Ao combinar um algoritmo de detecção de compressão com um microscópio holográfico digital, Prof. Shih-Chi Chen do Departamento de Engenharia Mecânica e Automação, Faculdade de Engenharia, A Universidade Chinesa de Hong Kong (CUHK) e sua equipe de pesquisa desenvolveram um método de imagem de alta velocidade. A nova abordagem é capaz de produzir imagens de microscopia de dois fótons de uma amostra 3-D em um segundo, que está a uma velocidade três a cinco vezes maior do que o método convencional de varredura pontual.

O resultado da pesquisa foi publicado na revista. Cartas de Óptica .

As atividades dos neurônios são geralmente concluídas em uma escala de tempo de 10 milissegundos, o que torna difícil para os microscópios convencionais observar esses fenômenos diretamente. Esta nova microscopia de dois fótons de detecção compressiva pode ser aplicada a imagens 3-D da distribuição nervosa de seres vivos ou ao monitoramento de atividades de centenas de neurônios simultaneamente.

Novo método de varredura a laser multifocal para quebrar o limite de velocidade de varredura do microscópio de dois fótons

A microscopia de dois fótons funciona fornecendo pulsos ultrarrápidos de luz laser infravermelha para a amostra, onde interage com etiquetas fluorescentes para criar uma imagem. É amplamente utilizado para pesquisas biológicas por causa de sua capacidade de produzir imagens 3-D de alta resolução até a profundidade de um milímetro em um tecido vivo. Essas vantagens, Contudo, vêm com uma velocidade de imagem limitada da microscopia de dois fótons por causa do sinal fluorescente fraco.

Para acelerar a digitalização, a equipe de pesquisa desenvolveu um método de iluminação a laser multifocal que usa um dispositivo de microespelho digital (DMD). A pesquisa resolve o problema do DMD convencional ser inutilizável para trabalhar com laser ultrarrápido, permitindo que eles sejam integrados e usados ​​na formação de feixes, modelagem de pulso, e imagens de dois fótons.

O DMD gera 30 pontos de luz laser focada em locais selecionados aleatoriamente dentro de um espécime. A posição e a intensidade de cada ponto de luz são controladas por um holograma binário que é projetado no dispositivo. Durante cada medição, o DMD faz o reflash do holograma para alterar a posição de cada foco e registra a intensidade da fluorescência de dois fótons com um detector de pixel único. Embora, de muitas maneiras, a digitalização multi-foco DMD é mais flexível e rápida do que a digitalização mecânica tradicional, a velocidade ainda é limitada pela taxa de atualização do DMD.

Combinando o algoritmo de detecção de compressão para melhorar ainda mais a velocidade de imagem

Os pesquisadores aumentaram ainda mais a velocidade de imagem nesta pesquisa, combinando a varredura multifoco com detecção compressiva. Essa abordagem permite a aquisição de imagens com menos medições. Isso porque ele realiza a medição e a compactação da imagem em uma única etapa e, a seguir, usa um algoritmo para reconstruir as imagens a partir dos resultados da medição. Para microscopia de dois fótons, pode reduzir o número de medições entre 70% e 90%.

Depois de conduzir um experimento de simulação para demonstrar o desempenho e os parâmetros do novo método, os pesquisadores o testaram com experimentos de imagem de dois fótons. Esses experimentos demonstraram a capacidade da técnica de produzir imagens 3-D de alta qualidade com altas velocidades de imagem de qualquer campo de visão. Por exemplo, eles foram capazes de adquirir imagens 3-D de um grão de pólen, em apenas 0,55 segundos. As mesmas imagens adquiridas com a varredura de ponto tradicional levaram 2,2 segundos.

O Prof. Shih-Chi Chen disse:"Este método alcançou um aumento de três a cinco vezes na velocidade de imagem sem sacrificar a resolução. Acreditamos que essa nova abordagem levará a novas descobertas em biologia e medicina, como a optogenética. A equipe agora está trabalhando para melhorar ainda mais a velocidade do algoritmo de reconstrução e a qualidade da imagem. Também planejamos usar o DMD junto com outras técnicas de imagem avançadas, que permite imagens em tecidos mais profundos. "