Een samenwerking tussen Colorado State University en University of Illinois in Urbana-Champaign resulteerde in een nieuwe, 3D-beeldvormingstechniek om weefsels en andere biologische monsters op microscopische schaal te visualiseren, met potentieel om te helpen bij kanker of andere ziektediagnoses.

Hun techniek, waardoor specimens licht kunnen genereren met een dubbele frequentie, of de helft van de golflengte, van het invallende licht, wordt harmonische optische tomografie genoemd en kijkt naar 3D-signalen die uit het monster worden gegenereerd. Het werk van het team wordt beschreven in een paper, "Harmonische optische tomografie van niet-lineaire structuren, " online gepubliceerd op 1 juni in Natuurfotonica .

Harmonische optische tomografie, of HEET, is gebaseerd op het gebruik van holografische informatie, die zowel de intensiteit als de fasevertraging van het licht meet, om 3D-afbeeldingen van een monster te genereren door gebruik te maken van een nieuw fysiek mechanisme dat wordt gebruikt om driedimensionale afbeeldingen te verkrijgen.

"Ons lab is gespecialiseerd in het gebruik van holografische gegevens om levende cellen en weefsels te onderzoeken, " zei Gabriël Popescu, een professor in elektrische en computertechniek aan de Universiteit van Illinois en directeur van het Quantitative Light Imaging Laboratory van het Beckman Institute for Advanced Science and Technology. "We wilden deze techniek uitbreiden naar niet-lineaire monsters door de holografische gegevens en nieuwe natuurkundige modellen te combineren."

Bereik van toepassingen

Meestal afbeeldingen, zoals die vastgelegd door een mobiele telefooncamera, vlak driedimensionale informatie af op een tweedimensionaal beeld. Driedimensionale beeldvorming die in het binnenste van een object kan kijken, levert kritische informatie voor een breed scala aan toepassingen, zoals medische diagnostiek, het vinden van scheuren in oliebronnen en vliegtuigvleugels, met behulp van tomografische röntgenfoto's, en ultrasone methoden.

In deze samenwerking het team ontwikkelde theoretische modellen om te beschrijven hoe het weefsel in beeld moet worden gebracht en ontdekte een unieke mogelijkheid voor 3D-beeldvorming die ontstaat, niet intuïtief, door het monster wazig te belichten, onscherp laserlicht. Het team ontwierp en bouwde een nieuw systeem aan de Colorado State University om gegevens te verzamelen. De gegevens werden vervolgens gereconstrueerd met computationele beeldalgoritmen. De experimenten bevestigden een geheel nieuwe vorm van optische tomografie, het produceren van uitstekende validatie van de experimentele voorspellingen.

"Een sleutel tot de experimentele demonstratie van deze nieuwe niet-lineaire tomografische beeldvorming was een gewoonte, krachtige laser, ontworpen en gebouwd door CSU-afgestudeerde student Keith Wernsing, " zei Randy Bartels, professor in CSU's Department of Electrical and Computer Engineering en co-auteur van papier. "Deze bron is geïntegreerd in een aangepaste holografische microscoop buiten de as die een condensorlens met een hoge numerieke apertuur gebruikte die onscherp was voor breedveldverlichting. Het is deze speciale verlichtingsconditie die de niet-lineaire optica in staat stelt het signaal van de tweede harmonische generatie te creëren en informatie te verkrijgen om zich te vormen een 3D-beeld. Dit werk is een opwindend voorbeeld van hoe een nauwe dialoog verfijning van zowel theorie als experimenteel ontwerp mogelijk maakt om innovatieve nieuwe concepten te produceren."

Varun Kelkar toegevoegd, een ECE-afgestudeerde student die voorheen werkte met papierco-auteur professor Kimani C. Toussaint, Jr.:"HOT begon als een interessant theoretisch project waar ik aan werkte met professor Popescu als onderdeel van zijn microscopiecursus op graduaatniveau in mijn eerste jaar van de grad school. Ik heb geleerd tijdens mijn undergrad en graduate school. Ik ben opgewonden om het te zien uitgroeien tot een functionerend experimenteel prototype.' Kelkar is momenteel lid van het Computational Imaging Science Lab van professor Mark Anastasio aan de Universiteit van Illinois.

