Door een compressief detectiealgoritme te combineren met een digitale holografische microscoop, Prof. Shih-Chi Chen van de afdeling Mechanische en Automatiseringstechniek, Faculteit Ingenieurswetenschappen, De Chinese Universiteit van Hong Kong (CUHK) en zijn onderzoeksteam hebben een snelle beeldvormingsmethode ontwikkeld. De nieuwe aanpak is in staat om in één seconde twee-fotonmicroscopiebeelden van een 3D-monster te produceren, die een snelheid heeft die drie tot vijf keer zo hoog is als die van de conventionele puntscanmethode.

Het onderzoeksresultaat is gepubliceerd in het tijdschrift Optica Letters .

Activiteiten van neuronen worden over het algemeen voltooid op een tijdschaal van 10 milliseconden, waardoor het voor conventionele microscopen moeilijk is om deze verschijnselen direct waar te nemen. Deze nieuwe compressieve detectie van twee fotonenmicroscopie kan worden toegepast op 3D-beeldvorming van de zenuwdistributie van levende wezens of op het monitoren van activiteiten van honderden neuronen tegelijk.

Nieuwe multi-focus laserscanmethode om de scansnelheidslimiet van een microscoop met twee fotonen te doorbreken

Twee-fotonmicroscopie werkt door ultrasnelle pulsen van infrarood laserlicht aan het monster te leveren, waar het samenwerkt met fluorescerende labels om een ​​afbeelding te creëren. Het wordt veel gebruikt voor biologisch onderzoek vanwege zijn vermogen om 3D-beelden met een hoge resolutie te produceren tot een diepte van één millimeter in een levend weefsel. Deze voordelen, echter, komen met een beperkte beeldsnelheid van de twee-fotonmicroscopie vanwege het zwakke fluorescerende signaal.

Om het scannen te versnellen, het onderzoeksteam ontwikkelde een multi-focus laserverlichtingsmethode die gebruikmaakt van een digitaal microspiegelapparaat (DMD). Het onderzoek lost het probleem op dat conventionele DMD onbruikbaar is om te werken met ultrasnelle laser, waardoor ze kunnen worden geïntegreerd en gebruikt in bundelvorming, pulsvorming, en beeldvorming met twee fotonen.

De DMD genereert 30 punten gefocust laserlicht op willekeurig geselecteerde locaties binnen een monster. De positie en intensiteit van elk lichtpunt worden gecontroleerd door een binair hologram dat op het apparaat wordt geprojecteerd. Tijdens elke meting wordt de DMD flitst het hologram opnieuw om de positie van elke focus te wijzigen en registreert de intensiteit van de fluorescentie van twee fotonen met een detector van één pixel. Hoewel, op veel manieren, het DMD-multifocusscannen is flexibeler en sneller dan traditioneel mechanisch scannen, de snelheid wordt nog steeds beperkt door de verversingssnelheid van de DMD.

Het compressieve detectiealgoritme combineren om de beeldsnelheid verder te verbeteren

De onderzoekers verhoogden de beeldsnelheid in dit onderzoek verder door multifocusscanning te combineren met compressieve detectie. Deze aanpak maakt beeldacquisitie mogelijk met minder metingen. Dit komt omdat het in één stap beeldmeting en compressie uitvoert en vervolgens een algoritme gebruikt om de afbeeldingen opnieuw op te bouwen op basis van de meetresultaten. Voor twee-fotonenmicroscopie, het kan het aantal metingen met 70 tot 90 procent verminderen.

Na het uitvoeren van een simulatie-experiment om de prestaties en parameters van de nieuwe methode te demonstreren, de onderzoekers testten het met twee-foton imaging-experimenten. Deze experimenten demonstreerden het vermogen van de techniek om 3D-beelden van hoge kwaliteit te produceren met hoge beeldsnelheden vanuit elk gezichtsveld. Bijvoorbeeld, ze waren in staat om 3D-beelden te maken van een stuifmeelkorrel, in slechts 0,55 seconden. Dezelfde afbeeldingen die werden verkregen met traditionele puntscannen duurden 2,2 seconden.

Prof. Shih-Chi Chen zei:"Deze methode bereikte een drie tot vijf keer hogere beeldsnelheid zonder de resolutie op te offeren. We geloven dat deze nieuwe benadering zal leiden tot nieuwe ontdekkingen in de biologie en geneeskunde, zoals optogenetica. Het team werkt nu aan het verder verbeteren van de snelheid van het reconstructie-algoritme en de beeldkwaliteit. We zijn ook van plan om de DMD samen met andere geavanceerde beeldvormingstechnieken te gebruiken, waardoor beeldvorming in diepere weefsels mogelijk is."