FlatScope est développé à l'Université Rice pour être utilisé comme un microscope à fluorescence capable de capturer des données tridimensionnelles et de produire des images de n'importe où dans le champ de vision. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Les lentilles ne sont plus nécessaires pour certains microscopes, selon les ingénieurs de l'Université Rice développant FlatScope, un microscope à fluorescence mince dont les capacités promettent de surpasser celles des appareils de la vieille école.
Un papier en Avancées scientifiques par les ingénieurs de Rice Ashok Veeraraghavan, Jacob Robinson, Richard Baraniuk et leurs laboratoires décrivent un microscope à grand champ plus fin qu'une carte de crédit, assez petit pour tenir sur le bout d'un doigt et capable d'une résolution micrométrique sur un volume de plusieurs millimètres cubes.
FlatScope élimine le compromis qui entrave les microscopes traditionnels dans lesquels les réseaux de lentilles peuvent soit recueillir moins de lumière à partir d'un grand champ de vision, soit recueillir plus de lumière à partir d'un champ plus petit.
L'équipe Rice a commencé à développer l'appareil dans le cadre d'une initiative fédérale de la Defense Advanced Research Projects Agency en tant qu'implant implantable, interface neuronale haute résolution. Mais le potentiel de l'appareil est bien plus grand. Les chercheurs affirment que FlatScope, une avance sur la FlatCam précédente des laboratoires, pourrait être utilisé comme endoscope implantable, un imageur à grande surface ou un microscope flexible.
"Nous pensons que cela augmente FlatCam afin qu'il puisse résoudre des problèmes encore plus importants, " a déclaré Baraniuk.
Les microscopes à fluorescence traditionnels sont des outils essentiels en biologie. Ils captent les signaux fluorescents des particules insérées dans les cellules et les tissus qui sont éclairés par des longueurs d'onde de lumière spécifiques. La technique permet aux scientifiques de sonder et de suivre les agents biologiques avec une résolution à l'échelle nanométrique.
Les étudiants diplômés de l'Université Rice Vivek Boominathan, la gauche, et Jesse Adams ont mis en place une expérience avec FlatScope, un petit, caméra sans objectif qu'ils ont configurée pour être utilisée comme un microscope à fluorescence capable de capturer des données tridimensionnelles et de produire des images de n'importe où dans le champ de vision. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Mais comme tous les microscopes traditionnels, télescopes et caméras, leur résolution dépend de la taille de leurs objectifs, qui peuvent être volumineux et lourds et limiter leur utilisation dans les applications biologiques.
L'équipe Rice adopte une approche différente. Il utilise les mêmes puces de dispositif à couplage de charge (CCD) que l'on trouve dans toutes les caméras électroniques pour capturer la lumière entrante, mais les comparaisons s'arrêtent là. Comme le projet FlatCam qui l'a inspiré, Le champ de vision du FlatScope est égal à la taille du capteur CCD, qui peut être aussi grand ou aussi petit que nécessaire. Il est plat car il remplace le réseau de lentilles d'un microscope traditionnel par un masque d'amplitude personnalisé.
Ce masque, qui ressemble à un code barre, se trouve juste en face du CCD. La lumière qui traverse le masque et frappe le capteur devient des données qu'un programme informatique interprète pour produire des images.
L'algorithme peut se concentrer sur n'importe quelle partie des données tridimensionnelles capturées par l'oscilloscope et produire des images d'objets plus petits qu'un micron n'importe où sur le terrain.
Cette résolution est ce qui fait de l'appareil un microscope, dit Robinson. "Un appareil photo dans votre téléphone portable ou reflex numérique a généralement une résolution de l'ordre de 100 microns, " dit-il. " Quand vous prenez une photo macro, la résolution est d'environ 20 à 50 microns.
"Je pense à un microscope comme quelque chose qui vous permet d'imager des choses à l'échelle du micron, " dit-il. " Cela signifie des choses qui sont plus petites que le diamètre d'un cheveu humain, comme des cellules, parties de cellules ou la structure fine des fibres.
FlatScope, développé à l'Université Rice, capture des données tridimensionnelles qui passent à travers un masque et à une puce de caméra de la taille d'un ongle. Il envoie ces données à un ordinateur qui les traite en image. La caméra peut être utilisée comme endoscope implantable, un imageur à grande surface ou un microscope flexible. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Atteindre cette résolution a nécessité des modifications du masque FlatCam pour réduire davantage la quantité de lumière qui atteint le capteur ainsi qu'une réécriture de leur logiciel, dit Robinson. "Ce n'était pas aussi trivial que d'appliquer simplement l'algorithme FlatCam aux mêmes techniques que nous utilisions pour imager des choses qui sont loin, " il a dit.
Le masque s'apparente à l'ouverture d'un appareil photo à objectif qui focalise la lumière sur le capteur, mais il n'est qu'à quelques centaines de micromètres du capteur et ne laisse passer qu'une fraction de la lumière disponible, limiter la quantité de données pour simplifier le traitement.
"Dans le cas d'un appareil photo mégapixel, ce problème de calcul nécessite une matrice d'un million de fois un million d'éléments, ", a déclaré Robinson. "C'est une matrice incroyablement grande. Mais parce que nous le décomposons à travers ce modèle de lignes et de colonnes, notre matrice ne contient que 1 million d'éléments."
Cela réduit les données de chaque instantané de six téraoctets à 21 mégaoctets plus pratiques, ce qui se traduit par des délais de traitement courts. Depuis les premières versions de FlatCam qui nécessitaient une heure ou plus pour traiter une image, FlatScope capture 30 images de données 3D par seconde.
Veeraraghavan a déclaré que l'Internet des objets en plein essor peut fournir de nombreuses applications pour les caméras plates et les microscopes. Cela réduirait à son tour les coûts. « L'un des grands avantages de cette technologie par rapport aux appareils photo traditionnels est que parce que nous n'avons pas besoin d'objectifs, nous n'avons pas besoin d'assemblage post-fabrication, " a-t-il dit. " Nous pouvons imaginer cela sortir d'une chaîne de fabrication. "
Mais leurs principales cibles sont les usages médicaux, des télescopes implantables pour la clinique aux microscopes de la taille d'une paume pour le champ de bataille. " Pouvoir transporter un microscope dans sa poche est une technologie soignée, " a déclaré Veeraraghavan.
Les chercheurs ont noté que bien que leurs travaux actuels se concentrent sur les applications fluorescentes, FlatScope peut également être utilisé pour le fond clair, microscopie à fond noir et à lumière réfléchie. Ils ont suggéré qu'un tableau de FlatScopes sur un arrière-plan flexible pourrait être utilisé pour correspondre aux contours d'une cible.
