Une collaboration entre l'Université d'État du Colorado et l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a abouti à un nouveau Technique d'imagerie 3D pour visualiser les tissus et autres échantillons biologiques à l'échelle microscopique, avec le potentiel d'aider au diagnostic du cancer ou d'autres maladies.

Leur technique, qui permet aux spécimens de générer de la lumière à une fréquence double, ou la moitié de la longueur d'onde, de la lumière incidente, est appelée tomographie optique harmonique et examine les signaux 3D générés à partir de l'échantillon. Le travail de l'équipe est décrit dans un document, « Tomographie optique harmonique de structures non linéaires, " publié en ligne le 1er juin dans Photonique de la nature .

Tomographie optique harmonique, ou CHAUD, est basé sur l'utilisation d'informations holographiques, qui mesure à la fois l'intensité et le retard de phase de la lumière, générer des images 3D d'un échantillon en exploitant un nouveau mécanisme physique utilisé pour obtenir des images tridimensionnelles.

"Notre laboratoire est spécialisé dans l'utilisation de données holographiques pour étudier les cellules et les tissus vivants, " a déclaré Gabriel Popescu, professeur d'ingénierie électrique et informatique à l'Université de l'Illinois et directeur du Quantitative Light Imaging Laboratory au Beckman Institute for Advanced Science and Technology. "Nous voulions étendre cette technique aux échantillons non linéaires en combinant les données holographiques et de nouveaux modèles physiques."

Gamme d'applications

Généralement des images, tels que ceux capturés par une caméra de téléphone portable, aplatir des informations tridimensionnelles sur une image bidimensionnelle. L'imagerie tridimensionnelle qui peut scruter l'intérieur d'un objet fournit des informations critiques pour un large éventail d'applications, comme les diagnostics médicaux, trouver des fissures dans les puits de pétrole et les ailes d'avion, par radiographie tomographique, et les méthodes ultrasonores.

Dans cette collaboration, l'équipe a développé des modèles théoriques pour décrire comment imager le tissu et a découvert une capacité unique d'imagerie 3D qui se présente, contre-intuitivement, en éclairant l'échantillon avec un flou, lumière laser floue. L'équipe a conçu et construit un nouveau système à la Colorado State University pour collecter des données. Les données ont ensuite été reconstruites avec des algorithmes d'imagerie informatique. Les expériences ont vérifié une toute nouvelle forme de tomographie optique, produire une validation exceptionnelle des prédictions expérimentales.

"Une clé de la démonstration expérimentale de cette nouvelle imagerie tomographique non linéaire était une coutume, laser haute puissance, conçu et construit par Keith Wernsing, étudiant diplômé de la CSU, " a déclaré Randy Bartels, professeur au Département de génie électrique et informatique de la CSU et co-auteur de l'article. "Cette source a été intégrée dans un microscope holographique hors axe personnalisé qui utilisait une lentille de condenseur à grande ouverture numérique défocalisée pour un éclairage à grand champ. C'est cette condition d'éclairage spéciale qui permet à l'optique non linéaire de créer le signal de génération de deuxième harmonique et d'obtenir des informations pour former une image en 3D. Ce travail est un exemple passionnant de la façon dont un dialogue étroit permet d'affiner à la fois la théorie et la conception expérimentale pour produire de nouveaux concepts innovants.

Ajout de Varun Kelkar, un étudiant diplômé de l'EPE qui a auparavant travaillé avec le co-auteur de l'article, le professeur Kimani C. Toussaint, Jr. :" HOT a commencé comme un projet théorique intéressant sur lequel j'ai travaillé avec le professeur Popescu dans le cadre de son cours de microscopie de niveau supérieur au cours de ma première année d'études supérieures. Le développement de l'idée nécessitait la synthèse des concepts de plusieurs sous-domaines de l'optique qui J'ai appris tout au long de mes études de premier cycle et d'études supérieures. Je suis ravi de le voir mûrir en un prototype expérimental fonctionnel. " Kelkar est actuellement membre du laboratoire d'imagerie informatique du professeur Mark Anastasio à l'Université de l'Illinois.

Deux types d'échantillons

Les chercheurs ont utilisé deux types d'échantillons pour tester leur théorie, dit Chengfei Hu, un étudiant diplômé du groupe Popescu. Le premier était un cristal manufacturé qui est généralement utilisé pour générer des signaux non linéaires. Le second était un échantillon biologique où ils ont utilisé un tissu musculaire. La technique est utile pour regarder des objets difficiles à étudier par des méthodes d'imagerie conventionnelles.

Le collagène est un générateur extrêmement lumineux de deuxième harmonique utilisant le même processus qui fait la lumière verte dans un pointeur laser. Le collagène étant la protéine la plus abondante dans le corps humain, la capacité des propriétés non linéaires du collagène peut modifier la fréquence de la lumière qu'ils ont utilisée dans cette nouvelle approche d'imagerie tomographique, dit Popescu. "La plupart des enquêteurs l'examinent en 2D et non en 3D, " il a dit " En utilisant cette technique, nous pouvons utiliser l'orientation des fibres de collagène comme indicateur de l'agressivité du cancer."

Selon Jeff Field, directeur du Microscopy Core Facility au CSU et chercheur en génie électrique :« Ce nouveau type d'imagerie tomographique pourrait s'avérer très précieux pour un large éventail d'études qui reposent actuellement sur des images bidimensionnelles pour comprendre l'orientation des fibres de collagène, qui s'est avéré être pronostique pour un certain nombre de types de cancer."

Plus simple et plus rapide

Champ, qui a aidé à concevoir et à construire le microscope HOT, comparé cette nouvelle stratégie tomographique à d'autres formes de tomographie.

"Dans la plupart des méthodes d'imagerie tomographique, comme une tomodensitométrie (tomodensitométrie) à l'hôpital, soit l'échantillon soit l'éclairage doivent être tournés, qui peut être très difficile à mettre en œuvre à l'échelle microscopique, " Field a expliqué. " Avec cette nouvelle méthode, l'échantillon n'a besoin d'être traduit que dans un sens, ce qui simplifie considérablement la géométrie et minimise les désalignements, ce qui facilite son application à un large éventail d'applications."

Field a poursuivi en décrivant à quel point le nouveau microscope HOT est plus rapide pour acquérir des données 3D par rapport à la microscopie à balayage laser.

« La méthode la plus courante pour l'imagerie de la seconde harmonique en 3D est le balayage laser, où un faisceau focalisé est déplacé pixel par pixel pour former une image 2-D. Une image 3D est reconstruite à partir d'une « pile » de ces images 2D prises à différentes profondeurs dans le tissu, ", a-t-il déclaré. " HOT collecte également des images 2D en fonction de la profondeur, mais sans le lent processus de numérisation pixel par pixel. Cela permet de collecter des images 3D en une fraction du temps généralement requis par le balayage laser."

Contrairement aux microscopes à balayage laser typiques, "un avantage supplémentaire de HOT est que sa vitesse le rend beaucoup moins vulnérable aux vibrations et à la dérive indésirable du microscope, ce qui conduit à des images plus nettes et une répétabilité accrue, " a déclaré le co-auteur Toussaint, ancien professeur au College of Engineering de l'Illinois et maintenant professeur à la School of Engineering de l'Université Brown.