Quando se trata de obter uma visão tridimensional das células do corpo humano, não é muito diferente de descobrir precisamente onde um vaga-lume está no campo à noite. Podemos dizer em que direção está, mas é um desafio saber a que distância está.

Um vaga-lume emite luminescente, luz incoerente. As ondas de luz se espalham sem se propagar ao longo de uma direção particular, o que torna difícil determinar a localização exata do vaga-lume.

Um morcego voando pelo céu noturno não teria o mesmo problema. Ele pode localizar facilmente aquele pobre vaga-lume, lançando uma onda sonora na direção da mosca e ouvindo o eco de retorno. A onda sonora do morcego é coerente e direcional, permitindo que ela identifique a localização do vaga-lume com as ondas de som retroespalhadas.

Espalhamento de onda coerente semelhante é usado em todos os tipos de tecnologias cotidianas, incluindo varreduras de ultrassom, sonar, radar, e difração óptica coerente. Todos esses métodos requerem ondas coerentes, com picos e vales bem comportados da onda à medida que se propaga. No mundo da ótica, lasers exibem a mesma coerência de onda.

Com o apoio de financiamento do National Institutes of Health, Grupo do professor Randy Bartels, engenharia elétrica e de computação, em colaboração com o professor Ali Pezeshki, Dr. Jeff Field, Professor Jeff Squier da Escola de Minas do Colorado, e o estudante de graduação Patrick Stockton, encontrou uma maneira de tratar a emissão de luz incoerente como se fosse luz coerente. Esta nova tecnologia permite à equipe coletar luz incoerente emitida por moléculas fluorescentes e reconstruir modelos digitais 3-D do objeto.

"Agora temos uma maneira completamente nova de descobrir de onde vem a luz fluorescente que não era acessível antes, "disse Bartels.

Criando um modelo a partir de luz incoerente

Publicado no jornal Optica , O grupo de Bartels combinou ótica e cálculos matemáticos para desenvolver uma nova estratégia que molda a luz fluorescente incoerente emitida por um objeto para formar uma imagem 3-D de alta resolução.

Bartels compara a estratégia à imagem de ultrassom que cria a imagem de uma célula ou outro objeto dentro do corpo humano. O ultrassom usa as oscilações das ondas sonoras refletidas em um objeto para criar uma imagem, usando cálculos matemáticos para calcular as diferenças de distância e tempo necessário para retornar uma onda de volta ao detector.

O problema com a luz fluorescente, frequentemente usado em microscópios ópticos, é que a luz é incoerente. A emissão fluorescente incoerente embaralha a fase da luz emitida, que esconde a localização dos emissores fluorescentes.

A equipe colaborativa empregou uma estratégia que imita o espalhamento de luz coerente em uma imagem de emissão de luz incoerente, transferindo diferenças na fase de feixes espacialmente coerentes em uma variação temporal da emissão de luz fluorescente. Usando uma modulação espacial e temporal da luz de iluminação, junto com um modelo matemático da formação do sinal, a equipe criou um modelo 3-D de maior resolução por meio da inversão computacional dos dados.

O processo imita a preservação da oscilação coerente da luz no processo de espalhamento, retornar medições da localização precisa e do brilho de objetos que emitem luz incoerente.

"Temos uma sequência de luz em forma que usamos para iluminar o objeto e, em seguida, simplesmente medimos a potência da fluorescente que sai do objeto. Esses dados, quando combinados com um modelo matemático, nos permitem descobrir as distribuições 3-D de moléculas, "disse Bartels." Este processo imita o espalhamento coerente, muito parecido com a imagem de ultrassom.

Combinando matemática e ótica para criar modelos

Tirar todas essas medições de luz fornece dados, mas só é útil se o modelo certo puder ser construído para interpretá-lo.

As tomografias e ressonâncias magnéticas usam modelos matemáticos semelhantes para obter dados que são representações de baixa dimensão do objeto para construir uma imagem 3D detalhada. Usar luz incoerente para criar um modelo digital 3-D requer uma nova estratégia orientada matematicamente.

É aí que entra o professor de engenharia elétrica e de computação Ali Pezeshki.

Usando dados das medições de potência total da luz em forma que sai de um objeto fluorescente, Os modelos matemáticos de Pezeshki evitam que o ruído seja controlado e que informações valiosas sejam ocultadas. As distribuições tridimensionais das moléculas podem então ser coletadas como se fossem coerentes.

Colaboração sinérgica

Este trabalho é um dos destaques de uma colaboração multidisciplinar produtiva entre o grupo de Bartels e o grupo Squier na Colorado School of Mines.

"Torna-se uma colaboração sinérgica, "disse Bartels." Tem que ser uma conversa entre pessoas de diferentes conhecimentos para entender as limitações dos diferentes domínios. "

Desde 2016, os grupos colaboraram em quase uma dúzia de publicações publicadas, com mais sendo escrito. Os esforços interdisciplinares da matemática, Ciência, e a engenharia permite que eles ultrapassem os limites da imagem óptica com aplicações que vão da manufatura avançada à neurociência.

"Os alunos realmente conseguem ver os problemas das diferentes perspectivas fornecidas por Randy, Jeff Field, Ali e eu, "disse Squier." Fizemos avanços na geração de imagens, eu suspeito que nenhum de nós previu até que lançamos este esforço colaborativo e agora o estamos aplicando em domínios que não tínhamos imaginado anteriormente. "