В системе используется метод, называемый визуализацией времени жизни флуоресценции, который, в частности, применяется для секвенирования ДНК и диагностики рака. Таким образом, новая работа может иметь значение как для биологических исследований, так и для клинической практики.
«Цель нашей работы — взять электронную и оптическую точность этого большого дорогостоящего микроскопа и заменить ее сложным математическим моделированием», — говорит Аюш Бхандари, аспирант MIT Media Lab и один из разработчиков системы. «Мы показываем, что вы можете использовать что-то в потребительской визуализации, например Microsoft Kinect, для создания биоимиджинга почти так же, как это делает микроскоп."
Исследователи MIT сообщили о новой работе в ноябре.
20 номер журнала Optica. Бхандари является первым автором статьи, к нему присоединились доцент медиаискусств и наук Рамеш Раскар и Кристофер Барси, бывший научный сотрудник группы Раскара, который сейчас преподает физику в Школе Содружества в Бостоне.
Визуализация времени жизни флуоресценции, как следует из ее названия, зависит от флуоресценции или тенденции материалов, известных как флуорофоры, поглощать свет, а затем повторно излучать его через короткое время. Для данного флуорофора взаимодействие с другими химическими веществами сокращает интервал между поглощением и испусканием света предсказуемым образом.
Измерение этого интервала — «времени жизни» флуоресценции — в биологическом образце, обработанном флуоресцентным красителем, может выявить информацию о химическом составе образца.
При традиционной визуализации времени жизни флуоресценции система формирования изображения излучает вспышку света, большая часть которого поглощается образцом, а затем измеряет, сколько времени требуется, чтобы световые частицы или фотоны попали в массив детекторов. Чтобы измерения были максимально точными, световые вспышки очень короткие.
Время жизни флуоресценции, относящееся к биомедицинской визуализации, находится в наносекундном диапазоне.
Таким образом, традиционная визуализация времени жизни флуоресценции использует световые всплески, которые длятся всего пикосекунды или тысячные доли наносекунды.
Затупленный инструмент
Однако стандартные датчики глубины, такие как Kinect, используют световые импульсы, которые длятся десятки наносекунд.
Это хорошо для их предполагаемой цели: измерение глубины объектов путем измерения времени, которое требуется свету, чтобы отразиться от них и вернуться к датчику. Но это могло бы показаться слишком крупнозернистым для визуализации времени жизни флуоресценции.
Однако исследователи Media Lab извлекают дополнительную информацию из светового сигнала, подвергая его преобразованию Фурье. Преобразование Фурье — это метод разделения сигналов — оптических, электрических или акустических — на составляющие их частоты.
Данный сигнал, каким бы нерегулярным он ни был, можно представить как взвешенную сумму сигналов на множестве разных частот, каждый из которых совершенно регулярен.
Исследователи Media Lab представляют оптический сигнал, возвращаемый от образца, как сумму 50 различных частот.
Некоторые из этих частот выше, чем частота самого сигнала, поэтому они могут восстанавливать информацию о времени жизни флуоресценции короче, чем продолжительность излучаемой вспышки света.
Для каждой из этих 50 частот исследователи измеряют разность фаз между излучаемым и возвращаемым сигналами. Если электромагнитную волну можно представить себе как регулярную волнистую линию, направленную вверх и вниз, фаза — это степень совпадения впадин и гребней одной волны и вершин другой.
При флуоресцентной визуализации фазовый сдвиг также несет информацию о времени жизни флуоресценции.
Не весь свет, падающий на биологический образец, поглощается; некоторые из них отражаются назад. Система исследователей Массачусетского технологического института берет измерения входящего света и подгоняет их к математической модели перекрывающихся профилей интенсивности как отраженного, так и переизлучаемого света.
После определения профиля интенсивности отраженного света он может рассчитать расстояние между излучателем и образцом.
Таким образом, в отличие от традиционной визуализации времени жизни флуоресценции, подход исследователей не требует калибровки расстояния.
Размер образца
По словам Бхандари, некоторые из его коллег скептически относились к тому, что возвращаемый световой сигнал содержал достаточно информации для создания точных моделей профилей интенсивности. «Они не были уверены, что точности сенсоров, подобных Kinect, достаточно», — говорит он. "Но время жизни и расстояние — два числа. Если у вас два числа, то 50 измерений — это много.
Требуемая информация — две точки, но измерение — 50 точек, поэтому у вас есть отношение один к 25. Достаточно дать вам интуицию, что это должно быть работоспособным."
Датчики глубины, которые исследователи использовали в своих экспериментах — Kinect и другие — имели массивы примерно из 20000 световых детекторов каждый, и наиболее точные результаты были получены, когда детектор был 2.5 метров от биологического образца. Эта установка не обеспечивает разрешение изображения, которое имеют существующие микроскопы для визуализации на протяжении всего срока службы флуоресценции.
Но хотя более плотные массивы детекторов и оптики, которые лучше контролируют излучение и сбор света, увеличат стоимость системы исследователей выше 100 долларов, которые стоит Kinect, она все же не должна быть почти такой же дорогой, как нынешние системы визуализации флуоресценции.