FlatScope se está desarrollando en la Universidad de Rice para su uso como un microscopio fluorescente capaz de capturar datos tridimensionales y producir imágenes desde cualquier lugar dentro del campo de visión. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Las lentes ya no son necesarias para algunos microscopios, según los ingenieros de Rice University que desarrollaron FlatScope, un delgado microscopio fluorescente cuyas capacidades prometen superar las de los dispositivos de la vieja escuela.
Un papel en Avances de la ciencia por los ingenieros de Rice, Ashok Veeraraghavan, Jacob Robinson, Richard Baraniuk y sus laboratorios describen un microscopio de campo amplio más delgado que una tarjeta de crédito, lo suficientemente pequeño como para sentarse en la punta de un dedo y capaz de una resolución micrométrica en un volumen de varios milímetros cúbicos.
FlatScope elimina la compensación que dificulta los microscopios tradicionales en los que las matrices de lentes pueden captar menos luz de un campo de visión grande o captar más luz de un campo más pequeño.
El equipo de Rice comenzó a desarrollar el dispositivo como parte de una iniciativa federal de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa como un dispositivo implantable, interfaz neuronal de alta resolución. Pero el potencial del dispositivo es mucho mayor. Los investigadores afirman que FlatScope, un avance en la FlatCam anterior de los laboratorios, podría utilizarse como endoscopio implantable, un generador de imágenes de área grande o un microscopio flexible.
"Pensamos en esto como una ampliación de FlatCam para que pueda resolver problemas aún mayores, "Dijo Baraniuk.
Los microscopios fluorescentes tradicionales son herramientas esenciales en biología. Recogen señales fluorescentes de partículas insertadas en células y tejidos que se iluminan con longitudes de onda de luz específicas. La técnica permite a los científicos sondear y rastrear agentes biológicos con una resolución de escala nanométrica.
Estudiantes graduados de la Universidad de Rice Vivek Boominathan, izquierda, y Jesse Adams crearon un experimento con FlatScope, una pequeña, cámara sin lente que han configurado para su uso como un microscopio fluorescente capaz de capturar datos tridimensionales y producir imágenes desde cualquier lugar dentro del campo de visión. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Pero como todos los microscopios tradicionales, telescopios y cámaras, su resolución depende del tamaño de sus lentes, que pueden ser grandes y pesados y limitar su uso en aplicaciones biológicas.
El equipo de Rice adopta un enfoque diferente. Utiliza los mismos chips de dispositivo de carga acoplada (CCD) que se encuentran en todas las cámaras electrónicas para capturar la luz entrante, pero las comparaciones terminan ahí. Como el proyecto FlatCam que lo inspiró, El campo de visión de FlatScope es igual al tamaño del sensor CCD, que puede ser tan grande o tan pequeño como se requiera. Es plano porque reemplaza la matriz de lentes en un microscopio tradicional con una máscara de amplitud personalizada.
Esta mascara, que se asemeja a un código de barras, se sienta directamente en frente del CCD. La luz que atraviesa la máscara y golpea el sensor se convierte en datos que un programa de computadora interpreta para producir imágenes.
El algoritmo puede enfocarse en cualquier parte de los datos tridimensionales que captura el osciloscopio y producir imágenes de objetos más pequeños que una micra en cualquier parte del campo.
Esa resolución es lo que hace que el dispositivo sea un microscopio, Dijo Robinson. "Una cámara en su teléfono móvil o DSLR suele tener una resolución del orden de 100 micrones, ", dijo." Cuando tomas una foto macro, la resolución es de aproximadamente 20 a 50 micrones.
"Pienso en un microscopio como algo que te permite obtener imágenes de cosas en la escala de micrones, ", dijo." Eso significa cosas que son más pequeñas que el diámetro de un cabello humano, como células, partes de las células o la fina estructura de las fibras ".
FlatScope, desarrollado en Rice University, captura datos tridimensionales que pasan a través de una máscara y a un chip de cámara del tamaño de una uña. Envía esos datos a una computadora que los procesa de nuevo en una imagen. La cámara se puede utilizar como endoscopio implantable, un generador de imágenes de área grande o un microscopio flexible. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Lograr esa resolución requirió modificaciones en la máscara FlatCam para reducir aún más la cantidad de luz que llega al sensor, así como una reescritura de su software, Dijo Robinson. "No fue tan trivial como simplemente aplicar el algoritmo FlatCam a las mismas técnicas que usamos para obtener imágenes de cosas que están lejos, " él dijo.
La máscara es similar a la apertura de una cámara con lente que enfoca la luz en el sensor, pero está a solo unos pocos cientos de micrómetros del sensor y solo permite que pase una fracción de la luz disponible, limitar la cantidad de datos para simplificar el procesamiento.
"En el caso de una cámara de megapíxeles, ese problema computacional requiere una matriz de un millón de veces un millón de elementos, "Dijo Robinson." Es una matriz increíblemente grande. Pero debido a que lo desglosamos a través de este patrón de filas y columnas, nuestra matriz tiene solo 1 millón de elementos ".
Eso reduce los datos de cada instantánea de seis terabytes a 21 megabytes más prácticos, lo que se traduce en tiempos de procesamiento cortos. Desde las primeras versiones de FlatCam que requerían una hora o más para procesar una imagen, FlatScope captura 30 fotogramas de datos 3D por segundo.
Veeraraghavan dijo que el floreciente Internet de las cosas puede proporcionar muchas aplicaciones para cámaras planas y microscopios. Eso, a su vez, reduciría los costos. "Una de las grandes ventajas de esta tecnología en comparación con las cámaras tradicionales es que, dado que no necesitamos lentes, no necesitamos montaje posterior a la fabricación, ", dijo." Podemos imaginar esto saliendo de una línea de fabricación ".
Pero sus objetivos principales son los usos médicos, desde osciloscopios implantables para la clínica hasta microscopios del tamaño de la palma de la mano para el campo de batalla. "Poder llevar un microscopio en el bolsillo es una tecnología ingeniosa, "Dijo Veeraraghavan.
Los investigadores señalaron que, si bien su trabajo actual se centra en aplicaciones fluorescentes, FlatScope también se puede utilizar para campos brillantes, microscopía de campo oscuro y luz reflejada. Sugirieron que se podría usar una matriz de FlatScopes sobre un fondo flexible para hacer coincidir los contornos de un objetivo.
