Quando si tratta di dare uno sguardo tridimensionale alle cellule del corpo umano, non è molto diverso dal capire esattamente dove si trova una lucciola in un campo di notte. Possiamo dire in quale direzione si trova, ma è difficile sapere quanto sia lontano.

Una lucciola emette luminescenti, luce incoerente. Le onde luminose si diffondono senza propagarsi lungo una determinata direzione, il che rende difficile determinare la posizione esatta della lucciola.

Un pipistrello che vola nel cielo notturno non avrebbe lo stesso problema. Può facilmente individuare quella povera lucciola lanciando un'onda sonora nella direzione della mosca e ascoltando l'eco di ritorno. L'onda sonora del pipistrello è coerente e direzionale, permettendole di individuare la posizione della lucciola con le onde sonore retrodiffuse.

Una simile diffusione coerente dell'onda è utilizzata in tutti i tipi di tecnologie quotidiane, comprese le ecografie, sonar, radar, e diffrazione ottica coerente. Tutti questi metodi richiedono onde coerenti, con picchi e valli ben educati dell'onda mentre si propaga. Nel mondo dell'ottica, i laser mostrano la stessa coerenza d'onda.

Con il sostegno dei fondi del National Institutes of Health, gruppo del professor Randy Bartels di ingegneria elettrica e informatica, in collaborazione con il professor Ali Pezeshki, Dottor Jeff Field, Professor Jeff Squier della Colorado School of Mines, e lo studente laureato Patrick Stockton, trovato un modo per trattare l'emissione di luce incoerente come se fosse luce coerente. Questa nuova tecnologia consente al team di raccogliere la luce incoerente emessa da molecole fluorescenti e ricostruire modelli digitali 3D dell'oggetto.

"Ora abbiamo un modo completamente nuovo per capire da dove proviene la luce fluorescente che prima non era accessibile, " ha detto Bartel.

Creare un modello da una luce incoerente

Pubblicato sulla rivista ottica , Il gruppo di Bartels ha combinato ottica e calcoli matematici per sviluppare una nuova strategia che modella la luce fluorescente incoerente emessa da un oggetto per formare un'immagine 3D ad alta risoluzione.

Bartels paragona la strategia all'imaging a ultrasuoni che crea un'immagine di una cellula o di un altro oggetto all'interno del corpo umano. Gli ultrasuoni utilizzano le oscillazioni delle onde sonore riflesse da un oggetto per creare un'immagine, utilizzando calcoli matematici per calcolare le differenze di distanza e il tempo impiegato per restituire un'onda al rivelatore.

Il problema con la luce fluorescente, spesso utilizzato nei microscopi ottici, è che la luce è incoerente. L'emissione fluorescente incoerente confonde la fase della luce emessa, che nasconde la posizione degli emettitori fluorescenti.

Il team collaborativo ha impiegato una strategia che imita la diffusione della luce coerente in un'immagine di emissione di luce incoerente, trasferendo le differenze nella fase dei fasci spazialmente coerenti in una variazione temporale dell'emissione di luce fluorescente. Utilizzando una modulazione spaziale e temporale della luce di illuminazione, insieme a un modello matematico della formazione del segnale, il team ha creato un modello 3D a risoluzione più elevata attraverso l'inversione computazionale dei dati.

Il processo imita la conservazione dell'oscillazione coerente della luce nel processo di diffusione, restituire misurazioni della posizione precisa e della luminosità degli oggetti che emettono luce incoerente.

"Abbiamo una sequenza di luce sagomata che usiamo per illuminare l'oggetto e poi misuriamo semplicemente la potenza della luce fluorescente che esce dall'oggetto. Questi dati, se combinati con un modello matematico, ci permettono di capire le distribuzioni 3D di molecole, " ha detto Bartels. "Questo processo imita lo scattering coerente molto simile all'imaging a ultrasuoni".

Combinare matematica e ottica per creare modelli

Prendere tutte quelle misurazioni della luce fornisce dati, ma è utile solo se si può costruire il modello giusto per interpretarlo.

Le scansioni CAT e le risonanze magnetiche utilizzano modelli matematici simili per acquisire dati che sono rappresentazioni a bassa dimensione dell'oggetto per costruire un'immagine 3D dettagliata. Utilizzare la luce incoerente per creare un modello digitale 3D richiede una nuova strategia guidata dalla matematica.

È qui che entra in gioco il professor Ali Pezeshki di ingegneria elettrica e informatica.

Utilizzando i dati delle misurazioni della potenza totale della luce sagomata che esce da un oggetto fluorescente, I modelli matematici di Pezeshki impediscono la gestione del rumore e la sepoltura di informazioni preziose. Le distribuzioni tridimensionali delle molecole possono quindi essere raccolte come se fossero coerenti.

Collaborazione sinergica

Questo lavoro è uno dei punti salienti di una proficua collaborazione multidisciplinare tra il gruppo di Bartels e il gruppo di Squier presso la Colorado School of Mines.

"Diventa una collaborazione sinergica, " ha detto Bartels. "Deve essere una conversazione tra persone di diversa esperienza per comprendere i limiti dei diversi domini".

Dal 2016, i gruppi hanno collaborato a quasi una dozzina di pubblicazioni pubblicate, con più da scrivere. Gli sforzi interdisciplinari della matematica, scienza, e l'ingegneria consentono loro di spingere i confini dell'imaging ottico con applicazioni dalla produzione avanzata alle neuroscienze.

"Gli studenti vedono davvero i problemi dalle diverse prospettive fornite da Randy, Jeff Campo, Alì ed io, " ha detto Squier. "Abbiamo fatto progressi nell'imaging, sospetto che nessuno di noi avesse previsto fino a quando non abbiamo lanciato questo sforzo collaborativo e ora lo stiamo applicando su domini che non avevamo previsto in precedenza".