Bij optische microscopie, hoge snelheid volumetrische beeldvorming wordt beperkt door ofwel de langzame axiale scansnelheid of aberraties geïntroduceerd door het z-scanmechanisme. Om deze beperkingen te overwinnen, wetenschappers van UT Southwestern hebben een nieuw optisch ontwerp geïntroduceerd dat een laterale scanbeweging omzet in een scan in de derde dimensie. Hun microscoop realiseerde laserfocussering met een snelheid van 12 kHz en maakte observatie van snelle dynamiek in cellen en het kloppende hart in zebravis-embryo's mogelijk.

Snelle beeldvorming is van groot belang bij microscopie, computer visie, en laserbewerking. Bijvoorbeeld, in de neurowetenschappen, high-speed volumetrische beeldvorming is essentieel om dynamische biologische processen te volgen, inclusief membraanspanningsactiviteit (met dynamiek op de tijdschaal van 1 ms of minder) of cerebrale bloedstroom. Hoe snel men een beeld kan vormen, hangt nauw samen met hoe snel men de positie van de focus van het beeldvormingssysteem kan veranderen, vooral in de derde dimensie.

Traditionele manieren om opnieuw scherp te stellen, doen dit door het microscoopobjectief of het monster mechanisch te verplaatsen. wat beide leidt tot een lage scansnelheid in de derde dimensie, aangezien de snelheid van bewegende fysieke objecten wordt beperkt door traagheid. Een mogelijke manier om dit probleem te verlichten is door op afstand scherp te stellen, die herfocussering realiseert door het golffront van het optische systeem te veranderen. Echter, de meeste bestaande technologieën hebben te maken met de afweging tussen resolutie en snelheid. Als zodanig, er blijft behoefte aan een 3D-scantechnologie die in staat is om multi-kHz-frequenties te bereiken en tegelijkertijd aberraties te vermijden die de resolutie zouden verlagen.

In een manuscript gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassingen , een team van wetenschappers, onder leiding van professor Reto Fiolka van de afdeling Celbiologie en Lyda Hill afdeling Bioinformatica, bij UT Southwestern Medical Center, Dallas, TX, VS., en collega's hebben een nieuw optisch ontwerp ontwikkeld om deze uitdagingen te overwinnen. Ze gebruikten gevestigde laterale scantechnologieën en transformeerden de laterale scanbeweging in herfocussering in de derde dimensie om high-speed volumetrische beeldvorming te realiseren. Ze namen het concept van aberratievrij scherpstellen op afstand, en in plaats van een corresponderende verre spiegel in de derde dimensie te verplaatsen, ze scanden een laservlek zijdelings met een hogesnelheidsgalvanometer boven een stationaire spiegel. Als de afstand tussen de stationaire spiegel en de objectieflens niet constant is langs de scanrichting, een defocus zal worden geïntroduceerd die nodig is voor herfocussering op afstand. Verder, op de terugweg, de laterale scancomponent wordt perfect gecompenseerd, zodat een zuivere scanbeweging in de derde dimensie wordt verkregen. Daarbij, de onderzoekers waren in staat om high-speed laterale scantechnologieën te gebruiken om snel een laserfocus met hoge resolutie in de derde dimensie te verplaatsen.

Twee implementaties met een getrapte spiegel en een gekantelde vlakke spiegel, zijn aangenomen om dit concept te realiseren. De eerste maakt willekeurig grote axiale stapgroottes mogelijk over een eindig aantal stappen, en de laatste zorgt voor een willekeurig aantal en grootte van axiale stappen en is in staat om continu te scannen in de derde dimensie, zij het over een beperkter scanbereik. Met de twee uitvoeringen de wetenschappers introduceren toepassingen van deze technologie:

"Onze eerste praktische demonstratie over microscopische beeldvorming was het versnellen van axiaal geveegde licht-bladmicroscopie (ASLM), die is bekritiseerd vanwege zijn lage acquisitiesnelheid (ongeveer 10 Hz framerate in implementaties met hoge resolutie, eerder). Onze nieuwe scantechnologie maakt een versnelling van één orde van grootte mogelijk, terwijl het hoge ruimtelijke oplossend vermogen van deze opkomende beeldtechnologie behouden blijft. In een tweede aanvraag we implementeerden onze scantechnologie in een 2-foton raster scanning microscoop en voerden volumetrische beeldvorming met hoge resolutie uit met een scansnelheid in de derde dimensie van 12 kHz. Inderdaad, bij deze ruimtelijke resolutie, onze aanpak is zes keer sneller dan eerder gerapporteerde aberratievrije scherpsteltechnologieën. Vervolgens demonstreerden we het potentieel van onze technologie voor intravitale microscopie door het kloppend hart van een zebravisembryo in beeld te brengen. Wij zijn van mening dat dit belangrijke toepassingen opent voor intravitale beeldvorming, vooral in de neurowetenschappen."

"Zowel de discrete als de continue scantechnologieën kunnen veel toepassingen vinden om verschillende lagen van de hersenen bijna gelijktijdig in beeld te brengen of om snel hele volumes te verwerven om neuronale vuurpatronen of cerebrale bloedstroom te meten. Belangrijk en in tegenstelling tot eerdere technologieën, onze aanpak is volledig compatibel met akoesto-optische deflectors en is dus theoretisch in staat om te scannen op een tijdschaal van minder dan microseconden (bijv.> 1 MHz) in de derde dimensie. Dus, met behulp van resonante Lissajous-scanpatronen, we voorzien de mogelijkheid voor volumetrische beeldvorming met kHz-snelheden", voorspellen de wetenschappers.