FlatScope Recientemente Diseñado Hace Obsoletas Las Lentes De Microscopio

Los ingenieros desarrollan un microscopio fluorescente sin lentes

FlatScope se está desarrollando en la Universidad de Rice para su uso como un microscopio fluorescente capaz de capturar datos tridimensionales y producir imágenes desde cualquier lugar dentro del campo de visión. Crédito: Jeff Fitlow / Rice University

Los lentes ya no son necesarios para algunos microscopios, según los ingenieros de la Universidad de Rice que desarrollaron FlatScope, un microscopio fluorescente delgado cuyas capacidades prometen superar las de los dispositivos de la vieja escuela.

Un artículo en Science Advances de los ingenieros de Rice Ashok Veeraraghavan, Jacob Robinson, Richard Baraniuk y sus laboratorios describe un microscopio de campo amplio más delgado que una tarjeta de crédito, lo suficientemente pequeño como para colocarse en la punta de un dedo y capaz de una resolución micrométrica en un volumen de varios milímetros cúbicos. .

FlatScope elimina la compensación que obstaculiza los microscopios tradicionales en los que las matrices de lentes pueden recoger menos luz de un campo de visión grande o recoger más luz de un campo más pequeño.

El equipo de Rice comenzó a desarrollar el dispositivo como parte de una iniciativa federal de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa como una interfaz neuronal implantable de alta resolución. Pero el potencial del dispositivo es mucho mayor. Los investigadores afirman que FlatScope, un avance en el anterior FlatCam de los laboratorios, podría usarse como un endoscopio implantable, un generador de imágenes de área grande o un microscopio flexible.

“Pensamos en esto como una ampliación de FlatCam para que pueda resolver problemas aún mayores”, dijo Baraniuk.

Los microscopios fluorescentes tradicionales son herramientas esenciales en biología. Recogen señales fluorescentes de partículas insertadas en células y tejidos que se iluminan con longitudes de onda de luz específicas. La técnica permite a los científicos sondear y rastrear agentes biológicos con una resolución de escala nanométrica.

Pero como todos los microscopios, telescopios y cámaras tradicionales, su resolución depende del tamaño de sus lentes, que pueden ser grandes y pesados ​​y limitar su uso en aplicaciones biológicas.

El equipo de Rice adopta un enfoque diferente. Utiliza los mismos chips de dispositivo de carga acoplada (CCD) que se encuentran en todas las cámaras electrónicas para capturar la luz entrante, pero las comparaciones se detienen ahí. Al igual que el proyecto FlatCam que lo inspiró, el campo de visión de FlatScope es igual al tamaño del sensor CCD, que puede ser tan grande o tan pequeño como sea necesario. Es plano porque reemplaza la matriz de lentes en un microscopio tradicional con una máscara de amplitud personalizada.

FlatScope

FlatScope, desarrollado en la Universidad Rice, captura datos tridimensionales que pasan a través de una máscara y a un chip de cámara del tamaño de una uña. Envía esos datos a una computadora que los procesa de nuevo en una imagen. La cámara se puede utilizar como un endoscopio implantable, un generador de imágenes de área grande o un microscopio flexible. Crédito: Jeff Fitlow / Rice University

Esta máscara, que se asemeja a un código de barras, se encuentra directamente frente al CCD. La luz que atraviesa la máscara y golpea el sensor se convierte en datos que un programa de computadora interpreta para producir imágenes.

El algoritmo puede enfocarse en cualquier parte de los datos tridimensionales que el osciloscopio captura y producir imágenes de objetos más pequeños que una micra en cualquier parte del campo.

Esa resolución es lo que hace que el dispositivo sea un microscopio, dijo Robinson. “Una cámara en su teléfono móvil o DSLR normalmente tiene una resolución del orden de 100 micrones”, dijo. “Cuando tomas una foto macro, la resolución es de aproximadamente 20 a 50 micrones.

“Pienso en un microscopio como algo que te permite obtener imágenes de cosas en la escala de micrones”, dijo. “Eso significa cosas que son más pequeñas que el diámetro de un cabello humano, como células, partes de células o la estructura fina de las fibras”.

Lograr esa resolución requirió modificaciones en la máscara FlatCam para reducir aún más la cantidad de luz que llega al sensor, así como una reescritura de su software, dijo Robinson. “No fue tan trivial como simplemente aplicar el algoritmo FlatCam a las mismas técnicas que usamos para obtener imágenes de cosas que están lejos”, dijo.

La máscara es similar a la apertura en una cámara con lente que enfoca la luz en el sensor, pero está a solo unos pocos cientos de micrómetros del sensor y permite que solo pase una fracción de la luz disponible, lo que limita la cantidad de datos para simplificar el procesamiento.

“En el caso de una cámara de megapíxeles, ese problema computacional requiere una matriz de un millón de veces un millón de elementos”, dijo Robinson. “Es una matriz increíblemente grande. Pero debido a que lo desglosamos a través de este patrón de filas y columnas, nuestra matriz tiene solo 1 millón de elementos “.

Eso reduce los datos de cada instantánea de seis terabytes a 21 megabytes más prácticos, lo que se traduce en tiempos de procesamiento cortos. Desde las primeras versiones de FlatCam que requerían una hora o más para procesar una imagen, FlatScope captura 30 cuadros de datos 3-D por segundo.

Veeraraghavan dijo que el floreciente Internet de las cosas puede proporcionar muchas aplicaciones para cámaras planas y microscopios. Eso a su vez reduciría los costos. “Una de las grandes ventajas de esta tecnología en comparación con las cámaras tradicionales es que, dado que no necesitamos lentes, no necesitamos ensamblaje posterior a la fabricación”, dijo. “Podemos imaginarnos esto saliendo de una línea de fabricación”.

Pero sus objetivos principales son los usos médicos, desde osciloscopios implantables para la clínica hasta microscopios del tamaño de la palma de la mano para el campo de batalla. “Poder llevar un microscopio en el bolsillo es una tecnología genial”, dijo Veeraraghavan.

Los investigadores señalaron que, si bien su trabajo actual se centra en aplicaciones fluorescentes, FlatScope también podría usarse para microscopía de campo brillante, campo oscuro y luz reflejada. Sugirieron que se podría usar una matriz de FlatScopes sobre un fondo flexible para hacer coincidir los contornos de un objetivo.

Publicación: Jesse K. Adams, et al., “Microscopía de fluorescencia 3D de fotograma único con FlatScope ultraminiatura sin lentes”, Science Advances, 08 de diciembre de 2017: Vol. 3, no. 12, e1701548; DOI: 10.1126 / sciadv.1701548

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