Lorsqu'il s'agit d'obtenir un aperçu tridimensionnel des cellules du corps humain, ce n'est pas très différent que de déterminer précisément où se trouve une luciole dans un champ la nuit. Nous pouvons dire dans quelle direction il est, mais il est difficile de savoir à quelle distance il est.

Une luciole émet de la luminescence, lumière incohérente. Les ondes lumineuses s'étalent sans se propager dans une direction particulière, ce qui rend difficile la détermination de l'emplacement exact de la luciole.

Une chauve-souris volant dans le ciel nocturne n'aurait pas le même problème. Il peut facilement localiser cette pauvre luciole en lançant une onde sonore dans la direction de la mouche et en écoutant l'écho de retour. L'onde sonore de la chauve-souris est cohérente et directionnelle, lui permettant de localiser la luciole avec les ondes sonores rétrodiffusées.

Une diffusion d'ondes cohérente similaire est utilisée dans toutes sortes de technologies courantes, y compris les échographies, sonar, radar, et la diffraction optique cohérente. Toutes ces méthodes nécessitent des ondes cohérentes, avec des pics et des vallées bien comportés de la vague au fur et à mesure qu'elle se propage. Dans le monde de l'optique, les lasers présentent la même cohérence d'onde.

Grâce au financement des National Institutes of Health, groupe de génie électrique et informatique du professeur Randy Bartels, en collaboration avec le professeur Ali Pezeshki, Dr Jeff Field, Le professeur Jeff Squier de la Colorado School of Mines, et étudiant diplômé Patrick Stockton, trouvé un moyen de traiter l'émission de lumière incohérente comme s'il s'agissait d'une lumière cohérente. Cette nouvelle technologie permet à l'équipe de collecter la lumière incohérente émise par des molécules fluorescentes et de reconstituer des modèles numériques 3D de l'objet.

« Nous avons maintenant une toute nouvelle façon de déterminer d'où provient la lumière fluorescente qui n'était pas accessible auparavant, " dit Bartel.

Création d'un modèle à partir d'une lumière incohérente

Publié dans la revue Optique , Le groupe de Bartels a combiné l'optique et les calculs mathématiques pour développer une nouvelle stratégie qui façonne la lumière fluorescente incohérente émise par un objet pour former une image 3D haute résolution.

Bartels compare la stratégie à l'imagerie par ultrasons qui crée une image d'une cellule ou d'un autre objet dans le corps humain. L'échographie utilise les oscillations des ondes sonores réfléchies par un objet pour créer une image, en utilisant des calculs mathématiques pour déterminer les différences de distance et de temps nécessaires pour renvoyer une onde au détecteur.

Le problème avec la lumière fluorescente, souvent utilisé dans les microscopes optiques, c'est que la lumière est incohérente. L'émission fluorescente incohérente brouille la phase de la lumière émise, qui masque l'emplacement des émetteurs fluorescents.

L'équipe collaborative a utilisé une stratégie qui imite la diffusion cohérente de la lumière dans une image d'émission de lumière incohérente, en transférant les différences de phase de faisceaux spatialement cohérents en une variation temporelle d'émission de lumière fluorescente. A l'aide d'une modulation spatiale et temporelle de la lumière d'éclairage, avec un modèle mathématique de la formation du signal, l'équipe a créé un modèle 3-D à plus haute résolution grâce à l'inversion informatique des données.

Le processus imite la préservation de l'oscillation cohérente de la lumière dans le processus de diffusion, renvoyer des mesures de l'emplacement précis et de la luminosité des objets émettant une lumière incohérente.

« Nous avons une séquence de lumière formée que nous utilisons pour éclairer l'objet, puis nous mesurons simplement la puissance de la fluorescence sortant de l'objet. Ces données, combinées à un modèle mathématique, nous permettent de comprendre les distributions 3D de molécules, " a déclaré Bartels. " Ce processus imite la diffusion cohérente un peu comme l'imagerie par ultrasons. "

Combiner les mathématiques et l'optique pour créer des modèles

Prendre toutes ces mesures de la lumière donne des données, mais cela n'est utile que si le bon modèle peut être construit pour l'interpréter.

Les tomodensitogrammes et les IRM utilisent des modèles mathématiques similaires pour prendre des données qui sont des représentations de faible dimension de l'objet afin de créer une image 3D détaillée. Utiliser une lumière incohérente pour créer un modèle numérique 3D nécessite une nouvelle stratégie mathématique.

C'est là qu'intervient le professeur de génie électrique et informatique Ali Pezeshki.

En utilisant les données des mesures de puissance totale de la lumière formée sortant d'un objet fluorescent, Les modèles mathématiques de Pezeshki empêchent la gestion du bruit et les informations précieuses d'être enterrées. Les distributions tridimensionnelles des molécules peuvent alors être collectées comme si elles étaient cohérentes.

Collaboration synergique

Ce travail est l'un des points saillants d'une collaboration multidisciplinaire productive entre le groupe Bartels et le groupe Squier à la Colorado School of Mines.

"Cela devient une collaboration synergique, " a déclaré Bartels. "Ce doit être une conversation entre des personnes d'expertise différente pour comprendre les limites des différents domaines."

Depuis 2016, les groupes ont collaboré à près d'une douzaine de publications publiées, avec plus en cours d'écriture. Les efforts interdisciplinaires des mathématiques, science, et l'ingénierie leur permettent de repousser les limites de l'imagerie optique avec des applications allant de la fabrication de pointe aux neurosciences.

« Les étudiants ont vraiment la possibilité de voir les problèmes sous différents angles fournis par Randy, Jeff Champ, Ali et moi-même, " a déclaré Squier. " Nous avons fait des progrès dans l'imagerie, je suppose qu'aucun d'entre nous n'avait prévu jusqu'à ce que nous lancions cet effort de collaboration et que nous l'appliquions maintenant dans des domaines que nous n'avions pas envisagés auparavant. "