p Uma colaboração entre a Colorado State University e a University of Illinois em Urbana-Champaign resultou em um novo Técnica de imagem 3-D para visualizar tecidos e outras amostras biológicas em escala microscópica, com potencial para auxiliar no diagnóstico de câncer ou outras doenças. p Sua técnica, que permite que os espécimes gerem luz com o dobro da frequência, ou metade do comprimento de onda, da luz incidente, é referido como tomografia óptica harmônica e olha para os sinais 3-D que são gerados a partir da amostra. O trabalho da equipe é descrito em um artigo, "Tomografia óptica harmônica de estruturas não lineares, "publicado online em 1 de junho em Nature Photonics .

p Tomografia óptica harmônica, ou QUENTE, é baseado no uso de informações holográficas, que mede a intensidade e o atraso de fase da luz, para gerar imagens 3-D de uma amostra, explorando um novo mecanismo físico usado para obter imagens tridimensionais.

p "Nosso laboratório é especializado no uso de dados holográficos para investigar células e tecidos vivos, "disse Gabriel Popescu, professor de engenharia elétrica e da computação na University of Illinois e diretor do Quantitative Light Imaging Laboratory do Beckman Institute for Advanced Science and Technology. "Queríamos estender essa técnica a amostras não lineares, combinando os dados holográficos e novos modelos físicos."

p Gama de aplicações

p Normalmente imagens, como as capturadas por uma câmera de celular, achatar informações tridimensionais em uma imagem bidimensional. Imagens tridimensionais que podem perscrutar o interior de um objeto fornecem informações críticas para uma ampla gama de aplicações, como diagnósticos médicos, encontrar rachaduras em poços de petróleo e asas de avião, usando raios-X tomográficos, e métodos de ultrassom.

p Nesta colaboração, a equipe desenvolveu modelos teóricos para descrever como criar imagens do tecido e descobriu uma capacidade única de imagem 3-D que surge, contra-intuitivamente, iluminando a amostra com borrão, luz laser fora de foco. A equipe projetou e construiu um novo sistema na Colorado State University para coletar dados. Os dados foram então reconstruídos com algoritmos de imagem computacional. Os experimentos verificaram uma forma inteiramente nova de tomografia óptica, produzindo excelente validação das previsões experimentais.

p "A chave para a demonstração experimental desta nova imagem tomográfica não linear era um costume, laser de alta potência, projetado e construído pelo estudante de graduação da CSU Keith Wernsing, "disse Randy Bartels, professor do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da CSU e coautor do artigo. "Esta fonte foi integrada em um microscópio holográfico fora do eixo personalizado que usava uma lente condensadora de alta abertura numérica desfocada para iluminação de campo amplo. É esta condição de iluminação especial que permite que a óptica não linear crie o sinal de geração de segundo harmônico e obtenha informações para formar uma imagem 3-D. Este trabalho é um exemplo empolgante de como o diálogo próximo permite o refinamento da teoria e do projeto experimental para produzir novos conceitos inovadores. "

p Adicionado Varun Kelkar, um estudante de pós-graduação da ECE que anteriormente trabalhou com o co-autor do artigo, Professor Kimani C. Toussaint, Jr .:"O HOT começou como um projeto teórico interessante no qual trabalhei com o professor Popescu como parte de seu curso de graduação em microscopia no meu primeiro ano de pós-graduação. O desenvolvimento da ideia exigiu a síntese de conceitos de vários subcampos da óptica que Aprendi durante minha graduação e pós-graduação. Estou animado para vê-lo amadurecer e se tornar um protótipo experimental funcional. " Kelkar é atualmente membro do Laboratório de Ciências da Imagem Computacional do Professor Mark Anastasio na Universidade de Illinois.

p Dois tipos de amostras

p Os pesquisadores usaram dois tipos de amostras para testar sua teoria, disse Chengfei Hu, aluno de pós-graduação do grupo Popescu. O primeiro era um cristal fabricado que normalmente é usado para gerar sinais não lineares. O segundo foi uma amostra biológica onde eles usaram um tecido muscular. A técnica é útil para observar objetos difíceis de estudar pelos métodos convencionais de imagem.

p O colágeno é um gerador extremamente brilhante de segundo harmônico usando o mesmo processo que produz a luz verde em um ponteiro laser. Como o colágeno é a proteína mais abundante no corpo humano, a capacidade das propriedades não lineares do colágeno pode alterar a frequência da luz que eles usaram nesta nova abordagem de imagem tomográfica, Popescu disse. "A maioria dos investigadores analisa isso em 2-D e não em 3-D, "ele disse" Usando esta técnica, podemos usar a orientação das fibras de colágeno como um repórter de quão agressivo é o câncer. "

p De acordo com Jeff Field, diretor da Microscopy Core Facility da CSU e um cientista pesquisador em engenharia elétrica:"Este novo tipo de imagem tomográfica pode ser muito valioso para uma ampla gama de estudos que atualmente dependem de imagens bidimensionais para entender a orientação das fibras de colágeno, que se demonstrou ser um prognóstico para vários tipos de câncer. "

p Mais simples e rápido

p Campo, que ajudou a projetar e construir o microscópio HOT, comparou esta nova estratégia tomográfica a outras formas de tomografia.

p "Na maioria dos métodos de imagem tomográfica, como uma tomografia computadorizada (tomografia computadorizada) no hospital, a amostra ou a iluminação devem ser giradas, que pode ser muito desafiador de implementar em escala microscópica, "Field explicou." Com este novo método, a amostra só precisa ser traduzida em uma direção, que simplifica a geometria significativamente e minimiza desalinhamentos, tornando mais fácil a aplicação em uma ampla gama de aplicações. "

p Field passou a descrever como o novo microscópio HOT é muito mais rápido na aquisição de dados 3-D em comparação com a microscopia de varredura a laser.

p "O método mais comum para imagem 3-D segundo harmônico é a varredura a laser, onde um feixe focalizado é movido pixel a pixel para formar uma imagem 2-D. Uma imagem 3-D é reconstruída a partir de uma 'pilha' dessas imagens 2-D tiradas de diferentes profundidades no tecido, ", disse ele." HOT também coleta imagens 2-D em função da profundidade, mas sem o lento processo de varredura pixel a pixel. Isso torna possível coletar imagens 3-D em uma fração do tempo normalmente necessário para a digitalização a laser. "

p Ao contrário dos microscópios de varredura a laser típicos, "um benefício adicional do HOT é que sua velocidade o torna muito menos vulnerável a vibrações e desvios indesejados do microscópio, o que leva a imagens mais nítidas e maior repetibilidade, "disse o co-autor Toussaint, ex-professor da College of Engineering de Illinois e agora professor da School of Engineering da Brown University.