光学和光子学

光子让世界更健康

字号+ 作者:admin 来源:小丑鱼-分享科普知识 2019-11-02 16:59

医疗设备市场受到严格监管,产品开发周期长,并且需要获得监管机构批准的广泛程序。这些特征使公司和研究团队将实验室创新转化为临床实践具有挑战性。位于英国Sedgefield 的CPI(过程创新中心)的一部分,National Healthcare Photonics Center 旨在通过为基于光的工具来诊断和治疗疾病的开发人员提供实际支持来

  

光子让世界更健康

 

  医疗设备市场受到严格监管,产品开发周期长,并且需要获得监管机构批准的广泛程序。这些特征使公司和研究团队将实验室创新转化为临床实践具有挑战性。位于英国Sedgefield 的CPI(过程创新中心)的一部分,National Healthcare Photonics Center 旨在通过为基于光的工具来诊断和治疗疾病的开发人员提供实际支持来简化此翻译过程。在2019年3月中心开幕当天,我与CPI的医疗光子学负责人Tom Harvey谈了计划。

  光子学在医疗领域有哪些关键的新兴应用?

  就商业重要性和当今临床应用而言,CT扫描排在第一位。人们并不总是将X射线视为光子学的一部分,但对我们而言,它们是。就硬件设计而言,CT扫描是一种相对成熟的技术,但是在分析其产生的图像时,尤其是在图像分析中使用人工智能(AI)方面,仍需要进行大量工作。放射照相术可能是AI发挥作用的最先进的临床领域。

  我要提到的下一个技术是光学相干断层扫描(OCT)。OCT的重要性不可低估。它在眼科学中用于检查眼睛的后部和前部,并且最近的发展正在以类似于显微镜历史上较早发展的方式延长其景深。我们从普通的2D显微镜开始,现在一切都以3D进行,使用更长波长的光进入组织。OCT和其他类型的成像的组合也非常强大,特别是对于体内成像。您可以用导管插入OCT仪器,将其放置在体内,然后将该信息与荧光成像相结合,以查看例如动脉壁和组织类型。或者您可能会检查肠子中是否有肿瘤通过向患者提供要消耗的荧光分子,该荧光分子粘在肠壁非正常组织的那些部分上,然后进去看看。

  使用不同的激光和激光技术进行医疗保健也有一些有趣的进展。医用激光器本身占据着不断增长的市场领域。这些激光器类型(例如:: YAG激光器)设计用于在由于组织中的水引起的吸收很高的波长下工作,因此组织吸收了激光能量并被消融。但是它们相对较大且昂贵,因此创新重点在于制造更紧凑或成本更低的激光源,或扩展不同波长的可用激光源范围。那就是诸如量子级联激光器(用于中红外波长)之类的设备以及将激光频率向上或向下转换的技术的地方。

  值得一提的是,光纤激光器在医疗应用中也非常重要,因为在1-3 µm的波长范围内可以获得高功率和高光束质量。另外,正在开发用于将激光传送给患者的改进方法。例如,赫瑞瓦特大学(Heriot-Watt University)与利兹大学(University of Leeds)的研究人员合作,正在使用超短脉冲激光在手术中进行组织切除,正在开展这项工作。短脉冲激光的优点之一是避免加热效应,因此您可以得到非常干净的手术刀切口,而不会烧灼或损坏周围组织。

  医疗光子学的另一个大领域是拉曼成像。大型的,基于研究的拉曼显微镜系统已经存在了一段时间,但是直到最近,才不可能通过光纤进行拉曼光谱成像,因为您会从光纤本身中激发太多的拉曼信号。现在,由于空心纤维的新发展,您可以将纤维指向人体中的某处,然后说:“因为我看到了这种标记物,或者该组织产生了不同类型的拉曼光谱,所以它必须处于该技术已经取得了很大进步,但仍有改进的空间。由于拉曼散射的横截面非常小,因此散射的光子很少,因此您需要非常灵敏的系统来检测它们-特别是如果您尝试实时成像,因此,您可以使用拉曼信号来指导手术期间要切除的组织。实时拉曼成像将需要改进电子设备和更好的光信号处理。

  因此,我们看到了围绕诊断成像和治疗的一些主题,但是老实说,我永远不知道客户走进门将要什么。

  CPI将如何帮助将实验室设备转变为商业产品?

