Ett samarbete mellan Colorado State University och University of Illinois i Urbana-Champaign resulterade i en ny, 3-D avbildningsteknik för att visualisera vävnader och andra biologiska prover i mikroskopisk skala, med potential att hjälpa till med cancer eller andra sjukdomsdiagnoser.

Deras teknik, som gör att prover kan generera ljus med dubbel frekvens, eller halva våglängden, av det infallande ljuset, kallas harmonisk optisk tomografi och tittar på 3D-signaler som genereras från provet. Teamets arbete beskrivs i ett papper, "Harmonisk optisk tomografi av icke-linjära strukturer, publicerades online den 1 juni Naturfotonik .

Harmonisk optisk tomografi, eller HET, bygger på att använda holografisk information, som mäter både ljusets intensitet och fasfördröjning, att generera 3D-bilder av ett prov genom att utnyttja en ny fysisk mekanism som används för att erhålla tredimensionella bilder.

"Vårt labb är specialiserat på att använda holografiska data för att undersöka levande celler och vävnader, sade Gabriel Popescu, en professor i el- och datorteknik vid University of Illinois och chef för Quantitative Light Imaging Laboratory vid Beckman Institute for Advanced Science and Technology. "Vi ville utöka denna teknik till icke-linjära prover genom att kombinera holografiska data och nya fysikmodeller."

Utbud av applikationer

Vanligtvis bilder, som de som fångats av en mobiltelefonkamera, platta ut tredimensionell information till en tvådimensionell bild. Tredimensionell avbildning som kan titta in i det inre av ett objekt ger viktig information för en mängd olika applikationer, såsom medicinsk diagnostik, hitta sprickor i oljekällor och flygplansvingar, använda tomografisk röntgen, och ultraljudsmetoder.

I detta samarbete, laget utvecklade teoretiska modeller för att beskriva hur man bildar vävnaden och upptäckte en unik förmåga för 3D-avbildning som uppstår, kontraintuitivt, genom att belysa provet med suddigt, laserljus som inte är i fokus. Teamet designade och byggde ett nytt system vid Colorado State University för att samla in data. Datan rekonstruerades sedan med beräkningsavbildningsalgoritmer. Experimenten verifierade en helt ny form av optisk tomografi, ger enastående validering av de experimentella förutsägelserna.

"En nyckel till den experimentella demonstrationen av denna nya olinjära tomografiska avbildning var en sed, hög effekt laser, designad och byggd av CSU doktorand Keith Wernsing, "sa Randy Bartels, professor vid CSU:s institution för elektro- och datateknik och pappersmedförfattare. "Denna källa integrerades i ett anpassat off-axis holografiskt mikroskop som använde en kondensatorlins med hög numerisk apertur som var defokuserad för bredfältsbelysning. Det är detta speciella belysningsförhållande som tillåter den olinjära optiken att skapa signalen för den andra övertonen och få information för att bilda en 3-D-bild. Detta arbete är ett spännande exempel på hur nära dialog möjliggör förfining av både teori och experimentell design för att producera innovativa nya koncept."

Lade till Varun Kelkar, en ECE-student som tidigare arbetade med pappersmedförfattaren professor Kimani C. Toussaint, Jr.:"HOT började som ett intressant teoretiskt projekt som jag arbetade med professor Popescu som en del av hans mikroskopikurs på forskarnivå under mitt första år på gymnasiet. Att utveckla idén krävde syntes av begrepp från flera delområden av optik som Jag lärde mig under hela min grund- och gymnasieskola. Jag är glad över att se den mogna till en fungerande experimentell prototyp." Kelkar är för närvarande medlem i professor Mark Anastasios Computational Imaging Science Lab vid University of Illinois.

Två typer av prover

Forskarna använde två typer av prover för att testa sin teori, sa Chengfei Hu, en doktorand i Popescu-gruppen. Den första var en tillverkad kristall som vanligtvis används för att generera olinjära signaler. Det andra var ett biologiskt prov där de använde en muskelvävnad. Tekniken är användbar för att titta på objekt som är svåra att studera med konventionella avbildningsmetoder.

Kollagen är en extremt ljus generator av andra övertoner som använder samma process som gör grönt ljus i en laserpekare. Eftersom kollagen är det mest förekommande proteinet i människokroppen, förmågan hos kollagen olinjära egenskaper kan ändra frekvensen av ljuset som de använde i denna nya tomografiska avbildningsmetod, sa Popescu. "De flesta utredare tittar på det i 2D och inte i 3D, " sa han "Med den här tekniken, vi kan använda orienteringen av kollagenfibrerna som en reporter om hur aggressiv cancern är."

Enligt Jeff Field, chef för Microscopy Core Facility vid CSU och en forskare inom elektroteknik:"Denna nya typ av tomografisk avbildning kan visa sig vara mycket värdefull för ett brett utbud av studier som för närvarande förlitar sig på tvådimensionella bilder för att förstå kollagenfiberorienteringen, som har visat sig vara prognostiskt för ett antal typer av cancer."

Enklare och snabbare

Fält, som hjälpte till att designa och bygga HOT-mikroskopet, jämförde denna nya tomografiska strategi med andra former av tomografi.

"I de flesta tomografiska avbildningsmetoder, som en CT -skanning (datortomografi) på sjukhuset, antingen provet eller belysningen måste roteras, vilket kan vara mycket utmanande att implementera i mikroskopisk skala, "Fält förklarat." Med denna nya metod, provet behöver bara översättas i en riktning, vilket förenklar geometrin avsevärt och minimerar snedställningar, vilket gör det lättare att applicera på ett brett spektrum av applikationer."

Field fortsatte med att beskriva hur mycket snabbare det nya HOT-mikroskopet är på att skaffa 3D-data jämfört med laserskanningsmikroskopi.

"Den vanligaste metoden för 3D-avbildning av andra övertoner är laserskanning, där en fokuserad stråle flyttas pixel för pixel för att bilda en 2D-bild. En 3D-bild rekonstrueras från en "stapel" av dessa 2D-bilder tagna från olika djup i vävnaden, " sa han. "HOT samlar också in 2D-bilder som en funktion av djupet, men utan den långsamma processen med pixel-för-pixel-skanning. Detta gör det möjligt att samla in 3D-bilder på en bråkdel av den tid som vanligtvis krävs av laserskanning."

Till skillnad från typiska laserskanningsmikroskop, "En ytterligare fördel med HOT är att dess hastighet gör den mycket mindre sårbar för vibrationer och oönskade mikroskopdrift, vilket leder till skarpare bilder och ökad repeterbarhet, " sa medförfattaren Toussaint, en tidigare professor vid College of Engineering i Illinois och nu professor vid School of Engineering vid Brown University.