Twee soorten monsters

De onderzoekers gebruikten twee soorten steekproeven om hun theorie te testen, zei Chengfei Hu, een afgestudeerde student in de Popescu-groep. De eerste was een vervaardigd kristal dat doorgaans wordt gebruikt voor het genereren van niet-lineaire signalen. De tweede was een biologisch monster waarbij ze spierweefsel gebruikten. De techniek is handig om naar objecten te kijken die moeilijk te bestuderen zijn met conventionele beeldvormingsmethoden.

Collageen is een extreem heldere generator van tweede harmonische met hetzelfde proces dat groen licht maakt in een laserpointer. Aangezien collageen het meest voorkomende eiwit in het menselijk lichaam is, het vermogen van niet-lineaire collageeneigenschappen kan de frequentie van het licht veranderen dat ze in deze nieuwe tomografische beeldvormingsbenadering gebruikten, aldus Popescu. "De meeste onderzoekers bekijken het in 2D en niet in 3D, " zei hij "Met behulp van deze techniek, we kunnen de oriëntatie van de collageenvezels gebruiken als een verslaggever van hoe agressief de kanker is."

Volgens Jeff Field, directeur van de Microscopy Core Facility bij CSU en een onderzoekswetenschapper in elektrotechniek:"Dit nieuwe type tomografische beeldvorming kan zeer waardevol blijken te zijn voor een breed scala aan onderzoeken die momenteel afhankelijk zijn van tweedimensionale afbeeldingen om de oriëntatie van collageenvezels te begrijpen, waarvan is aangetoond dat het prognostisch is voor een aantal soorten kanker."

Eenvoudiger en sneller

Veld, die hielpen bij het ontwerpen en bouwen van de HOT-microscoop, vergeleek deze nieuwe tomografische strategie met andere vormen van tomografie.

"Bij de meeste tomografische beeldvormingsmethoden, zoals een CT-scan (computertomografie) in het ziekenhuis, ofwel het monster of de verlichting moet worden gedraaid, wat zeer uitdagend kan zijn om op microscopische schaal te implementeren, " Field uitgelegd. "Met deze nieuwe methode, het monster hoeft maar in één richting te worden vertaald, wat de geometrie aanzienlijk vereenvoudigt en uitlijnfouten minimaliseert, waardoor het eenvoudiger wordt om een ​​breed scala aan toepassingen toe te passen."

Field ging verder met te beschrijven hoeveel sneller de nieuwe HOT-microscoop is bij het verzamelen van 3D-gegevens in vergelijking met laserscanmicroscopie.

"De meest gebruikelijke methode voor 3D tweede harmonische beeldvorming is laserscannen, waarbij een gefocusseerde straal pixel voor pixel wordt verplaatst om een ​​2D-beeld te vormen. Een 3D-afbeelding wordt gereconstrueerd uit een 'stapel' van deze 2D-afbeeldingen die vanuit verschillende diepten in het weefsel zijn genomen, " zei hij. "HOT verzamelt ook 2D-beelden als een functie van diepte, maar zonder het langzame proces van pixel-voor-pixel scannen. Dit maakt het mogelijk om 3D-beelden te verzamelen in een fractie van de tijd die normaal gesproken nodig is voor laserscannen."

In tegenstelling tot typische laser-scanning microscopen, "een bijkomend voordeel van HOT is dat het door zijn snelheid veel minder kwetsbaar is voor trillingen en ongewenste microscoopafwijkingen, wat leidt tot scherpere beelden en verhoogde herhaalbaarheid, " zei co-auteur Toussaint, een voormalig professor aan het College of Engineering in Illinois en nu professor aan de School of Engineering aan de Brown University.