Synergistisk samarbejde fører til ny strategi for biomedicinsk 3-D billeddannelse

Når det kommer til at få et tredimensionelt kig på celler i den menneskelige krop, det er ikke meget anderledes end at finde ud af præcis, hvor en ildflue er på en mark om natten. Vi kan se, hvilken retning det er i, men det er udfordrende at vide, hvor langt væk det er.

En ildflue udsender selvlysende, usammenhængende lys. Lysbølgerne spredes ud uden at forplante sig i en bestemt retning, hvilket gør det svært at bestemme den nøjagtige placering af ildfluen.

En flagermus, der flyver gennem nattehimlen, ville ikke have det samme problem. Det kan let lokalisere den dårlige ildflue ved at starte en lydbølge i fluens retning og lytte efter returekkoet. Flagermusens lydbølge er sammenhængende og retningsbestemt, giver hende mulighed for at lokalisere ildfluens placering med de tilbagespredte lydbølger.

Lignende sammenhængende bølgespredning bruges i alle mulige hverdagsteknologier, inklusive ultralydsscanninger, sonar, radar, og kohærent optisk diffraktion. Alle disse metoder kræver sammenhængende bølger, med velopdragne tinder og bølgedale, når den forplanter sig. I optikkens verden, lasere udviser den samme bølgekohærens.

Under støtte af finansiering fra National Institutes of Health, elektro- og computerteknik professor Randy Bartels' gruppe, i samarbejde med professor Ali Pezeshki, Dr. Jeff Field, Colorado School of Mines professor Jeff Squier, og kandidatstuderende Patrick Stockton, fundet en måde at behandle usammenhængende lysemission, som om det var sammenhængende lys. Denne nye teknologi giver teamet mulighed for at indsamle usammenhængende lys udsendt af fluorescerende molekyler og rekonstruere 3-D digitale modeller af objektet.

"Vi har nu en helt ny måde at finde ud af, hvor fluorescerende lys kommer fra, som ikke var tilgængelig før, sagde Bartels.

At skabe en model ud fra usammenhængende lys

Udgivet i tidsskriftet Optica , Bartels' gruppe kombinerede optik og matematiske beregninger for at udvikle en ny strategi, der former usammenhængende fluorescerende lys udsendt af et objekt for at danne et højopløseligt 3D-billede.

Bartels sammenligner strategien med ultralydsbilleddannelse, der skaber et billede af en celle eller et andet objekt i den menneskelige krop. Ultralyd bruger oscillationerne af lydbølger, der reflekteres fra et objekt til at skabe et billede, ved hjælp af matematiske beregninger til at beregne forskellene i afstand og tid, det tog at returnere en bølge tilbage til detektoren.

Problemet med fluorescerende lys, ofte brugt i optiske mikroskoper, er, at lyset er usammenhængende. Den usammenhængende fluorescerende emission forvrider fasen af ​​det udsendte lys, som skjuler placeringen af ​​de fluorescerende emittere.

Det samarbejdende team anvendte en strategi, der efterligner sammenhængende lysspredning i et billede af usammenhængende lysemission, ved at overføre forskelle i fasen af ​​rumligt kohærente stråler til en tidsmæssig variation af fluorescerende lysemission. Ved at bruge en rumlig og tidsmæssig modulering af belysningslyset, sammen med en matematisk model af signaldannelsen, holdet skabte en 3-D-model med højere opløsning gennem beregningsmæssig inversion af dataene.

Processen efterligner bevarelsen af ​​sammenhængende oscillation af lys i spredningsprocessen, returnering af målinger af den præcise placering og lysstyrke af genstande, der udsender usammenhængende lys.

"Vi har en sekvens af formet lys, som vi bruger til at belyse objektet, og så måler vi simpelthen styrken af ​​det fluorescerende lys, der kommer ud af objektet. Disse data, når de kombineres med en matematisk model, giver os mulighed for at finde ud af 3D-fordelingerne af molekyler, "sagde Bartels." Denne proces efterligner kohærent spredning ligesom ultralydsbilleder. "

At kombinere matematik og optik for at skabe modeller

At tage alle disse målinger af lys giver data, men det er kun nyttigt, hvis den rigtige model kan bygges til at fortolke den.

CAT-scanninger og MRI'er bruger lignende matematiske modeller til at tage data, der er lavdimensionelle repræsentationer af objektet, for at bygge et detaljeret 3-D-billede. At bruge usammenhængende lys til at skabe en 3-D digital model kræver en ny matematisk drevet strategi.

Det er her, el- og computerteknik professor Ali Pezeshki kommer ind.

Ved at bruge data fra den samlede effektmåling af formet lys, der kommer ud af et fluorescerende objekt, Pezeshkis matematiske modeller forhindrer støjstyret og værdifuld information fra at blive begravet. De tredimensionelle fordelinger af molekyler kan derefter indsamles, som om de var sammenhængende.

Synergistisk samarbejde

Dette arbejde er et af højdepunkterne i et produktivt tværfagligt samarbejde mellem Bartels' gruppe og Squier-gruppen på Colorado School of Mines.

"Det bliver et synergistisk samarbejde, "sagde Bartels." Det skal være en samtale mellem mennesker med forskellig ekspertise for at forstå begrænsningerne for de forskellige domæner. "

Siden 2016 har grupperne har samarbejdet om næsten et dusin offentliggjorte publikationer, med mere der bliver skrevet. Den tværfaglige indsats i matematik, videnskab, og teknik gør dem i stand til at flytte grænserne for optisk billeddannelse med applikationer fra avanceret fremstilling til neurovidenskab.

"Eleverne får virkelig at se problemer fra de forskellige perspektiver leveret af Randy, Jeff Field, Ali og jeg, " sagde Squier. "Vi har gjort fremskridt inden for billeddannelse, som jeg formoder, at ingen af ​​os forudså, før vi lancerede dette samarbejde og nu anvender det på tværs af domæner, som vi ikke havde forestillet os tidligere."