Beregningsmæssig tilgang fremskynder avanceret mikroskopi-billeddannelse

Forskere har udviklet en måde at øge billedhastigheden ved to-fotonmikroskopi op til fem gange uden at gå på kompromis med opløsningen. Denne rekordhurtige billeddannelseshastighed vil gøre det muligt for forskere at observere biologiske fænomener, der tidligere var for flygtige til at afbilde med den nuværende avancerede mikroskopi.

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik bogstaver , forskere ledet af Shih-Chi Chen fra The Chinese University of Hong Kong beskriver, hvordan de kombinerede en computerbaseret billedbehandlingstilgang kendt som compressive imaging med en hurtigere scanningsmetode. De brugte den nye metode til at tage to-fotonmikroskopibilleder af et pollenkorn på mindre end et sekund. Dette ville tage fem gange så lang tid ved at bruge den traditionelle tilgang.

"Denne nye kompressive sensing-baserede to-foton mikroskopi metode vil være nyttig til at visualisere et neuralt netværk eller overvåge aktivitet fra hundredvis af neuroner samtidigt, " sagde Chenyang Wen, avisens første forfatter. "Typisk, neuroner transmitterer signaler på en tidsskala på 10 millisekunder, hvilke konventionelle systemer er for langsomme til at følge."

Hurtigere scanning

To-fotonmikroskopi virker ved at levere ultrahurtige pulser af infrarødt laserlys til prøven, hvor den interagerer med væv eller fluorescerende etiketter, der udsender signaler, der bruges til at skabe et billede. Det bruges i vid udstrækning til biologiforskning på grund af dets evne til at producere høj opløsning, 3D-billeder op til en dybde på en millimeter. Disse fordele, imidlertid, kommer med en begrænset billedhastighed, fordi de svage lysforhold kræver punktdetektorer, der kræver punkt-for-punkt billedoptagelse og rekonstruktion.

For at fremskynde billeddannelsen, forskerne har tidligere udviklet en multi-fokus laserbelysningsmetode, der bruger en digital mikrospejlenhed (DMD), en type lavpris lysscanner, der typisk bruges i projektorer. "Man troede, at disse DMD'er ikke kunne arbejde med ultrahurtige lasere, " sagde Chen. "Men, vi behandlede for nylig dette problem, som har muliggjort anvendelse af DMD'er i ultrahurtige laserapplikationer, der inkluderer stråleformning, pulsformning, hurtig scanning og to-foton billeddannelse."

DMD genererer fem til 30 punkter med fokuseret laserlys på tilfældigt udvalgte steder i en prøve. Positionen og intensiteten af ​​hvert lyspunkt styres af et binært hologram, der projiceres på enheden. Under hver måling DMD genopretter hologrammet for at ændre placeringen af ​​hvert fokus og registrerer intensiteten af ​​to-foton-fluorescensen med en enkelt-pixel detektor. Selvom, på mange måder, DMD multi-fokus scanning er mere fleksibel og hurtigere end traditionel raster scanning, hastigheden er stadig begrænset af den hastighed, hvormed enheden kan danne lysmønstre.

Kombination af metoder giver hurtigere billeddannelse

I det nye værk, forskerne øger billedhastigheden yderligere ved at kombinere multi-fokus scanning med komprimerende sensing. Denne beregningsmetode muliggør billedrekonstruktion med færre eksponeringer, fordi den udfører sampling og billedkomprimering i et enkelt trin og derefter bruger en algoritme til at udfylde de manglende oplysninger. Til to-foton mikroskopi, det gør det muligt at rekonstruere en prøve ved at bruge 70 til 90 procent færre eksponeringer end traditionelle metoder.

Efter at have gennemført et simuleringseksperiment for at demonstrere den nye metodes ydeevne og identificere optimale parametre, forskerne testede det med to-foton billeddannelseseksperimenter. Disse eksperimenter demonstrerede teknikkens evne til at producere højkvalitets 3D-billeder med høj billedhastighed fra ethvert synsfelt. For eksempel, de var i stand til at erhverve billeder fra fem lag i et pollenkorn, med hvert lag, der måler 100 × 100 pixels, på kun 0,55 sekunder. De samme billeder taget med rasterscanning tog 2,2 sekunder.

"Vi opnåede en 3 til 5 gange forbedring af billedhastigheden uden at ofre opløsningen ved billeddannelse af vilkårligt udvalgte områder i 3D-prøver, " sagde Wen. "Vi mener, at denne nye komprimerende sensing-baserede tilgang vil være nyttig at bruge med tilgange som optogenetik, hvor lys bruges til at kontrollere neuroner og vil føre til nye opdagelser inden for biologi og medicin."

Forskerne arbejder på yderligere at forbedre hastigheden af ​​rekonstruktionsalgoritmen og billedkvaliteten. De planlægger også at bruge DMD-platformen med andre avancerede billedbehandlingsteknikker såsom bølgefrontkorrektion, som muliggør dyb vævsbilleddannelse.