Konvertering af lateral scanning til aksial fokusering for at fremskynde 3D-mikroskopi

Ved optisk mikroskopi, højhastigheds volumetrisk billeddannelse er begrænset af enten den langsomme aksiale scanningshastighed eller afvigelser indført af z-scanningsmekanismen. For at overvinde disse begrænsninger, forskere ved UT Southwestern har introduceret et nyt optisk design, der forvandler en lateral scanningsbevægelse til en scanning i den tredje dimension. Deres mikroskop realiserede laserfokusering med en hastighed på 12 kHz og tillod observation af hurtig dynamik inde i celler og det bankende hjerte i zebrafiskembryoner.

Hurtig billeddannelse er af stor interesse for mikroskopi, computersyn, og laserbearbejdning. For eksempel, inden for neurovidenskab, højhastigheds volumetrisk billeddannelse er afgørende for at overvåge dynamiske biologiske processer, herunder membranspændingsaktivitet (med dynamik på tidsskalaen 1 ms eller mindre) eller cerebral blodgennemstrømning. Hvor hurtigt et billede kan hænge tæt sammen med, hvor hurtigt man kan ændre placeringen af ​​billedsystemets fokus, især i den tredje dimension.

Traditionelle måder at fokusere på igen gør det ved enten mekanisk at flytte mikroskopobjektet eller prøven, hvilket både fører til lav scanningshastighed i den tredje dimension, da hastigheden på bevægelige fysiske objekter er begrænset af inerti. En potentiel måde at afhjælpe dette problem på er ved fjernfokusering, som realiserer omfokusering ved at ændre det optiske systems bølgefront. Imidlertid, de fleste af de eksisterende teknologier står over for afvejningen mellem opløsning og hastighed. Som sådan, der er stadig et behov for en 3D-scanningsteknologi, der er i stand til at nå multi-kHz-hastigheder, samtidig med at man undgår afvigelser, der ville sænke dens opløsning.

I et manuskript udgivet i Letvidenskab og applikationer , et hold forskere, ledet af professor Reto Fiolka fra Institut for Cellebiologi og Lyda Hill Institut for Bioinformatik, på UT Southwestern Medical Center, Dallas, TX, USA., og kolleger har udviklet et nyt optisk design for at overvinde disse udfordringer. De anvendte veletablerede laterale scanningsteknologier og omdannede den laterale scanningsbevægelse til refokusering i den tredje dimension for at realisere højhastigheds volumetrisk billeddannelse. De tog konceptet med aberration-fri fjernfokusering, og i stedet for at flytte et tilsvarende fjernspejl i den tredje dimension, de scannede et laserpunkt lateralt med et højhastigheds-galvanometer over et stationært spejl. Hvis afstanden mellem det stationære spejl og objektivet ikke er konstant langs scanningsretningen, en defokus vil blive indført som nødvendigt for fjernfokusering. Desuden, på returvejen, den laterale scanningskomponent er perfekt kompenseret, sådan, at der opnås en ren scanningsbevægelse i den tredje dimension. Derved, forskerne var i stand til at udnytte højhastigheds laterale scanningsteknologier til hurtigt at flytte et højopløselig laserfokus i den tredje dimension.

To implementeringer ved hjælp af et trinspejl og et vippet plant spejl, blev vedtaget for at realisere dette koncept. Førstnævnte tillader vilkårligt store aksiale trinstørrelser over et begrænset antal trin, og sidstnævnte muliggør et vilkårligt antal og størrelse af aksiale trin og er i stand til kontinuerlig scanning i den tredje dimension, omend over et mere begrænset scanneområde. Med de to implementeringer, forskerne introducerer anvendelser af denne teknologi:

"Vores første praktiske demonstration om mikroskopisk billeddannelse var at accelerere aksialt fejet lysarkmikroskopi (ASLM), som er blevet kritiseret for sin langsomme optagelseshastighed (omkring 10 Hz framerate i implementeringer i høj opløsning, tidligere). Vores nye scanningsteknologi tillader en acceleration af en størrelsesorden, samtidig med at denne nye billedteknologis høje rumlige opløsningsevne bevares. I en anden ansøgning, vi implementerede vores scanningsteknologi i et 2-foton raster scanningsmikroskop og udførte højopløselig volumetrisk billeddannelse med en scanningshastighed i den tredje dimension på 12 kHz. Ja, ved denne rumlige opløsning, vores tilgang er 6 gange hurtigere end tidligere rapporterede aberration-fri fokuseringsteknologier. Vi demonstrerede derefter potentialet i vores teknologi til intravital mikroskopi ved at afbilde det bankende hjerte i et zebrafiskembryo. Vi mener, at dette åbner store applikationer for intravital billeddannelse, især inden for neurovidenskaben. "

"Både de diskrete og kontinuerlige scanningsteknologier kan finde mange applikationer til billede af forskellige lag i hjernen næsten samtidigt eller hurtigt at erhverve hele volumener til måling af neuronale affyringsmønstre eller cerebral blodgennemstrømning. Vigtigt og i modsætning til tidligere teknologier, vores tilgang er fuldt ud kompatibel med akustisk-optiske deflektorer og dermed teoretisk i stand til at scanne på sub-mikrosekundets tidsskala (f.eks.> 1 MHz) i den tredje dimension. Dermed, ved hjælp af resonante Lissajous -scanningsmønstre, vi forudser muligheden for volumetrisk billeddannelse ved kHz -hastigheder. "prognoser forskerne.