Onderzoekers hebben een eenvoudige methode ontwikkeld om met een standaardmicroscoop tegelijkertijd beelden op verschillende diepten te maken. De nieuwe techniek kan worden toegepast op een verscheidenheid aan microscopiemethoden, waardoor het bruikbaar is voor een breed scala aan biologische en biomedische beeldvormingstoepassingen.

"Optische microscopie is een onmisbaar hulpmiddel geweest voor het bestuderen van 3D-complexe biologische systemen en processen, " zei Sheng Xiao, een lid van het onderzoeksteam van de Boston University. "Onze nieuwe multifocustechniek maakt het mogelijk om levende cellen en organismen met hoge snelheden en met een hoog contrast te observeren."

In optiek , Het tijdschrift van de Optical Society (OSA) voor onderzoek met hoge impact, onderzoekers onder leiding van Jerome Mertz beschrijven hun nieuwe rechttoe rechtaan en snelle manier om informatie uit verschillende diepten te verkrijgen met standaardmicroscopie. De nieuwe aanpak kan eenvoudig worden toegevoegd aan de meeste bestaande systemen en is eenvoudig te repliceren, toegankelijk maken voor andere onderzoekers.

Multifocusbeelden vastleggen

Standaard op camera's gebaseerde microscopiesystemen verkrijgen scherpe beelden op een enkel brandvlak. Hoewel onderzoekers verschillende strategieën hebben geprobeerd om tegelijkertijd beelden met verschillende brandpuntsdiepten te verkrijgen, deze benaderingen vereisen typisch meerdere camera's of gebruiken een gespecialiseerd diffractief optisch element om beeldsplitsing uit te voeren met een enkele camera. Beide strategieën zijn complex, en een diffractief optisch element kan moeilijk te vervaardigen zijn.

"We gebruikten een z-splitterprisma dat volledig kan worden samengesteld uit kant-en-klare componenten en dat gemakkelijk kan worden toegepast op een verscheidenheid aan beeldvormende modaliteiten zoals fluorescentie, fasecontrast of donkerveldbeeldvorming, ' zei Xiao.

Het z-splitterprisma verdeelt gedetecteerd licht om tegelijkertijd meerdere beelden in één cameraframe te produceren. Elke afbeelding is op een andere diepte in het monster scherpgesteld. Door een hogesnelheidscamera met een groot sensorgebied en een hoog aantal pixels te gebruiken, konden de onderzoekers meerdere afbeeldingen met een hoge resolutie op dezelfde sensor verspreiden zonder enige overlap.

De multifocale beelden die met de nieuwe techniek zijn verkregen, maken het mogelijk om de onscherpe achtergrond van het monster veel nauwkeuriger in te schatten dan met een enkel beeld kan worden gedaan. De onderzoekers gebruikten deze informatie om een ​​verbeterd 3D deblurring-algoritme te ontwikkelen dat het onscherpe achtergrondlicht elimineert dat vaak een probleem is bij het gebruik van breedveldmicroscopie.

"Ons uitgebreide volume 3D deblurring-algoritme onderdrukt ver onscherpe achtergrond van bronnen buiten het beeldvolume, ", zei Xiao. "Dit verbetert zowel het beeldcontrast als de signaal-ruisverhouding, waardoor het bijzonder gunstig is bij fluorescentiebeeldvormingstoepassingen met dikke monsters."

Aantoonbare veelzijdigheid

De onderzoekers demonstreerden de nieuwe techniek met veelgebruikte microscopiemodaliteiten, inclusief fluorescentie, fasecontrast en donkerveldbeeldvorming. Ze maakten grote 3D-beelden met een gezichtsveld van honderden neuronen of hele vrij bewegende organismen, evenals 3D-beelden met hoge snelheid van een rotifer-trilhaartje, die elke honderdste van een seconde sloeg. Dit toonde aan hoe de aanpak de flexibiliteit biedt om prioriteit te geven aan een groot gezichtsveld of hoge snelheid.

Om de mogelijkheden van het uitgebreide volume 3-D deblurring-algoritme te demonstreren, de onderzoekers beeldden verschillende dikke monsters af, inclusief de hersenen van een levende muis. Ze observeerden significante verbeteringen in contrast en signaal-ruisverhouding in vergelijking met zowel onbewerkte multifocus-afbeeldingen als meer traditionele 3D-onscherpte-algoritmen. De onderzoekers werken nu aan het uitbreiden van de techniek, zodat deze met nog meer beeldvormende modaliteiten gaat werken.