Una collaborazione tra la Colorado State University e l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign ha portato a un nuovo, Tecnica di imaging 3D per visualizzare tessuti e altri campioni biologici su scala microscopica, con il potenziale per aiutare con il cancro o altre diagnosi di malattie.

La loro tecnica, che consente ai campioni di generare luce al doppio della frequenza, o metà della lunghezza d'onda, della luce incidente, viene definita tomografia ottica armonica e esamina i segnali 3D generati dal campione. Il lavoro del team è descritto in un documento, "Tomografia ottica armonica di strutture non lineari, " pubblicato online il 1 giugno in Fotonica della natura .

Tomografia ottica armonica, o CALDO, si basa sull'utilizzo di informazioni olografiche, che misura sia l'intensità che il ritardo di fase della luce, generare immagini 3D di un campione sfruttando un nuovo meccanismo fisico utilizzato per ottenere immagini tridimensionali.

"Il nostro laboratorio è specializzato nell'utilizzo di dati olografici per studiare cellule e tessuti vivi, " ha detto Gabriel Popescu, professore di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università dell'Illinois e direttore del Quantitative Light Imaging Laboratory presso il Beckman Institute for Advanced Science and Technology. "Volevamo estendere questa tecnica a campioni non lineari combinando i dati olografici e nuovi modelli fisici".

Gamma di applicazioni

Di solito immagini, come quelli catturati dalla fotocamera di un cellulare, appiattire le informazioni tridimensionali su un'immagine bidimensionale. L'imaging tridimensionale in grado di scrutare all'interno di un oggetto fornisce informazioni critiche per una vasta gamma di applicazioni, come la diagnostica medica, trovando crepe nei pozzi di petrolio e nelle ali degli aeroplani, utilizzando la radiografia tomografica, e metodi ad ultrasuoni.

In questa collaborazione, il team ha sviluppato modelli teorici per descrivere come visualizzare il tessuto e ha scoperto una capacità unica per l'imaging 3D che si presenta, controintuitivamente, illuminando il campione con sfocato, luce laser fuori fuoco. Il team ha progettato e costruito un nuovo sistema presso la Colorado State University per raccogliere dati. I dati sono stati poi ricostruiti con algoritmi di imaging computazionale. Gli esperimenti hanno verificato una forma completamente nuova di tomografia ottica, producendo un'eccezionale convalida delle previsioni sperimentali.

"Una chiave per la dimostrazione sperimentale di questo nuovo imaging tomografico non lineare è stata un'usanza, laser ad alta potenza, progettato e costruito dallo studente laureato CSU Keith Wernsing, "ha detto Randy Bartels, docente presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica della CSU e coautore di paper. "Questa sorgente è stata integrata in un microscopio olografico fuori asse personalizzato che utilizzava una lente a condensatore ad alta apertura numerica sfocata per l'illuminazione a campo ampio. È questa speciale condizione di illuminazione che consente all'ottica non lineare di creare il segnale di generazione della seconda armonica e ottenere informazioni per formare un'immagine in 3D. Questo lavoro è un esempio entusiasmante di come un dialogo ravvicinato consenta il perfezionamento sia della teoria che del design sperimentale per produrre nuovi concetti innovativi".

Aggiunto Varun Kelkar, uno studente laureato ECE che in precedenza ha lavorato con il coautore della carta, il professor Kimani C. Toussaint, Jr.:"HOT è iniziato come un interessante progetto teorico a cui ho lavorato con il professor Popescu come parte del suo corso di microscopia di livello universitario nel mio primo anno di specializzazione. Lo sviluppo dell'idea ha richiesto la sintesi di concetti da diversi sottocampi dell'ottica che Ho imparato durante gli studi universitari e di specializzazione. Sono entusiasta di vederlo maturare in un prototipo sperimentale funzionante". Kelkar è attualmente membro del Computational Imaging Science Lab del professor Mark Anastasio presso l'Università dell'Illinois.

Due tipi di campioni

I ricercatori hanno utilizzato due tipi di campioni per testare la loro teoria, disse Chengfei Hu, uno studente laureato nel gruppo Popescu. Il primo era un cristallo fabbricato che viene tipicamente utilizzato per generare segnali non lineari. Il secondo era un campione biologico in cui hanno usato un tessuto muscolare. La tecnica è utile per guardare oggetti difficili da studiare con i metodi di imaging convenzionali.

Il collagene è un generatore estremamente luminoso di seconda armonica che utilizza lo stesso processo che produce la luce verde in un puntatore laser. Poiché il collagene è la proteina più abbondante nel corpo umano, la capacità delle proprietà non lineari del collagene può cambiare la frequenza della luce che hanno usato in questo nuovo approccio di imaging tomografico, ha detto Popescu. "La maggior parte degli investigatori lo guarda in 2-D e non in 3-D, " ha detto "Utilizzando questa tecnica, possiamo usare l'orientamento delle fibre di collagene come report di quanto sia aggressivo il cancro".

Secondo Jeff Field, direttore della Microscopy Core Facility della CSU e ricercatore in ingegneria elettrica:"Questo nuovo tipo di imaging tomografico potrebbe rivelarsi molto prezioso per una vasta gamma di studi che attualmente si basano su immagini bidimensionali per comprendere l'orientamento delle fibre di collagene, che ha dimostrato di essere prognostico per un certo numero di tipi di cancro".

Più semplice e veloce

Campo, che ha aiutato a progettare e costruire il microscopio HOT, ha confrontato questa nuova strategia tomografica con altre forme di tomografia.

"Nella maggior parte dei metodi di imaging tomografico, come una TAC (tomografia computerizzata) in ospedale, il campione o l'illuminazione devono essere ruotati, che può essere molto difficile da implementare su scala microscopica, " Field ha spiegato. "Con questo nuovo metodo, il campione deve essere traslato solo in una direzione, che semplifica notevolmente la geometria e riduce al minimo i disallineamenti, rendendo più facile l'applicazione a una vasta gamma di applicazioni."

Field ha continuato descrivendo quanto il nuovo microscopio HOT sia più veloce nell'acquisizione di dati 3D rispetto alla microscopia a scansione laser.

"Il metodo più comune per l'imaging 3D della seconda armonica è la scansione laser, dove un raggio focalizzato viene spostato pixel per pixel per formare un'immagine 2-D. Un'immagine 3-D viene ricostruita da una "pila" di queste immagini 2-D prese da diverse profondità nel tessuto, " ha detto. "HOT raccoglie anche immagini 2-D in funzione della profondità, ma senza il lento processo di scansione pixel per pixel. Ciò consente di raccogliere immagini 3D in una frazione del tempo normalmente richiesto dalla scansione laser".

A differenza dei tipici microscopi a scansione laser, "un ulteriore vantaggio di HOT è che la sua velocità lo rende molto meno vulnerabile alle vibrazioni e alla deriva indesiderata del microscopio, che porta a immagini più nitide e una maggiore ripetibilità, " ha detto il co-autore Toussaint, un ex professore al College of Engineering dell'Illinois e ora professore alla School of Engineering della Brown University.