Estudio de caso: La cámara de alta velocidad Emergent de 100 GigE permite un diagnóstico biomédico innovador
Los investigadores de la Vrije Universiteit Amsterdam son pioneros en una nueva técnica de imágenes conocida como fototransitorio Imágenes holográficas, que proporcionan información sin precedentes sobre las células vivas. La cámara HZ-21000-G de 100 GigE de Emergent Vision Technologies es clave para este avance.
Daan Wolters ajusta la cámara de alta velocidad Emergent HZ-21000-G 100GigE que es fundamental para el trabajo del laboratorio con holografía fototransitoria.
Ampliando las fronteras de la imagenología médica con tecnología de 100 GigE
Las cámaras de 100 GigE están revolucionando la imagenología médica al capturar imágenes de gran detalle a velocidades de fotogramas ultraaltas. Su capacidad para generar imágenes de alta velocidad con un consumo mínimo de CPU y amplios campos de visión está abriendo nuevas posibilidades de diagnóstico en microscopía avanzada.
En la Vrije Universiteit Amsterdam, Ph.D. El candidato Daan Wolters avanza fototransitorio Imágenes holográficas, una tecnología desarrollada originalmente en el Matzlab (Lazy section loading) bajo la sección ayuda de Matz Liebel. Esta técnica aprovecha la imagenología de alta velocidad y la excitación estroboscópica para optimizar el análisis de células potencialmente cancerosas. La investigación de Wolters se centra en demostrar su aplicabilidad a muestras biológicas, ampliando así los límites del diagnóstico biomédico.
El Matzlab El equipo se especializa en imágenes biomédicas, diagnóstico de enfermedades y control de calidad farmacéutica. Su aplicación de fototransitorio La holografía aplicada a la histopatología tiene como objetivo facilitar diagnósticos más precisos y rápidos.
Redefiniendo el análisis del tejido canceroso
El diagnóstico actual del cáncer se basa en métodos histológicos tradicionales: un cirujano extrae una muestra de tejido, que luego se corta en cortes finos, se tiñe y se examina al microscopio. Estas imágenes se analizan para determinar si el tejido es canceroso y... Debido etapa de desarrollo.
“Este método, aunque se considera el estándar de oro, se ha mantenido prácticamente sin cambios durante más de medio siglo”, señala Liebel.
Por el contrario, el enfoque del equipo de la VU de Ámsterdam mejora los diagnósticos convencionales al extraer datos de imágenes cuantitativos más completos de muestras de tejido. fototransitorio técnica de holografía, impulsada por la Cámara de alta velocidad Emergent HZ-21000-G 100GigECaptura la dinámica transitoria y las señales fotoinducidas, lo que permite obtener conocimientos más profundos sobre la composición y la función celular.
“Si consideramos que los organismos biológicos se componen principalmente de azúcares, grasas, ácidos nucleicos como el ADN, proteínas y agua, nuestro objetivo es cuantificar estos componentes fundamentales”, explica Liebel. “Esto es particularmente relevante en la investigación del cáncer, donde la actividad metabólica alterada es un sello distintivo de la malignidad. Al visualizar estas diferencias funcionales, obtenemos información diagnóstica crucial”.
La obtención de imágenes holográficas fototransitorias se basa en la obtención de imágenes de fase cuantitativas (que se muestran aquí), una técnica de microscopía que mide los cambios de fase de la luz a medida que pasa a través de muestras transparentes o semitransparentes.
Cómo phototransient la holografía funciona
En esencia, fototransitorio La holografía se basa en la imagen cuantitativa de fase, una técnica de microscopía que mide los cambios de fase de la luz al atravesar muestras transparentes o semitransparentes. Esto permite una evaluación precisa de la biomasa celular mediante el análisis de la propagación de la luz.
En lugar de los métodos de tinción tradicionales, como la tinción con hematoxilina y eosina (H&E), fototransitorio La holografía se basa en la interacción de la luz con la muestra para visualizar su composición molecular. La técnica integra imágenes holográficas, que capturan tanto la intensidad como la fase de la luz, proporcionando a los investigadores información detallada sobre el grosor y la composición de la muestra.
“Llevando esto un paso más allá, podemos resolver espacialmente la distribución de la masa celular”, afirma Liebel. “Las imágenes de fase cuantitativas estándar proporcionan información sobre la masa, pero no revelan la composición química. Fototransitorio “La holografía aborda esta limitación”.
Al dirigir luz infrarroja (IR) o infrarroja cercana sobre la muestra, biomoléculas específicas, como proteínas, lípidos o ácidos nucleicos, absorben selectivamente la energía. Esta absorción localizada induce un cambio de temperatura que altera el desplazamiento de fase detectado mediante holografía.
“Observamos un efecto de retardo de fase, donde las fluctuaciones de temperatura se hacen detectables mediante holografía”, explica Liebel. “Al restar imágenes tomadas antes y después de la exposición a infrarrojos, generamos imágenes de contraste molecular específico que revelan la distribución de las proteínas. Ajustar las longitudes de onda de excitación nos permite diferenciar entre diversos componentes biomoleculares, como los lípidos”.
