Migliorare la messa a fuoco della luce nei tessuti biologici

Quando la luce attraversa i tessuti biologici, può essere distorta a causa delle diverse strutture nel tessuto. Questo crea un pattern complicato di luce chiamato speckle. Gli scienziati sono interessati a trovare modi per rifocalizzare la luce laser attraverso questi tessuti per ottenere immagini più chiare o stimolare aree specifiche all'interno del tessuto. Un processo chiamato Digital Optical Phase Conjugation (DOPC) viene usato a questo scopo. Tuttavia, l'uso di materiali fluorescenti come guide per concentrare la luce presenta diverse sfide.

#Le Sfide dell'Utilizzo di Guide-Stelle Fluorescenti

Quando si usano materiali fluorescenti per guidare la luce laser, ci sono quattro principali problemi:

1. Bassa Disponibilità di Luce: I materiali fluorescenti emettono un numero limitato di fotoni, limitando la quantità di luce disponibile per la messa a fuoco.

2. Larghezza Spettrale: La luce emessa da questi materiali ha un'ampia gamma di colori, rendendo difficile concentrarsi su una singola lunghezza d'onda.

3. Shift di Stokes: C'è uno spostamento nella lunghezza d'onda della luce emessa rispetto a quella usata per eccitare il materiale fluorescente, complicando il processo di messa a fuoco.

4. Mancanza di Fascio di Riferimento: Il DOPC richiede tipicamente un fascio di riferimento, ma questo può mancare quando si utilizzano materiali fluorescenti, rendendo più difficile misurare il fronte d'onda risultante.

#Nuove Tecniche per Concentrar la Luce

I ricercatori hanno trovato modi per superare queste sfide e concentrare con successo i fasci laser attraverso campioni scattering. Hanno sviluppato un sistema che misura i pattern di speckle in un singolo passaggio senza bisogno di un fascio di riferimento. Questo metodo utilizza un sensore di fronte d'onda ad alta risoluzione per analizzare i complessi pattern di luce.

#Concentrando la Luce Laser

Concentrare la luce in profondità all'interno dei tessuti o attraverso materiali scattering è fondamentale per varie applicazioni. Questo include:

• Imaging: Ottenere immagini più chiare da dentro i tessuti.
• Photo-Stimulation: Fornire luce a cellule o aree specifiche per attivarle.
• Phototherapy: Usare la luce per trattare condizioni specifiche.

Quando la luce si sposta più in profondità di una certa distanza nel tessuto, si trasforma in un pattern speckle casuale. Questo cambiamento riduce drasticamente la capacità di catturare immagini chiare a causa della minore chiarezza del segnale.

#Ottica Adattativa e Modellazione del Fronte d'Onda

Per controllare come la luce si muove attraverso i tessuti, si impiegano tecniche di ottica adattativa e modellazione del fronte d'onda.

• Ottica Adattativa (AO): Questo metodo corregge le distorsioni della luce causate dal tessuto. Funziona meglio quando la luce subisce distorsioni morbide.

• Modellazione del Fronte d'Onda: Quando i percorsi della luce diventano più complicati e coinvolgono scattering, entrano in gioco le tecniche di modellazione del fronte d'onda. Questo è particolarmente importante per tessuti più profondi, dove la luce subisce molteplici eventi di scattering.

#Tecniche Iterative vs. Tecniche Single-Shot

Ci sono due principali strategie per correggere le distorsioni della luce: tecniche iterative e tecniche single-shot.

• Tecniche Iterative: Queste richiedono più misurazioni per perfezionare la correzione delle distorsioni. Sono efficaci ma possono essere lente, il che è un problema per campioni biologici in rapido movimento.

• Tecniche Single-Shot: Queste misurano il fronte d'onda in un colpo solo, rendendole più veloci. Purtroppo, usare materiali fluorescenti rende difficile misurare il campo d'onda in uscita senza più acquisizioni.

#Il Ruolo dei Sensori di Fronte d'Onda

I sensori di fronte d'onda sono fondamentali per analizzare come la luce viene trasformata mentre passa attraverso i tessuti. Possono misurare la fase e l'intensità della luce. Un tipo specifico di sensore di fronte d'onda usato in queste situazioni è il sensore di fronte d'onda Shack-Hartmann.

I sensori di fronte d'onda Shack-Hartmann sono compatti, privi di riferimento e possono lavorare con varie fonti di luce. Misurano i cambiamenti nel fronte d'onda della luce ma richiedono ulteriori calcoli per determinare la fase finale.

