Wetenschap
Polarisatiegevoelige tomografie gemakkelijk gemaakt met tensoriële tomografische Fourier-ptychografie
Naast fase-informatie kan de manier waarop cellen of weefsel interageren met gepolariseerd licht – en hoe deze interacties veranderen afhankelijk van de richting van de polarisatie – nuttige informatie opleveren voor het diagnosticeren van bepaalde pathologieën of het bestuderen van biologische processen.
Hoewel er enkele methoden zijn die zowel fase- als anisotropie-informatie kunnen extraheren om tomografische 3D-reconstructies te maken, zijn deze technieken doorgaans duur en complex om op te zetten, waardoor hun gebruik in klinische toepassingen beperkt is.
In een recent onderzoek heeft een internationaal onderzoeksteam, waaronder prof. Roarke Horstmeyer en dr. Shiqi Xu van Duke University, deze beperkingen aangepakt.
Zoals gerapporteerd in Advanced Photonics , ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe beeldvormingstechniek genaamd tensoriële tomografische Fourier-ptychografie (of "T 2 oFu"). Deze methode kan worden gebruikt om gelijktijdig kwantitatieve fase- en polarisatiegevoelige informatie uit biologische monsters te verkrijgen.
Een belangrijk kenmerk van T 2 oFu is de goedkope optische opstelling. Het systeem omvat een individueel adresseerbare LED-matrix als verlichtingsbron. Om polarisatie-afhankelijke informatie te verkrijgen, maakt het systeem ook gebruik van een circulaire polarisator tussen de verlichting en het monster, evenals van een polarisatiegevoelige camera.
Om polarisatiegevoelige kwantitatieve fasetomografie met deze opstelling te reconstrueren, ontwikkelde het onderzoeksteam T 2 oFu's reconstructiemodel vanaf de basis. Gebaseerd op theorieën over lichtvoortplanting hebben ze een wiskundig model afgeleid dat experimentele metingen nauwkeurig beschrijft.
Nu de experimentele opzet en het theoretische raamwerk waren vastgesteld, heeft het team hun methode op de proef gesteld door middel van een reeks experimenten. Eerst reconstrueerden ze gedetailleerde 3D-beelden van spiervezels met anisotropie- en fase-informatie, waardoor een duidelijk beeld ontstond van individuele spierfilamenten. Dit heeft belangrijke implicaties voor diagnostische doeleinden.
"Structurele beeldvorming met hoog contrast en hoge resolutie van intrinsieke signalen in skeletspiervezels is belangrijk voor de tijdige detectie van veranderingen in de myofibrillaire organisatie die kunnen leiden tot skeletmyopathieën", legt Dr. Horstmeyer uit. "Momenteel wordt 3D-spierweefsel doorgaans in beeld gebracht door complexe en dure systemen, zoals microscopie van de tweede harmonische generatie (SHG). Ons goedkope, op LED's gebaseerde systeem liet met name resultaten zien die vergelijkbaar zijn met die beschreven in de literatuur over SHG-beeldvorming." /P>
Vervolgens brachten de onderzoekers een hartweefselmonster in beeld met cardiale amyloïdose, een zeer dodelijke ziekte die alleen al in de VS meer dan 12.000 patiënten treft.
"In de huidige praktijk wordt biopsie van hartweefsel eerst ingevroren en in dunne plakjes gesneden, vervolgens gekleurd met een roodgekleurde kleurstof en geïnspecteerd onder een kruisgepolariseerde microscoop", zegt Dr. Xu. "Bij onze metingen was de structuur van de anisotropie-reconstructie sterk gecorreleerd met het kleurgekleurde kruisgepolariseerde beeld dat kenmerken van amyloïdose weergeeft. De voorgestelde aanpak kan dus mogelijk nuttig zijn voor snelle inspecties ter plaatse in de toekomst." P>
Over het geheel genomen T 2 oFu lijkt een krachtige en praktische techniek te zijn die polarisatie en fasebeeldvorming gemakkelijker toegankelijk zou kunnen maken. Verdere verfijningen zullen dit hulpmiddel hopelijk beschikbaar maken voor meer wetenschappers en artsen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor betere diagnostiek en een dieper begrip van ons lichaam.