Los investigadores prepararon imágenes de microscopía de dos fotones de un grano de polen utilizando (a) escaneo de puntos tradicional y (b) el nuevo enfoque de imágenes por compresión. El tiempo de obtención de imágenes de exploración puntual fue de 2,2 segundos, mientras que el tiempo de obtención de imágenes por compresión requirió solo 0,55 segundos. Crédito:Universidad China de Hong Kong
Al combinar un algoritmo de detección de compresión con un microscopio holográfico digital, Prof. Shih-Chi Chen del Departamento de Ingeniería Mecánica y Automática, Facultad de Ingeniería, La Universidad China de Hong Kong (CUHK) y su equipo de investigación han desarrollado un método de obtención de imágenes de alta velocidad. El nuevo enfoque es capaz de producir imágenes de microscopía de dos fotones de una muestra 3-D en un segundo, que tiene una velocidad de tres a cinco veces mayor que la del método convencional de escaneo de puntos.
El resultado de la investigación ha sido publicado en la revista Letras de óptica .
Las actividades de las neuronas generalmente se completan en una escala de tiempo de 10 milisegundos, lo que dificulta que los microscopios convencionales observen estos fenómenos directamente. Esta nueva microscopía de dos fotones de detección compresiva se puede aplicar a la obtención de imágenes en 3D de la distribución nerviosa de los seres vivos o al monitoreo de actividades de cientos de neuronas simultáneamente.
Nuevo método de escaneo láser de enfoque múltiple para romper el límite de velocidad de escaneo del microscopio de dos fotones
La microscopía de dos fotones funciona mediante la entrega de pulsos ultrarrápidos de luz láser infrarroja a la muestra, donde interactúa con etiquetas fluorescentes para crear una imagen. Se utiliza ampliamente para investigaciones biológicas debido a su capacidad para producir imágenes tridimensionales de alta resolución hasta una profundidad de un milímetro en un tejido vivo. Estas ventajas, sin embargo, vienen con una velocidad de imagen limitada de la microscopía de dos fotones debido a la débil señal fluorescente.
Para acelerar el escaneo, el equipo de investigación desarrolló un método de iluminación láser de enfoque múltiple que utiliza un dispositivo de microespejos digitales (DMD). La investigación resuelve el problema de que el DMD convencional no se puede utilizar para trabajar con láser ultrarrápido, permitiendo que se integren y utilicen en la conformación de vigas, forma de pulso, e imágenes de dos fotones.
Los investigadores han desarrollado un sistema que aumenta la velocidad de obtención de imágenes de la microscopía de dos fotones de tres a cinco veces sin comprometer la resolución. A la izquierda hay un modelo CAD del compacto, construido a medida, sistema de microscopía de dos fotones. La óptica de espacio libre en el interior se muestra a la derecha. Crédito:Universidad China de Hong Kong
El DMD genera 30 puntos de luz láser enfocada en ubicaciones seleccionadas al azar dentro de una muestra. La posición y la intensidad de cada punto de luz están controladas por un holograma binario que se proyecta en el dispositivo. Durante cada medición, el DMD vuelve a destellar el holograma para cambiar la posición de cada foco y registra la intensidad de la fluorescencia de dos fotones con un detector de un solo píxel. A pesar de que, de muchas maneras, el escaneo de enfoque múltiple DMD es más flexible y más rápido que el escaneo mecánico tradicional, la velocidad aún está limitada por la frecuencia de actualización del DMD.
Combinando el algoritmo de detección de compresión para mejorar aún más la velocidad de la imagen
Los investigadores aumentaron aún más la velocidad de las imágenes en esta investigación al combinar el escaneo de múltiples focos con la detección de compresión. Este enfoque permite la adquisición de imágenes con menos mediciones. Esto se debe a que realiza la medición y compresión de imágenes en un solo paso y luego utiliza un algoritmo para reconstruir las imágenes a partir de los resultados de la medición. Para microscopía de dos fotones, puede reducir el número de mediciones entre un 70 y un 90 por ciento.
Después de realizar un experimento de simulación para demostrar el rendimiento y los parámetros del nuevo método, los investigadores lo probaron con experimentos de imágenes de dos fotones. Estos experimentos demostraron la capacidad de la técnica para producir imágenes tridimensionales de alta calidad con altas velocidades de imagen desde cualquier campo de visión. Por ejemplo, pudieron adquirir imágenes tridimensionales de un grano de polen, en solo 0,55 segundos. Las mismas imágenes adquiridas con el escaneado de puntos tradicional tardaron 2,2 segundos.
El profesor Shih-Chi Chen dijo:"Este método logró una mejora de tres a cinco veces en la velocidad de la imagen sin sacrificar la resolución. Creemos que este enfoque novedoso conducirá a nuevos descubrimientos en biología y medicina, como la optogenética. El equipo ahora está trabajando para mejorar aún más la velocidad del algoritmo de reconstrucción y la calidad de la imagen. También planeamos usar el DMD junto con otras técnicas de imagen avanzadas, lo que permite obtener imágenes en tejidos más profundos ".
