Obtención de imágenes biomédicas a una milésima del costo normal

Mediante un avanzado proceso de modelación matemática, se ha conseguido que un sensor de 100 dólares se acerque muchísimo a las prestaciones de medición típicas de un equipamiento de laboratorio de 100.000 dólares.

El equipo de Ayush Bhandari, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Cambridge, Estados Unidos, ha desarrollado un sistema de visualización biomédica que podría acabar reemplazando en muchos casos al caro tipo de equipamiento citado.

El sistema, que puede operar con hardware en la gama del centenar de dólares, usa una técnica conocida como microscopía por vida media de fluorescencia, que tiene aplicaciones en la secuenciación de ADN y en el diagnóstico del cáncer, entre otras cosas. Así que el nuevo avance podría tener repercusiones tanto para la investigación biológica como en la práctica clínica.

El propósito de Bhandari y sus colegas es tomar la precisión óptica y electrónica de los grandes y caros microscopios del tipo citado y reemplazarla con la sofisticación del modelado matemático. El equipo de Bhandari ha comprobado que es factible utilizar como hardware cámaras domésticas, como la de Microsoft Kinect, para llevar a cabo biovisualizaciones de una manera muy semejante a lo que esos microscopios caros están haciendo.

La microscopía por vida media de fluorescencia, como su nombre indica, depende de la fluorescencia, o la tendencia de ciertos materiales a absorber luz y después reemitirla poco después. Para una determinada sustancia de esta clase, las interacciones con otras sustancias acortarán el intervalo entre la absorción y la emisión de luz de una forma predecible. Medir ese intervalo (la “vida media” de la fluorescencia) en una muestra biológica con un tinte fluorescente puede revelar información sobre la composición química de dicha muestra.

En la modalidad tradicional de la microscopía por vida media de fluorescencia, el sistema de visualización emite un destello de luz, buena parte del cual es absorbido por la muestra, y después mide cuánto tardan las partículas de luz (fotones) que retornan en incidir contra un grupo de detectores. Para hacer la medición lo más precisa posible, los destellos de luz son extremadamente cortos.

El nuevo sistema de visualización biomédica aprovecha un sensor de profundidad ya disponible, como el de Kinect de Microsoft. La coloración de estas imágenes ilustra la información de fase contenida en seis de las 50 frecuencias de luz que el sistema analiza. (Foto: Cortesía de los investigadores)

La vida media de fluorescencia pertinente para la visualización biomédica se encuentra en el rango del nanosegundo. Por ello, la visualización por vida media de fluorescencia tradicional utiliza destellos de luz que duran apenas picosegundos, o milésimas de nanosegundos.

Sensores ya disponibles, como el Kinect, sin embargo, utilizan destellos luminosos que duran decenas de nanosegundos. Eso está bien para lo que se requiere: evaluar la profundidad de los objetos a base de medir el tiempo que necesita la luz para reflejarse desde ellos y regresar al sensor. Pero resultaría demasiado basto para la microscopía por vida media de fluorescencia.

El equipo de Bhandari, no obstante, extrae información adicional de la señal luminosa al someterla a una transformada de Fourier, una técnica matemática para descomponer señales (ópticas, eléctricas o acústicas) en sus frecuencias constituyentes. Una señal dada, no importa lo irregular que sea, puede ser representada como la suma ponderada de señales a muy diferentes frecuencias, cada una de ellas perfectamente regular.

El equipo de Bhandari compensa la duración excesiva de los destellos con un procesamiento basado en una señal óptica de retorno desde la muestra que constituye la suma de 50 frecuencias diferentes. Algunas de ellas son más altas que la de la propia señal, y así es como se puede obtener información sobre vidas medias de fluorescencia más cortas que la duración del destello de luz emitido.