Ny teknik tager 3D-billeddannelse en oktav højere

Et samarbejde mellem Colorado State University og University of Illinois i Urbana-Champaign resulterede i en ny, 3D-billeddannelsesteknik til visualisering af væv og andre biologiske prøver i mikroskopisk skala, med potentiale til at hjælpe med kræft eller andre sygdomsdiagnoser.

Deres teknik, som gør det muligt for prøver at generere lys ved dobbelt frekvens, eller halvdelen af ​​bølgelængden, af det indfaldende lys, kaldes harmonisk optisk tomografi og ser på 3D-signaler, der genereres fra prøven. Teamets arbejde er beskrevet i et papir, "Harmonisk optisk tomografi af ikke -lineære strukturer, " offentliggjort online 1. juni i Naturfotonik .

Harmonisk optisk tomografi, eller VARMT, er baseret på brug af holografisk information, som måler både intensiteten og faseforsinkelsen af ​​lyset, at generere 3-D billeder af en prøve ved at udnytte en ny fysisk mekanisme, der bruges til at opnå tredimensionelle billeder.

"Vores laboratorium har specialiseret sig i at bruge holografiske data til at undersøge levende celler og væv, "sagde Gabriel Popescu, en professor i elektro- og computerteknik ved University of Illinois og direktør for Quantitative Light Imaging Laboratory ved Beckman Institute for Advanced Science and Technology. "Vi ønskede at udvide denne teknik til ikke-lineære prøver ved at kombinere de holografiske data og nye fysikmodeller."

Anvendelsesområde

Normalt billeder, som dem, der er fanget af et mobiltelefonkamera, flad tredimensionel information ud på et todimensionalt billede. Tredimensionel billeddannelse, der kan kigge ind i det indre af et objekt, giver kritisk information til en bred vifte af applikationer, såsom medicinsk diagnostik, at finde revner i oliebrønde og flyvinger, ved hjælp af tomografisk røntgen, og ultralydsmetoder.

I dette samarbejde holdet udviklede teoretiske modeller til at beskrive, hvordan man kan afbilde vævet og opdagede en unik mulighed for 3D-billeddannelse, der opstår, kontraintuitivt, ved at belyse prøven med sløret, ude af fokus laserlys. Holdet designede og byggede et nyt system på Colorado State University til at indsamle data. Dataene blev derefter rekonstrueret med computerbaserede billedbehandlingsalgoritmer. Eksperimenterne bekræftede en helt ny form for optisk tomografi, producerer enestående validering af de eksperimentelle forudsigelser.

"En nøgle til den eksperimentelle demonstration af denne nye ikke-lineære tomografiske billeddannelse var en skik, høj effekt laser, designet og bygget af CSU kandidatstuderende Keith Wernsing, " sagde Randy Bartels, professor i CSU's Institut for Elektro- og Computerteknik og papirmedforfatter. "Denne kilde blev integreret i et brugerdefineret off-akse holografisk mikroskop, der brugte en kondensatorlinse med høj numerisk blænde, defokuseret til bredfeltsbelysning. Det er denne specielle belysningstilstand, der gør det muligt for den ikke-lineære optik at skabe det anden harmoniske generationssignal og opnå information til at danne et 3-D billede. Dette arbejde er et spændende eksempel på, hvordan tæt dialog muliggør forfining af både teori og eksperimentelt design for at producere innovative nye koncepter."

Tilføjet Varun Kelkar, en ECE-kandidatstuderende, der tidligere arbejdede med papirmedforfatter professor Kimani C. Toussaint, Jr.:"HOT startede som et interessant teoretisk projekt, jeg arbejdede på med professor Popescu som en del af hans mikroskopi-kursus på kandidatniveau i mit første år på gymnasiet. At udvikle ideen krævede syntese af begreber fra flere underområder af optik, som Jeg lærte gennem hele min bachelor- og gradskole. Jeg er spændt på at se det modnes til en fungerende eksperimentel prototype." Kelkar er i øjeblikket medlem af professor Mark Anastasios Computational Imaging Science Lab ved University of Illinois.

To typer prøver

Forskerne brugte to typer prøver til at teste deres teori, sagde Chengfei Hu, en kandidatstuderende i Popescu-gruppen. Den første var en fremstillet krystal, der typisk bruges til at generere ikke-lineære signaler. Den anden var en biologisk prøve, hvor de brugte et muskelvæv. Teknikken er nyttig til at se på objekter, der er svære at studere med konventionelle billeddannelsesmetoder.

Kollagen er en ekstremt lysstærk generator af anden harmonisk ved hjælp af den samme proces, der laver grønt lys i en laserpointer. Da kollagen er det mest rigelige protein i menneskekroppen, evnen til kollagen ikke-lineære egenskaber kan ændre frekvensen af ​​lyset, som de brugte i denne nye tomografiske billedbehandlingsmetode, sagde Popescu. "De fleste efterforskere ser på det i 2D og ikke 3D, " sagde han "Ved at bruge denne teknik, vi kan bruge orienteringen af ​​kollagenfibrene som en reporter om, hvor aggressiv kræften er."

Ifølge Jeff Field, direktør for Microscopy Core Facility ved CSU og en forsker i elektroteknik:"Denne nye type tomografisk billeddannelse kan vise sig at være meget værdifuld for en bred vifte af undersøgelser, der i øjeblikket er afhængige af todimensionelle billeder for at forstå kollagenfiberorientering, som har vist sig at være prognostisk for en række kræfttyper."

Enklere og hurtigere

Mark, som hjalp med at designe og bygge HOT-mikroskopet, sammenlignede denne nye tomografiske strategi med andre former for tomografi.

"I de fleste tomografiske billeddannelsesmetoder, som en CT-scanning (computertomografi) på hospitalet, enten prøven eller belysningen skal drejes, som kan være meget udfordrende at implementere i mikroskopisk skala, " Field forklaret. "Med denne nye metode, prøven skal kun oversættes i en retning, hvilket forenkler geometrien betydeligt og minimerer fejljusteringer, gør det lettere at anvende til en bred vifte af applikationer."

Field fortsatte med at beskrive, hvor meget hurtigere det nye HOT-mikroskop er til at indhente 3D-data sammenlignet med laserscanningsmikroskopi.

"Den mest almindelige metode til 3D-harmonisk billeddannelse er laserscanning, hvor en fokuseret stråle flyttes pixel-for-pixel for at danne et 2-D-billede. Et 3-D-billede er rekonstrueret ud fra en 'stak' af disse 2-D-billeder taget fra forskellige dybder i vævet, "sagde han." HOT indsamler også 2-D-billeder som en funktion af dybden, men uden den langsomme proces med pixel-for-pixel-scanning. Dette gør det muligt at indsamle 3D-billeder på en brøkdel af den tid, der typisk kræves ved laserscanning. "

I modsætning til typiske laserscanningsmikroskoper, "en ekstra fordel ved HOT er, at dens hastighed gør den meget mindre sårbar over for vibrationer og uønsket mikroskopdrift, hvilket fører til skarpere billeder og øget gentagelighed, " sagde medforfatter Toussaint, en tidligere professor ved College of Engineering i Illinois og nu professor ved School of Engineering ved Brown University.