  我们可以提供各种协助。首先,需要有一个想要与我们合作的实体–通常是一家分拆公司或其他一些想要提出创意的商业实体,有时是一个学术研究小组。我们不希望自己开发产品。我们不是企业;我们是一个独立的非营利组织,因此推动这一过程的不是我们自己。取而代之的是,客户来找我们,我们问他们要把他们的想法变成产品需要什么。可能是他们的概念很好,设计也是如此,但是他们不知道真正产品的所有零件都来自哪里,或者他们不知道最佳的组装方法是什么。我们的想法是提供支持。

  我们还可以做更深入的事情,例如检查客户的光学设计或与他们合作开发他们需要控制系统的电子设备(如果尚未这样做)。我们可以为他们的设备是否在受监管的质量控制体系中运行提供建议,如果不是,我们可以向他们展示如何构建技术文件,这是他们要获得CE所需要的为其设备标记[欧洲法规认可]。我们可以指导他们完成该过程,并帮助他们收集适当的信息。

  我们还正在向人体组织管理局申请许可,这将使我们能够收集人体组织样本,将其带到我们的实验室,并使用它们对人们带给我们的原型设备进行测量。在某些情况下,产品失败是因为其制造商只能获得有限数量的组织样本,而患者却千差万别。在实验室中一次使设备工作是一回事。这完全是另一回事,它可以在各种患者中使用:男人,女人,年轻人,老人,患有不同疾病阶段的人等等。获得这种鲁棒性很重要,而这正是CPI感兴趣的。我们想要做些腿法工作,以帮助公司进入准备将产品推向市场的阶段。

  什么会使该领域的产品或服务开发更容易?

  较小的公司真的很欣赏整体方案–他们需要资金方面的帮助,他们需要获得设施和经验丰富的人员的帮助,并且需要将其引入监管环境。他们可能还需要超过CPI的一部分来帮助他们。例如,我们有致力于生物制药,工业生物技术,可印刷电子产品(包括柔性和可穿戴电子产品)的小组,并且具有CPI的材料开发能力。这种项目的一个例子是产品中具有光子学的某些方面,例如检测器或体外阅读器。诊断设备–但公司也感兴趣的是其他东西,例如他们使用的试剂或他们正在开发的针对特定状况或疾病的抗体。然后,我们可以邀请组织的不同部门来帮助他们。

  相比之下,大型公司通常拥有光子学产品开发所需的全部资源,但他们的员工可能会受制于标准任务,因此他们没有能力做些不同或破坏性的事情。这是我们可以与他们合作进行的工作。有人可以来我们的实验室进行一些不寻常的测量,而这些测量是他们通常在公司实验室中无法做到的。

  然后是中间的公司。他们可能想开发一条新的产品线,但是他们没有足够的资源来做,所以他们可以付钱给我们的员工来做。例如,制造光谱仪的公司可能没有针对所有可能的医疗应用提供好的应用说明。因此,如果我们开发这些应用笔记,那确实可以为其增加价值。

  您是经过培训的物理学家。您如何看待物理学家在医疗光子学领域的贡献?他们为工程师或生物科学家带来了什么?

  我与来自许多不同学科的人一起工作,我发现这确实令人振奋。但是光子学对我来说绝对是物理学。我在Heriot-Watt的博士学位是导电聚合物系统的非线性光学,所以我一直对光与材料的相互作用感兴趣。我认为,作为物理学家,我们对仪器和仪器系统设计有一定的了解,但是我们也了解在观察样品时所发生情况的基础科学。我们了解诸如折射,光散射以及吸收和发射之类的知识,这种理解很有帮助。这意味着,当我与公司进行讨论时,大多数时候我都有良好的基础和理解力!–他们正在做的事情的基础。我也喜欢工程学,也喜欢物理学和其他学科之间的交叉,

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