Nell'imaging biologico, questi sensori vengono utilizzati per misurare aberrazioni o distorsioni di basso ordine. Tuttavia, spesso non riescono quando si trovano ad affrontare i pattern complessi creati da molti Vortici Ottici.

#Vortici Ottici

I vortici ottici sono aree in un campo luminoso dove l'intensità scende a zero. La loro presenza può complicare le misurazioni del fronte d'onda. Recuperare la fase da misurazioni che includono questi vortici è stata una sfida significativa.

I recenti progressi hanno dimostrato che questi sensori possono misurare efficacemente campi d'onda complessi che includono alte densità di vortici ottici. Questo risultato consente di migliorare i metodi di concentrazione della luce attraverso materiali scattering.

#Sensibilità Spettrale nei Tessuti Biologici

I tessuti biologici spesso disperdono la luce in modi unici, il che può complicare il processo di messa a fuoco. La struttura di questi tessuti risulta tipicamente in grandi fattori di anisotropia, influenzando come la luce viene dispersa. Nonostante lo scattering, questi tessuti hanno caratteristiche che possono portare a larghezze di banda spettrali maggiori.

Studi hanno dimostrato che anche in presenza di scattering, esistono certi piani in questi tessuti che possono aiutare nella rifocalizzazione della luce. Trovamenti del genere colmano il divario tra i diversi approcci, mostrando il ruolo significativo sia della luce balistica che della luce dispersa più volte.

#Ottenere DOPC Single-Shot

Le tecniche DOPC single-shot permettono agli scienziati di rifocalizzare fasci laser attraverso campioni scattering senza bisogno di fasci di riferimento. Esperimenti recenti hanno mostrato che con sensori di fronte d'onda appropriati, il DOPC può essere svolto efficacemente con guide-stelle fluorescenti.

Per ottenere questo, i ricercatori hanno messo a punto sistemi che misurano rapidamente e con precisione sia l'informazione di intensità che di fase. Il successo di questo metodo dipende fortemente dalla comprensione e manipolazione dei vortici ottici nel campo d'onda.

#Impostare l'Esperimento

Durante gli esperimenti, un fascio laser guida-stella viene focalizzato su un campione scattering, e la luce dispersa viene raccolta. La luce raccolta viene inviata attraverso un sensore di fronte d'onda e riflessa da un modulatore di luce spaziale (SLM). Le informazioni di fase misurate dal sensore di fronte d'onda vengono utilizzate per correggere le distorsioni causate dal mezzo.

I ricercatori hanno dimostrato che, mostrando la fase misurata sul SLM, è possibile ottenere una messa a fuoco nitida dietro il campione scattering, sottolineando l'importanza delle tecniche di controllo della luce efficaci.

#Misurare l'Efficienza di Messa a Fuoco

Per determinare quanto bene funziona il sistema, i ricercatori si concentrano sulla frazione di energia luminosa rifocalizzata con successo dal sistema. Confrontano l'energia luminosa nel punto focalizzato con quella dispersa sull'immagine della camera.

#Utilizzando Palline Fluorescenti

In alcuni esperimenti, vengono utilizzate palline fluorescenti come guide-stelle. Queste palline permettono di eccitare e misurare la fluorescenza emessa. Anche se è difficile a causa della bassa disponibilità di luce e della larghezza di banda spettrale, i risultati mostrano che il DOPC single-shot può essere eseguito efficacemente anche in queste condizioni difficili.

La presenza delle palline può portare a complicazioni aggiuntive a causa delle discrepanze negli indici di rifrazione tra le palline e il mezzo circostante, ma i ricercatori hanno fatto progressi significativi nel superare queste sfide.

#Conclusione

I progressi nel DOPC single-shot utilizzando materiali fluorescenti nascosti dietro campioni scattering rappresentano un passo avanti significativo nelle tecniche di imaging e manipolazione ottica. Comprendendo e utilizzando le proprietà uniche dello scattering della luce, i ricercatori sono ora in grado di ottenere immagini più chiare e di eseguire operazioni precise basate sulla luce in profondità nei tessuti biologici.

Questo lavoro apre nuove possibilità per imaging approfondito, applicazioni terapeutiche e ulteriori ricerche sulle proprietà ottiche dei materiali biologici. Man mano che le tecniche continuano a migliorare, la capacità di manipolare la luce in ambienti complessi crescerà, portando a intuizioni più dettagliate sui processi biologici e sulle strutture.