Bringer hurtigere 3D-billeddannelse til biomedicinske undersøgelser

Ved at kombinere en komprimerende sensing-algoritme med et digitalt holografisk mikroskop, Prof. Shih-Chi Chen fra Institut for Mekanik og Automationsteknik, Ingeniør Fakultet, Det kinesiske universitet i Hong Kong (CUHK) og hans forskerhold har udviklet en højhastighedsbilleddannelsesmetode. Den nye tilgang er i stand til at producere to-foton mikroskopi billeder af en 3-D prøve på et sekund, som har en hastighed tre til fem gange højere end den konventionelle punktscanningsmetode.

Forskningsresultatet er publiceret i tidsskriftet Optik bogstaver .

Neuroners aktiviteter udføres generelt på en tidsskala på 10 millisekunder, hvilket gør det svært for konventionelle mikroskoper at observere disse fænomener direkte. Denne nye komprimerende sensing to-foton mikroskopi kan anvendes til 3-D billeddannelse af nervefordelingen af ​​levende ting eller til at overvåge aktiviteter fra hundredvis af neuroner samtidigt.

Ny multifokus laserscanningsmetode til at bryde scanningshastighedsgrænsen for to-fotonmikroskop

To-foton mikroskopi virker ved at levere ultrahurtige pulser af infrarødt laserlys til prøven, hvor det interagerer med fluorescerende etiketter for at skabe et billede. Det er flittigt brugt til biologiske undersøgelser på grund af dets evne til at producere højopløselige 3D-billeder op til en dybde på en millimeter i et levende væv. Disse fordele, imidlertid, kommer med en begrænset billeddannelseshastighed af to-fotonmikroskopi på grund af det svage fluorescerende signal.

For at fremskynde scanningen, forskerholdet udviklede en multifokus laserbelysningsmetode, der bruger en digital mikrospejlenhed (DMD). Forskningen løser problemet med, at konventionel DMD er ubrugelig til at arbejde med ultrahurtig laser, gør det muligt for dem at blive integreret og brugt i stråleformning, pulsformning, og to-foton billeddannelse.

DMD genererer 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 mekanisk scanning, hastigheden er stadig begrænset af DMD'ens opdateringshastighed.

Kombination af den kompressionsfølende algoritme for yderligere at forbedre billedhastigheden

Forskerne øgede billeddannelseshastigheden yderligere i denne forskning ved at kombinere multi-fokus scanning med komprimerende sensing. Denne tilgang muliggør billedoptagelse med færre målinger. Dette skyldes, at den udfører billedmåling og komprimering i et enkelt trin og derefter bruger en algoritme til at genopbygge billederne ud fra måleresultaterne. Til to-foton mikroskopi, det kan reducere antallet af målinger med mellem 70 procent og 90 procent.

Efter at have udført et simuleringseksperiment for at demonstrere den nye metodes ydeevne og 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 3-D billeder fra et pollenkorn, på kun 0,55 sekunder. De samme billeder taget med traditionel punktscanning tog 2,2 sekunder.

Prof. Shih-Chi Chen sagde, "Denne metode opnåede en tre til fem gange forbedring af billedhastigheden uden at ofre opløsningen. Vi tror på, at denne nye tilgang vil føre til nye opdagelser inden for biologi og medicin, såsom optogenetik. Holdet arbejder nu på yderligere at forbedre hastigheden af ​​rekonstruktionsalgoritmen og billedkvaliteten. Vi planlægger også at bruge DMD sammen med andre avancerede billedbehandlingsteknikker, som tillader billeddannelse i dybere væv."