Inom medicinsk bildbehandling finns det en hel del olika tekniker för att extrahera information från biologisk vävnad baserat på dess olika interaktioner med synligt ljus. Under det senaste decenniet har det skett en enorm ökning av forskning som fokuserar på kvantitativ fasavbildning, vilket innebär att fånga och analysera hur fasen av ett ljus förändras när det passerar genom ett prov.
Förutom fasinformation kan hur celler eller vävnad interagerar med polariserat ljus – och hur dessa interaktioner förändras beroende på polarisationens riktning – ge användbar information för att diagnostisera vissa patologier eller studera biologiska processer.
Även om det finns några metoder som kan extrahera både fas- och anisotropiinformation för att skapa tomografiska 3D-rekonstruktioner, är dessa tekniker vanligtvis dyra och komplicerade att installera, vilket har begränsat deras användning i kliniska tillämpningar.
I en nyligen genomförd studie har ett internationellt forskarlag, inklusive Prof. Roarke Horstmeyer och Dr. Shiqi Xu från Duke University, tagit sig an dessa begränsningar.
Som rapporterats i Avancerad fotonik , utvecklade forskarna en ny avbildningsteknik som kallas tensorial tomografisk Fourier ptychography (eller "T 2 oFu"). Denna metod kan användas för att erhålla kvantitativ fas- och polarisationskänslig information från biologiska prover samtidigt.
En nyckelfunktion hos T 2 oFu är dess billiga optiska installation. Systemet består av en individuellt adresserbar LED-matris som belysningskälla. För att få polarisationsberoende information använder systemet också en cirkulär polarisator mellan belysningen och provet, samt en polarisationskänslig kamera.
För att rekonstruera polarisationskänslig kvantitativ fastomografi med denna uppställning utvecklade forskargruppen T 2 oFus rekonstruktionsmodell från grunden. Baserat på teorier om ljusutbredning, härledde de en matematisk modell som korrekt beskriver experimentella mätningar.
Med experimentupplägget och det teoretiska ramverket etablerat, testade teamet sin metod genom en serie experiment. Först rekonstruerade de detaljerade 3D-bilder av muskelfibrer med anisotropi och fasinformation, och fick en tydlig bild av individuella muskeltrådar. Detta har viktiga konsekvenser för diagnostiska ändamål.
"Högkontrast och högupplöst strukturell avbildning av inneboende signaler i skelettmuskelfibrer är viktig för att i rätt tid upptäcka förändringar i myofibrillär organisation som kan leda till skelettmyopatier", förklarar Dr Horstmeyer. "För närvarande avbildas 3D-muskelvävnad vanligtvis av komplexa och dyra system, såsom mikroskopi av andra harmoniska generationen (SHG). Vårt billiga, LED-baserade system visade resultat liknande de som beskrivs i litteraturen om SHG-avbildning."
Sedan avbildade forskarna ett hjärtvävnadsprov med hjärtamyloidos, en mycket dödlig sjukdom som drabbar över 12 000 patienter enbart i USA.
"I nuvarande praxis, är biopsi hjärtvävnad först fryst och tunt skivad, sedan färgas med ett rödfärgat färgämne och inspekteras under ett korspolariserat mikroskop," kommenterar Dr Xu. "I våra mätningar var strukturen av anisotropi-rekonstruktionen starkt korrelerad med den färgfärgade korspolariserade bilden som visar drag av amyloidos. Således kan det föreslagna tillvägagångssättet potentiellt vara användbart för snabba inspektioner på plats i framtiden."
Sammantaget T 2 oFu verkar vara en kraftfull och praktisk teknik som kan göra polarisering och fasavbildning mer lättillgänglig. Ytterligare förbättringar kommer förhoppningsvis att göra detta verktyg tillgängligt för fler forskare och läkare, vilket belyser vägen till bättre diagnostik och en djupare förståelse av våra kroppar.
Mer information: Shiqi Xu et al, Tensorial tomografisk Fourier-ptykografi med tillämpningar på muskelvävnadsavbildning, Avancerad fotonik (2024). DOI:10.1117/1.AP.6.2.026004
Tillhandahålls av SPIE
