Australische onderzoekers hebben twee nieuwe methoden voor wetenschappelijke en medische beeldvorming gepresenteerd. Teams van RMIT University en The University of Melbourne bouwden een metasurface die meerdere functies voor kwantitatieve fasemicroscopie combineert. Onderzoekers van Monash University ontwikkelden daarnaast een röntgentechniek waarmee twee overlappende objecten in één scan afzonderlijk kunnen worden afgebeeld. De studies, gepubliceerd in respectievelijk Nanophotonics en Optica, richten zich op verschillende soorten straling en toepassingen, maar volgen dezelfde ontwerpgedachte: meer informatie verzamelen zonder telkens extra optische onderdelen, bewegingen of scans nodig te hebben.
- De metasurface gebruikt verschillende golflengten om twee noodzakelijke fasemetingen met één oppervlak uit te voeren.
- De röntgenmethode reconstrueert afzonderlijke beelden van twee objecten die tijdens de scan over elkaar liggen.
- Beide technieken zijn bedoeld om beeldvorming compacter, sneller of efficiënter te kunnen maken.
- De röntgenonderzoekers spreken nog van een proof of principle en willen de methode verder ontwikkelen.
Ultradun oppervlak vervangt meerdere microscoopstappen
Het onderzoek van het Australian Research Council Center of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems, kortweg TMOS, stond onder leiding van professor Ann Roberts en promovendus Haiwei Wang. Hun metasurface is een ultradun oppervlak met structuren die ongeveer even groot zijn als de golflengte van licht. Zulke structuren kunnen licht op manieren beïnvloeden die met gewone materialen niet mogelijk zijn.
Het team richtte zich op kwantitatieve fasemicroscopie, of QPM. Die techniek maakt vrijwel transparante microscopische objecten zichtbaar door faseverschuivingen in lichtgolven te meten. Anders dan een gewone camera kijkt het systeem dus niet alleen naar verschillen in lichtintensiteit.
Dat maakt het mogelijk om monsters te bekijken zonder ze eerst te kleuren. Kleuring kost tijd en kan het onderzochte materiaal veranderen. QPM levert bovendien meetgegevens op, waaronder de brekingsindex en het drooggewicht van weefsel.
Voor een volledige fasemeting zijn normaal twee beelden nodig: één van veranderingen van links naar rechts en één van veranderingen van boven naar beneden. Daarvoor moet een metasurface doorgaans worden gedraaid of vervangen, waarna een nauwkeurige uitlijning nodig is.
Door twee groepen nanostructuren elk op een andere golflengte te laten reageren, kan één metasurface beide richtingen meten zonder dat onderdelen fysiek worden verplaatst.
De onderzoekers voegden ook differentieel fasecontrast toe om ruis in de uiteindelijke beelden te verminderen. Hun zogeheten niet-lokale metasurface verwerkt het beeld als geheel en kan direct voor het monster worden geplaatst, waardoor minder ruimte tussen optische componenten nodig is.
Compacte microscopie kan diagnostiek mobieler maken
De mogelijke toepassingen liggen volgens het onderzoek in de geneeskunde, biologie en materiaalkunde. Het analyseren van celvormen en groeipatronen kan bijvoorbeeld relevant zijn bij sikkelcelziekte, verschillende vormen van kanker en neurodegeneratieve ziekten.
Wang ziet uiteindelijk mogelijkheden voor kleine apparaten in zorgomgevingen, mogelijk zelfs een microscoop die in een smartphoneachtig toestel past. De onderzoekers wijzen echter ook op obstakels rond de kosten van ondersteunende hardware en productie.
Voor Nederlandse en andere Europese zorg- en onderzoekslaboratoria betekent dit vooral dat ingewikkelde fasebeeldvorming op termijn minder afhankelijk zou kunnen worden van grote microscoopopstellingen. Dat is nog geen beschikbaar medisch hulpmiddel: de genoemde toepassingen beschrijven het potentieel van de techniek, niet een reeds ingevoerde diagnostische werkwijze.
Twee objecten leveren samen één röntgendataset
Het team van Monash University koos een andere route. De methode heet dual-sample multimodal imaging, afgekort DSI, en gebruikt de overlap van twee objecten juist als onderdeel van het beeldvormingsproces. Volgens hoofdonderzoeker Marie-Christine Zdora helpt elk monster bij het vormen van het beeld van het andere.
Multimodale röntgenbeeldvorming registreert naast gewone absorptie ook fasecontrast en dark-field-informatie. Daardoor kunnen eigenschappen van de interne structuur zichtbaar worden die in een standaard röntgenbeeld verborgen blijven. Gewoonlijk wordt één monster per keer onderzocht.
DSI scheidt en reconstrueert de informatie van twee overlappende monsters uit dezelfde scan, wat de scanefficiëntie mogelijk kan verdubbelen.
Bij tests met biologische monsters en micro-elektronische apparaten leverde de methode volgens de onderzoekers een beeldkwaliteit op die vergelijkbaar was met een gevestigde multimodale techniek, terwijl twee monsters gelijktijdig werden afgebeeld.
Het team wil DSI uitbreiden naar driedimensionale beeldvorming en de techniek overbrengen van synchrotronfaciliteiten naar röntgensystemen in laboratoria. Mogelijke toekomstige toepassingen zijn de inspectie van elektronische componenten, composietmaterialen, geneesmiddelen en verpakte voedingsmiddelen, naast biologisch en medisch onderzoek.
Voor industrie en wetenschap is het praktische belang duidelijk: als twee objecten uit één dataset betrouwbaar kunnen worden gereconstrueerd, kan dezelfde scanvoorziening in beginsel meer monsters verwerken. Of dat voordeel buiten gespecialiseerde onderzoeksinstallaties haalbaar is, moet vervolgonderzoek nog aantonen.
Welke toepassing lijkt u belangrijker: compacte microscopen voor zorglocaties of efficiëntere röntgenscans voor laboratoria en industrie?
