Forskarna förberedde tvåfotonmikroskopbilder av ett pollenkorn genom att använda (a) traditionell punktskanning och (b) den nya kompressiva avbildningsmetoden. Punktskanningstiden var 2,2 sekunder medan kompressionsavbildningstiden endast krävde 0,55 sekunder. Kredit:The Chinese University of Hong Kong
Genom att kombinera en kompressionsavkänningsalgoritm med ett digitalt holografiskt mikroskop, Prof. Shih-Chi Chen vid institutionen för maskin- och automationsteknik, Ingengörsfacilitet, Det kinesiska universitetet i Hong Kong (CUHK) och hans forskargrupp har utvecklat en höghastighetsavbildningsmetod. Det nya tillvägagångssättet kan producera tvåfotonmikroskopbilder av ett 3D-prov på en sekund, som har en hastighet som är tre till fem gånger högre än den konventionella punktavsökningsmetoden.
Forskningsresultatet har publicerats i tidskriften Optik bokstäver .
Aktiviteten hos neuroner slutförs i allmänhet på en tidsskala av 10 millisekunder, vilket gör det svårt för konventionella mikroskop att observera dessa fenomen direkt. Denna nya kompressionsavkännande tvåfotonmikroskopi kan tillämpas på 3D-avbildning av nervfördelningen av levande varelser eller för att övervaka aktiviteter från hundratals neuroner samtidigt.
Ny multifokus laserskanningsmetod för att bryta skanningshastighetsgränsen för tvåfotonmikroskop
Tvåfotonmikroskopi fungerar genom att leverera ultrasnabba pulser av infrarött laserljus till provet, där den interagerar med fluorescerande etiketter för att skapa en bild. Den används flitigt för biologisk forskning på grund av dess förmåga att producera högupplösta 3D-bilder upp till ett djup av en millimeter i en levande vävnad. Dessa fördelar, dock, kommer med en begränsad bildhastighet av tvåfotonmikroskopin på grund av den svaga fluorescerande signalen.
För att påskynda skanningen, forskargruppen utvecklade en laserbelysningsmetod med flera fokus som använder en digital mikrospegelenhet (DMD). Forskningen löser problemet med att konventionell DMD är oanvändbar för att arbeta med ultrasnabb laser, gör att de kan integreras och användas i balkformning, pulsformning, och tvåfotonavbildning.
Forskare har utvecklat ett system som ökar bildhastigheten för tvåfotonmikroskopi upp till tre till fem gånger utan att kompromissa med upplösningen. Till vänster är en CAD-modell av kompakten, specialbyggda, tvåfotonmikroskopisystem. Den lediga optiken inuti är avbildad till höger. Kredit:The Chinese University of Hong Kong
DMD genererar 30 punkter med fokuserat laserljus på slumpmässigt utvalda platser inom ett prov. Positionen och intensiteten för varje ljuspunkt styrs av ett binärt hologram som projiceras på enheten. Under varje mätning, DMD återflashar hologrammet för att ändra positionen för varje fokus och registrerar intensiteten av tvåfotonfluorescensen med en enpixeldetektor. Fastän, på många sätt, DMD multi-focus skanning är mer flexibel och snabbare än traditionell mekanisk skanning, hastigheten är fortfarande begränsad av DMD:s uppdateringsfrekvens.
Kombination av kompressionsavkänningsalgoritmen för att ytterligare förbättra bildhastigheten
Forskarna ökade ytterligare avbildningshastigheten i denna forskning genom att kombinera multifokusskanning med kompressionsavkänning. Detta tillvägagångssätt möjliggör bildinsamling med färre mätningar. Detta beror på att den utför bildmätning och komprimering i ett enda steg och sedan använder en algoritm för att bygga om bilderna från mätresultaten. För tvåfotonmikroskopi, det kan minska antalet mätningar med mellan 70 procent och 90 procent.
Efter att ha genomfört ett simuleringsexperiment för att demonstrera den nya metodens prestanda och parametrar, forskarna testade det med tvåfotonavbildningsexperiment. Dessa experiment visade teknikens förmåga att producera högkvalitativa 3D-bilder med höga bildhastigheter från vilket synfält som helst. Till exempel, de kunde ta 3D-bilder från ett pollenkorn, på bara 0,55 sekunder. Samma bilder som tagits med traditionell punktskanning tog 2,2 sekunder.
Prof. Shih-Chi Chen sa, "Denna metod uppnådde en tre till fem gånger högre bildhastighet utan att offra upplösningen. Vi tror att detta nya tillvägagångssätt kommer att leda till nya upptäckter inom biologi och medicin, såsom optogenetik. Teamet arbetar nu för att ytterligare förbättra hastigheten på rekonstruktionsalgoritmen och bildkvaliteten. Vi planerar också att använda DMD tillsammans med andra avancerade bildtekniker, som möjliggör avbildning i djupare vävnader."
