказал Нольте. «Это важно, потому что, когда вы разрываете их на части, вы убиваете их, что меняет их физиологию».
Исследование финансируется Национальным институтом здравоохранения. Конференция, известная как CLEO, считается одним из самых важных международных собраний исследователей в области лазеров и оптоэлектроники, объединяющих оптику и электронику. CLEO спонсируется Американским физическим обществом, Американским оптическим обществом, Институтом инженеров по электротехнике и электронике и Обществом лазеров и электрооптики.
Нольте сказал, что был приятно удивлен результатами исследования.
«Существует множество причин, по которым это никогда не должно было быть возможным, и всего несколько причин, по которым, возможно, это было возможно», - сказал он. «Но, конечно же, я никогда не говорил об этом своему постдоку.
"И это сработало."