När det gäller att få en tredimensionell titt på celler i människokroppen, det är inte mycket annorlunda än att räkna ut exakt var en eldfluga befinner sig på ett fält på natten. Vi kan säga vilken riktning det är i, men det är utmanande att veta hur långt bort det är.

En eldfluga avger självlysande, osammanhängande ljus. Ljusvågorna sprider sig utan att fortplanta sig i en viss riktning, vilket gör det svårt att bestämma den exakta platsen för eldflugan.

En fladdermus som flyger genom natthimlen skulle inte ha samma problem. Den kan lätt lokalisera den stackars eldflugan genom att sända en ljudvåg i flugans riktning och lyssna efter returekot. Fladdermusens ljudvåg är koherent och riktad, låter henne lokalisera eldflugan med de bakåtspridda ljudvågorna.

Liknande koherent vågspridning används i alla möjliga vardagliga teknologier, inklusive ultraljudsundersökningar, ekolod, radar, och koherent optisk diffraktion. Alla dessa metoder kräver koherenta vågor, med väluppfostrade toppar och vågdalar när den fortplantar sig. I optikens värld, lasrar uppvisar samma vågkoherens.

Under stöd av finansiering från National Institutes of Health, elektro- och datateknik professor Randy Bartels grupp, i samarbete med professor Ali Pezeshki, Dr Jeff Field, Colorado School of Mines professor Jeff Squier, och doktorand Patrick Stockton, hittat ett sätt att behandla inkoherent ljusemission som om det vore koherent ljus. Denna nya teknik gör det möjligt för teamet att samla in osammanhängande ljus som emitteras av fluorescerande molekyler och rekonstruera 3-D digitala modeller av objektet.

"Vi har nu ett helt nytt sätt att ta reda på var fluorescerande ljus kommer ifrån som inte var tillgängligt tidigare, sa Bartels.

Skapa en modell från osammanhängande ljus

Publicerad i tidskriften Optica , Bartels grupp kombinerade optik och matematiska beräkningar för att utveckla en ny strategi som formar osammanhängande fluorescerande ljus som emitteras av ett objekt för att bilda en högupplöst 3D-bild.

Bartels jämför strategin med ultraljudsavbildning som skapar en bild av en cell eller annat föremål i människokroppen. Ultraljud använder svängningarna av ljudvågor som reflekteras från ett föremål för att skapa en bild, använda matematiska beräkningar för att räkna ut skillnaderna i avstånd och tid det tog att returnera en våg tillbaka till detektorn.

Problemet med fluorescerande ljus, används ofta i optiska mikroskop, är att ljuset är osammanhängande. Den inkoherenta fluorescerande emissionen förvränger fasen av det emitterade ljuset, som döljer placeringen av de fluorescerande strålarna.

Det samarbetsteamet använde en strategi som efterliknar koherent ljusspridning i en bild av osammanhängande ljusemission, genom att överföra skillnader i fasen för rumsligt koherenta strålar till en tidsvariation av fluorescerande ljusemission. Genom att använda en rumslig och tidsmässig modulering av belysningsljuset, tillsammans med en matematisk modell av signalbildningen, teamet skapade en 3D-modell med högre upplösning genom beräkningsinversion av data.

Processen efterliknar bevarandet av koherent oscillation av ljus i spridningsprocessen, returnerar mätningar av den exakta platsen och ljusstyrkan för föremål som avger osammanhängande ljus.

"Vi har en sekvens av format ljus som vi använder för att belysa objektet och sedan mäter vi helt enkelt kraften hos det fluorescerande ljuset som kommer ut ur objektet. Dessa data i kombination med en matematisk modell gör att vi kan räkna ut 3D-fördelningarna av molekyler, ", sade Bartels. "Denna process efterliknar koherent spridning ungefär som ultraljudsbilder."

Att kombinera matematik och optik för att skapa modeller

Att ta alla dessa mätningar av ljus ger data, men det är bara användbart om rätt modell kan byggas för att tolka den.

CAT-skanningar och MRI använder liknande matematiska modeller för att ta data som är lågdimensionella representationer av objektet för att bygga en detaljerad 3D-bild. Att använda osammanhängande ljus för att skapa en 3-D digital modell kräver en ny matematiskt driven strategi.

Det är där elektro- och datateknikprofessor Ali Pezeshki kommer in.

Med hjälp av data från den totala effektmätningen av format ljus som kommer ut från ett fluorescerande föremål, Pezeshkis matematiska modeller hindrar brushanterade och värdefull information från att begravas. De tredimensionella fördelningarna av molekyler kan sedan samlas in som om de vore koherenta.

Synergistiskt samarbete

Detta arbete är en av höjdpunkterna i ett produktivt multidisciplinärt samarbete mellan Bartels grupp och Squier-gruppen vid Colorado School of Mines.

"Det blir ett synergistiskt samarbete, ", sa Bartels. "Det måste vara ett samtal mellan människor med olika expertis för att förstå begränsningarna för de olika domänerna."

Sedan 2016, grupperna har samarbetat kring nästan ett dussin publicerade publikationer, med mer skrivna. Matematikens tvärvetenskapliga insatser, vetenskap, och teknik gör det möjligt för dem att tänja på gränserna för optisk bildbehandling med tillämpningar från avancerad tillverkning till neurovetenskap.

"Eleverna får verkligen se problem från de olika perspektiven som Randy tillhandahåller, Jeff Field, Ali och jag, " sa Squier. "Vi har gjort framsteg inom bildbehandling som jag misstänker att ingen av oss förutsåg förrän vi lanserade detta samarbete och nu tillämpar det på olika domäner som vi inte hade föreställt oss tidigare."