Forskere udvikler en enkel måde at fange 3D-billeder i høj kvalitet af levende celler og organismer

Forskere har udviklet en enkel metode til samtidig at optage billeder i forskellige dybder med et standardmikroskop. Den nye teknik kan anvendes på en række forskellige mikroskopimetoder, gør den nyttig til en lang række biologiske og biomedicinske billeddannelsesapplikationer.

"Optisk mikroskopi har været et uundværligt værktøj til at studere 3D komplekse biologiske systemer og processer, "sagde Sheng Xiao, medlem af forskerholdet fra Boston University. "Vores nye multifokus -teknik gør det muligt at observere levende celler og organismer ved høje hastigheder og med høj kontrast."

I Optica , The Optical Society's (OSA) journal for high impact research, forskere under ledelse af Jerome Mertz beskriver deres nye enkle og hurtige måde at erhverve information fra forskellige dybder med standardmikroskopi. Den nye tilgang kan simpelthen føjes til de fleste eksisterende systemer og er let at replikere, gør det tilgængeligt for andre forskere.

Optagelse af multifokusbilleder

Standard kamerabaserede mikroskopisystemer får skarpe billeder ved et enkelt brændplan. Selvom forskere har forsøgt forskellige strategier for samtidig at erhverve billeder med forskellige brændvidder, disse fremgangsmåder kræver typisk flere kameraer eller bruger et specialiseret diffraktivt optisk element til at udføre billeddeling med et enkelt kamera. Begge strategier er komplekse, og et diffraktivt optisk element kan være svært at fremstille.

"Vi brugte et z-splitter prisme, der kan samles helt fra komponenter på hylden og let kan anvendes på en række forskellige billeddannelsesmetoder, såsom fluorescens, fasekontrast eller mørk feltbilleddannelse, "sagde Xiao.

Z-splitterprismen deler detekteret lys for samtidig at producere flere billeder i en enkelt kameraramme. Hvert billede er fokuseret på en anden dybde i prøven. Ved hjælp af et højhastighedskamera med et stort sensorområde og højt pixeltal tillod forskerne at distribuere flere billeder i høj opløsning på den samme sensor uden overlapning.

De multifokale billeder, der er erhvervet med den nye teknik, gør det muligt at estimere baggrunden uden for fokus fra prøven meget mere præcist, end der kan gøres med et enkelt billede. Forskerne brugte disse oplysninger til at udvikle en forbedret 3-D sløringsalgoritme, der eliminerer det baggrundslys, der er ude af fokus, der ofte er et problem, når man bruger vidfeltmikroskopi.

"Vores udvidede volumen 3D-sløringalgoritme undertrykker langt ude af fokus baggrund fra kilder ud over billeddannelsesvolumen, "sagde Xiao." Dette forbedrer både billedkontrasten og signal-til-støj-forholdet, hvilket gør det særlig fordelagtigt i fluorescensbilledapplikationer, der involverer tykke prøver. "

Demonstreret alsidighed

Forskerne demonstrerede den nye teknik med almindeligt anvendte mikroskopimetoder, herunder fluorescens, fasekontrast og mørkfeltbilleddannelse. De tog store 3D-billeder med stort synsfelt, der omfatter hundredvis af neuroner eller hele frit bevægelige organismer samt højhastigheds-3D-billeder af en rotifer cilia, som slog hvert hundrededel af et sekund. Dette viste, hvordan tilgangen giver fleksibilitet til at prioritere et stort synsfelt eller høj hastighed.

For at demonstrere mulighederne for den udvidede volumen 3D-sløring algoritme, forskerne afbildede forskellige tykke prøver, herunder hjernen hos en levende mus. De observerede betydelige forbedringer i kontrast og signal-til-støj-forhold i forhold til både rå multifokusbilleder og mere traditionelle 3D-sløring-algoritmer. Forskerne arbejder nu på at udvide teknikken, så den vil fungere med endnu flere billeddannelsesmetoder.