Amostra microfantasma de espalhamento 3D para avaliar a precisão quantitativa em técnicas de microscopia de fase tomográfica

May 30, 2023

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 19586 (2022) Citar este artigo

1037 acessos

5 citações

2 Altmétrico

Detalhes das métricas

Neste artigo apresentamos uma estrutura de espalhamento biomimético estruturalmente complexa, fabricada com polimerização de dois fótons, e utilizamos este objeto para avaliar um sistema de imagem computacional. O fantasma permite personalizar o espalhamento, modificando seus graus de liberdade, ou seja, índice de refração, contraste e dimensões da camada de espalhamento, e incorpora um teste de qualidade de imagem 3D, representando uma única célula dentro do tecido. Embora a amostra possa ser usada com múltiplas técnicas de microscopia 3D, demonstramos o impacto do espalhamento nos métodos de reconstrução de microscopia tomográfica de três fases (TPM). Um desses métodos assume que a amostra tem dispersão fraca, enquanto os outros dois levam em consideração a dispersão múltipla. O estudo é realizado em dois comprimentos de onda (visível e infravermelho próximo), que servem como fator de escala para o fenômeno de espalhamento. Descobrimos que a mudança do comprimento de onda do visível para o infravermelho próximo afeta a aplicabilidade dos métodos de reconstrução TPM. Como resultado da dispersão reduzida na região do infravermelho próximo, as técnicas orientadas para dispersão múltipla têm um desempenho pior do que um método destinado a amostras de dispersão fraca. Isto implica a necessidade de selecionar a abordagem adequada dependendo das características de dispersão da amostra, mesmo no caso de mudanças sutis na interação objeto-luz.

Um dos desafios modernos em óptica computacional é obter imagens de amostras espalhadas com alta resolução . Isto pode ser atribuído ao fato de que estruturas biológicas complexas, como esferóides ou organoides, tendem a ser modelos mais relevantes do que culturas de células 2D, por exemplo, para descoberta de medicamentos2. Além disso, a maioria das técnicas de imagem in vivo exigem que a luz de sondagem passe através da estrutura complexa de um tecido, o que limita fortemente as profundidades de imagem devido à dispersão múltipla. Essa demanda estimula o desenvolvimento de novos métodos1,3,4,5, porém é difícil selecionar um método adequado com base na força de espalhamento do corpo de prova analisado. Por esta razão, um método versátil, repetível e quantitativo para a avaliação de diferentes sistemas e algoritmos de imagem é essencial para determinar seus limites de aplicabilidade dependendo das propriedades de espalhamento do objeto. Uma possibilidade é usar microfantasmas calibrados como alvos de imagem. Infelizmente, os microfantasmas existentes são tipicamente de dispersão fraca (por exemplo, microesferas com índice correspondente) ou excessivamente simplistas (por exemplo, microesferas com índice incompatível)6,7 em comparação com os tipos de amostras multicelulares de dispersão heterogênea para as quais os métodos de dispersão múltipla se destinam. Esta é uma limitação crítica ao caracterizar métodos de imagem computacional que utilizam solucionadores não convexos, onde a convergência iterativa depende da complexidade do cenário energético e está diretamente associada à complexidade 3D de uma amostra8.

Neste trabalho apresentamos um microfantom impresso em 3D com distribuição de índice de refração (RI) de espalhamento múltiplo. Para isso, aproveitamos os desenvolvimentos recentes na impressão 3D através da escrita direta a laser9,10,11,12. Entre as múltiplas técnicas de impressão 3D disponíveis , escolhemos uma polimerização de dois fótons que permite a impressão 3D de amostras microfantasmas com geometria conhecida e RI calibrado. Quando comparado com outras implementações de escrita direta a laser, permite (1) controlar o RI com faixa de modulação relativamente alta, (2) ajustar o contraste do RI ou a força de espalhamento pós-fabricação usando diferentes líquidos de imersão e (3) manusear e meça o microfantasma da mesma forma que as amostras biológicas. A seguir, apresentamos a aplicação do simulador no campo da microscopia de fase tomográfica (TPM), técnica que demonstrou resultados impressionantes de imagens biológicas em trabalhos anteriores. No entanto, é importante notar que todos os métodos de imagem computacional podem ser avaliados com o procedimento proposto.