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Nova técnica de microscopia computacional viabiliza imagens maiores e com mais definição

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Caltech | Instituto de Tecnologia da Califórnia

Data

terça-feira, 2 julho 2024 14:30

Áreas

Biologia. Biomedicina. Engenharia Biomédica. Medicina de Precisão. Microbiologia. Modelagem Matemática. Patologia. Processamento de Imagens.

Por centenas de anos, a clareza e a ampliação dos microscópios foram, em última análise, limitadas pelas propriedades físicas de suas lentes ópticas. Os fabricantes de microscópios forçaram esses limites ao fazer pilhas cada vez mais complexas e caras de elementos de lentes. Ainda assim, os cientistas tiveram que decidir entre alta resolução e um pequeno campo de visão, por um lado, ou baixa resolução e um grande campo de visão, por outro.

Em 2013, uma equipe de engenheiros do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), nos Estados Unidos, introduziu uma técnica de microscopia chamada Microscopia Pticográfica de Fourier (FPM). Essa tecnologia marcou o advento da microscopia computacional, o uso de técnicas que uniram a detecção de microscópios convencionais com algoritmos de computador que processam informações detectadas de novas maneiras para criar imagens mais profundas e nítidas cobrindo áreas maiores. Desde então, a FPM tem sido amplamente adotada por sua capacidade de aquisição de imagens de alta resolução, mantendo um grande campo de visão e usando equipamentos relativamente baratos.

Agora, o mesmo laboratório do Caltech desenvolveu um novo método que pode superar a FPM em sua capacidade de obter imagens sem borrões ou distorções, mesmo fazendo menos medições. A nova técnica, descrita em um artigo publicado no revista científica Nature Communications, pode levar a avanços em áreas como imagens biomédicas, patologia digital e triagem de medicamentos.

O novo método, chamado de Imagem Pticográfica Angular com Método de Forma Fechada (APIC), tem todas as vantagens da FPM sem o que poderia ser descrito como sua maior fraqueza: para chegar a uma imagem final, o algoritmo FPM depende de começar com uma ou várias melhores suposições e então ajustar um pouco de cada vez para chegar à sua solução ‘ótima’, que pode nem sempre ser fiel à imagem original.

Sob a liderança do Dr. Changhuei Yang – professor de Engenharia Elétrica, Bioengenharia e Engenharia Médica do Caltech e pesquisador do Heritage Medical Research Institute – a equipe do Caltech percebeu que era possível eliminar essa natureza iterativa do algoritmo.

Em vez de depender de tentativa e erro para tentar encontrar uma solução, o APIC resolve uma equação linear, produzindo detalhes das aberrações ou distorções introduzidas pelo sistema óptico de um microscópio. Uma vez que as aberrações são conhecidas, o sistema pode corrigi-las, basicamente atuando como se fosse ideal e produzindo imagens claras cobrindo grandes campos de visão.

“Chegamos a uma solução do campo complexo de alta resolução de forma fechada, pois agora temos uma compreensão mais profunda do que um microscópio captura, o que já sabemos e o que precisamos realmente descobrir, então não precisamos de nenhuma iteração”, disse o Dr. Ruizhi Cao, coautor principal do artigo, ex-aluno de pós-graduação no laboratório do professor Yang e atualmente pesquisador de pós-doutorado na Universidade da Califórnia em Berkeley, também nos Estados Unidos. “Dessa forma, podemos basicamente garantir que estamos vendo os verdadeiros detalhes finais de uma amostra.”

Assim como com o FPM, o novo método mede não apenas a intensidade da luz vista através do microscópio, mas também uma propriedade importante da luz chamada ‘fase’, que está relacionada à distância que a luz viaja. Essa propriedade não é detectada pelos olhos humanos, mas contém informações que são muito úteis em termos de correção de aberrações. Foi na resolução dessas informações de fase que o FPM se baseou em um método de tentativa e erro, explicou o Dr. Cheng Shen, coautor principal do artigo do APIC, que também concluiu o trabalho no laboratório do professor Yang e agora é engenheiro de algoritmos de visão computacional na Apple. “Nós provamos que nosso método fornece uma solução analítica e de uma forma muito mais direta. É mais rápido, mais preciso e aproveita alguns insights profundos sobre o sistema óptico.”

Além de eliminar a natureza iterativa do algoritmo de resolução de fase, a nova técnica também permite que os pesquisadores reúnam imagens claras em um grande campo de visão sem a necessidade de refocar repetidamente o microscópio. Com a FPM, se a altura da amostra variasse até mesmo algumas dezenas de mícrons de uma seção para outra, a pessoa que usa o microscópio teria que refocar para fazer o algoritmo funcionar. Como essas técnicas de microscopia computacional frequentemente envolvem a junção de mais de 100 imagens de resolução mais baixa para juntar o campo de visão maior, isso significa que o APIC pode tornar o processo muito mais rápido e evitar a possível introdução de erro humano em muitas etapas.

“Desenvolvemos uma estrutura para corrigir as aberrações e também para melhorar a resolução. Essas duas capacidades podem ser potencialmente frutíferas para uma gama mais ampla de sistemas de imagem”, concluiu o Dr. Ruizhi Cao.

Acesse o artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do Instituto de Tecnologia da Califórnia (em inglês).

Fonte: Kimm Fesenmaier, Caltech. Imagem: amostra de câncer de mama visualizada usando LEDs vermelho, verde e azul. A nova técnica de microscopia computacional desenvolvida no Caltech, chamada APIC, foi usada para reconstruir a imagem colorida detalhada (à direita). A imagem mostra resolução ainda maior do que a imagem à esquerda, que foi obtida usando a técnica FPM. Fonte: Divulgação, Caltech.

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