Una colaboración entre la Universidad Estatal de Colorado y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign resultó en una nueva, Técnica de imágenes 3-D para visualizar tejidos y otras muestras biológicas a escala microscópica, con potencial para ayudar con el diagnóstico de cáncer u otras enfermedades.

Su técnica, lo que permite que las muestras generen luz al doble de frecuencia, o la mitad de la longitud de onda, de la luz incidente, se conoce como tomografía óptica armónica y analiza las señales tridimensionales que se generan a partir de la muestra. El trabajo del equipo se describe en un documento, "Tomografía óptica armónica de estructuras no lineales, "publicado en línea el 1 de junio en Fotónica de la naturaleza .

Tomografía óptica armónica, o CALIENTE, se basa en el uso de información holográfica, que mide tanto la intensidad como el retardo de fase de la luz, generar imágenes tridimensionales de una muestra mediante la explotación de un nuevo mecanismo físico utilizado para obtener imágenes tridimensionales.

"Nuestro laboratorio se especializa en el uso de datos holográficos para investigar células y tejidos vivos, "dijo Gabriel Popescu, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Illinois y director del Laboratorio de Imágenes de Luz Cuantitativa en el Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas. "Queríamos extender esta técnica a muestras no lineales combinando los datos holográficos y nuevos modelos físicos".

Gama de aplicaciones

Por lo general, imágenes como los capturados por la cámara de un teléfono celular, aplanar información tridimensional en una imagen bidimensional. Las imágenes tridimensionales que pueden mirar hacia el interior de un objeto proporcionan información crítica para una amplia gama de aplicaciones. como diagnósticos médicos, encontrar grietas en pozos de petróleo y alas de aviones, utilizando radiografía tomográfica, y métodos de ultrasonido.

En esta colaboración, el equipo desarrolló modelos teóricos para describir cómo obtener imágenes del tejido y descubrió una capacidad única para la obtención de imágenes en 3-D que surge, contraintuitivamente, iluminando la muestra con borroso, luz láser fuera de foco. El equipo diseñó y construyó un nuevo sistema en la Universidad Estatal de Colorado para recopilar datos. Luego, los datos se reconstruyeron con algoritmos de imágenes computacionales. Los experimentos verificaron una forma completamente nueva de tomografía óptica, produciendo una validación sobresaliente de las predicciones experimentales.

"Una clave para la demostración experimental de esta nueva imagen tomográfica no lineal fue una costumbre, láser de alta potencia, diseñado y construido por el estudiante graduado de CSU Keith Wernsing, "dijo Randy Bartels, profesor en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de CSU y coautor del artículo. "Esta fuente se integró en un microscopio holográfico fuera del eje personalizado que usaba una lente de condensador de alta apertura numérica desenfocada para iluminación de campo amplio. Es esta condición de iluminación especial la que permite que la óptica no lineal cree la señal de segunda generación armónica y obtenga información para formar una imagen en 3-D. Este trabajo es un ejemplo emocionante de cómo el diálogo cercano permite el refinamiento tanto de la teoría como del diseño experimental para producir nuevos conceptos innovadores ".

Varun Kelkar agregó, un estudiante graduado de ECE que anteriormente trabajó con el coautor del artículo, el profesor Kimani C. Toussaint, Jr .:"HOT comenzó como un interesante proyecto teórico en el que trabajé con el profesor Popescu como parte de su curso de microscopía a nivel de posgrado en mi primer año de la escuela de posgrado. El desarrollo de la idea requirió la síntesis de conceptos de varios subcampos de la óptica que Aprendí a lo largo de mi licenciatura y posgrado. Estoy emocionado de verlo madurar y convertirse en un prototipo experimental funcional ". Kelkar es actualmente miembro del Laboratorio de Ciencias de Imágenes Computacionales del Profesor Mark Anastasio en la Universidad de Illinois.

Dos tipos de muestras

Los investigadores utilizaron dos tipos de muestras para probar su teoría, dijo Chengfei Hu, estudiante de posgrado en el grupo Popescu. El primero fue un cristal manufacturado que se usa típicamente para generar señales no lineales. El segundo fue una muestra biológica donde utilizaron un tejido muscular. La técnica es útil para observar objetos que son difíciles de estudiar con métodos de imágenes convencionales.

El colágeno es un generador de segundo armónico extremadamente brillante que utiliza el mismo proceso que produce luz verde en un puntero láser. Como el colágeno es la proteína más abundante del cuerpo humano, la capacidad de las propiedades no lineales del colágeno puede cambiar la frecuencia de la luz que utilizaron en este nuevo enfoque de imágenes tomográficas, Dijo Popescu. "La mayoría de los investigadores lo ven en 2-D y no en 3-D, "dijo" Usando esta técnica, podemos usar la orientación de las fibras de colágeno como un indicador de cuán agresivo es el cáncer ".

Según Jeff Field, director de Microscopy Core Facility en CSU e investigador científico en ingeniería eléctrica:"Este nuevo tipo de imágenes tomográficas podría resultar muy valioso para una amplia gama de estudios que actualmente se basan en imágenes bidimensionales para comprender la orientación de la fibra de colágeno, que ha demostrado ser un pronóstico para varios tipos de cáncer ".

Más simple y rápido

Campo, que ayudó a diseñar y construir el microscopio HOT, comparó esta nueva estrategia tomográfica con otras formas de tomografía.

"En la mayoría de los métodos de imágenes tomográficas, como una tomografía computarizada (CT) en el hospital, se debe girar la muestra o la iluminación, que puede ser muy difícil de implementar a escala microscópica, "Field explicó". Con este nuevo método, la muestra solo necesita ser traducida en una dirección, que simplifica significativamente la geometría y minimiza las desalineaciones, facilitando su aplicación a una amplia gama de aplicaciones ".

Field continuó describiendo cuánto más rápido es el nuevo microscopio HOT para adquirir datos 3-D en comparación con la microscopía de escaneo láser.

"El método más común para la obtención de imágenes de segundo armónico en 3D es el escaneo láser, donde un rayo enfocado se mueve píxel a píxel para formar una imagen 2-D. Se reconstruye una imagen en 3-D a partir de una 'pila' de estas imágenes en 2-D tomadas desde diferentes profundidades en el tejido, ", dijo." HOT también recopila imágenes 2-D en función de la profundidad, pero sin el lento proceso de escaneo píxel por píxel. Esto hace posible recopilar imágenes en 3-D en una fracción del tiempo que normalmente requiere el escaneo láser ".

A diferencia de los microscopios de barrido láser típicos, "un beneficio adicional de HOT es que su velocidad lo hace mucho menos vulnerable a las vibraciones y la deriva no deseada del microscopio, lo que genera imágenes más nítidas y una mayor repetibilidad, "dijo el coautor Toussaint, ex profesor de la Facultad de Ingeniería de Illinois y ahora profesor de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Brown.