La excitación estroboscópica, combinada con imágenes de alta velocidad, mejora aún más la calidad de la imagen, garantizando mediciones precisas y reproducibles.
El papel de la cámara de 100 GigE
El Matzlab El equipo utiliza la cámara Emergent HZ-21000-G 100GigE gracias a su excepcional velocidad y amplio campo de visión. Esto les permite capturar áreas extensas de muestra, como portaobjetos de tejido completos, en rápida sucesión mientras encienden y apagan las fuentes de luz.
La velocidad es especialmente crucial para obtener imágenes de muestras vivas. La rápida adquisición de imágenes estroboscópicas garantiza la minimización de los artefactos de movimiento, manteniendo la consistencia entre muestras calentadas y no calentadas.
En comparación con las imágenes por absorción de infrarrojos convencionales, la fototransitorio Este enfoque mejora significativamente la resolución espacial, revelando detalles celulares intrincados en lugar de producir estructuras borrosas e indistintas. Además, la naturaleza no invasiva de esta técnica minimiza la excitación y el fotodaño de la muestra, un factor esencial para futuras aplicaciones clínicas.
“Nuestro objetivo es capturar imágenes con una exposición mínima al láser, garantizando al mismo tiempo una alta relación señal-ruido”, afirma Liebel. “Una cámara de alta velocidad nos permite capturar una cantidad considerable de fotones. por cuadro sin sobrecalentar ni dañar la muestra”.
Una ventaja importante de este método de lectura transitoria es su capacidad de realizar observaciones de gran campo de visión con niveles de señal superiores.
“En un escenario ideal, adquiriríamos imágenes idénticas —una con calentamiento y otra sin él—, de modo que cualquier diferencia observada fuera puramente bioquímica”, explica Liebel. “Cuanto más rápida sea la captura de imágenes, mayor será la probabilidad de capturar una muestra sin cambios, lo cual es aún más crucial al trabajar con tejido vivo”.
Dennis van de Lockand (izquierda) y Daan Wolters, quienes trabajan en la investigación de imágenes holográficas fototransitorias.
Procesamiento de hologramas en tiempo real con aceleración por GPU
Más allá de su velocidad de imagen, la cámara Emergent también facilita el procesamiento de hologramas en tiempo real en una unidad de procesamiento de gráficos (GPU). en la computadora a la que está enrutada la cámara, una característica esencial para la eficiencia computacional.
“Esto es invaluable para nosotros, ya que el procesamiento de hologramas requiere un alto consumo computacional y extensas transformaciones de Fourier”, afirma Liebel. “Con la cámara Emergent, adquirimos imágenes directamente en la GPU, extraemos información de fase, calculamos las diferencias de masa entre muestras calentadas y no calentadas, aplicamos el promedio y luego transmitimos solo los datos reducidos al ordenador”.
Por el contrario, los flujos de trabajo de imágenes tradicionales suelen implicar la transmisión de datos sin procesar, lo que puede generar cuellos de botella en el almacenamiento y limitar la adquisición continua. Al procesar los datos en la GPU, Matzlab El equipo optimiza la eficiencia y maximiza el rendimiento.
Optimizado Lilucha Colección por píxel
Además de las capacidades de la GPU, otro factor decisivo en la selección de la cámara Emergent fue su eficiencia superior de recolección de luz.
“El 2 × 2 píxeles «La opción de binning por hardware nos permite duplicar la velocidad de fotogramas y cuadriplicar la luz por píxel», señala Liebel. «En lugar de utilizar la capacidad completa de 21 megapíxeles, trabajamos con aproximadamente entre 4 y 4.5 megapíxeles, pero a una velocidad de fotogramas significativamente mayor: alrededor de 1,600 fotogramas por segundo».
Esta optimización alinea la resolución de la cámara con las especificaciones ópticas de un microscopio, lo que garantiza un rendimiento de imagen óptimo.
Hacia la aplicación clínica
En los últimos años, la Matzlab El equipo ha llevado a cabo experimentos de prueba de concepto, integrando Detección holográfica de bloqueo óptico y demostración de las capacidades espectroscópicas y de detección de la técnica. Su investigación incluye fototransitorio Seguimiento de partículas en 3D e imágenes con resolución temporal de muestras en movimiento libre.
La siguiente fase de desarrollo se centra en perfeccionar la técnica para aplicaciones biomédicas, incluyendo la identificación de bacterias, células y tipos de tejidos. Los investigadores aspiran a pasar de los experimentos de prueba de concepto a la implementación clínica en los próximos dos o tres años.
De cara al futuro, Liebel imagina cámaras futuras con mayor velocidad y sensibilidad, permitiendo la detección de variaciones biológicas más sutiles.
“El objetivo final es desarrollar fototransitorio «Holografía para la obtención de imágenes directas in vivo de pacientes», concluye. «Aunque aún estamos lejos de ese punto, esta tecnología tiene el potencial de redefinir la histopatología y revolucionar el diagnóstico médico».
