I optisk mikroskopi, höghastighets volymetrisk avbildning begränsas av antingen den långsamma axiella skanningshastigheten eller avvikelser som införs av z-skanningsmekanismen. För att övervinna dessa begränsningar, forskare vid UT Southwestern har introducerat en ny optisk design som omvandlar en lateral skanningsrörelse till en skanning i den tredje dimensionen. Deras mikroskop realiserade laserfokusering med en hastighet av 12 kHz och tillät observation av snabb dynamik inuti celler och det bankande hjärtat i zebrafisk embryon.

Snabb bildbehandling är av stort intresse för mikroskopi, datorsyn, och laserbearbetning. Till exempel, inom neurovetenskap, höghastighetsvolymetrisk avbildning är avgörande för att övervaka dynamiska biologiska processer, inklusive membranspänningsaktivitet (med dynamik på tidsskalan 1 ms eller mindre) eller cerebralt blodflöde. Hur snabbt man kan avbilda är tätt kopplat till hur snabbt man kan ändra placeringen av fokus för bildbehandlingssystemet, särskilt i den tredje dimensionen.

Traditionella sätt att omfokusera gör det genom att antingen mekaniskt flytta mikroskopobjektivet eller provet, vilket både leder till låg skanningshastighet i den tredje dimensionen då hastigheten för rörliga fysiska objekt begränsas av tröghet. Ett potentiellt sätt att lindra detta problem är genom fjärrfokusering, som inser omfokusering genom att ändra det optiska systemets vågfront. Dock, de flesta av de befintliga teknologierna står inför kompromissen mellan upplösning och hastighet. Som sådan, Det finns fortfarande ett behov av en 3D-skanningsteknik som kan nå multi-kHz-hastigheter samtidigt som man undviker aberrationer som skulle sänka upplösningen.

I ett manuskript publicerat i Ljusvetenskap och applikationer , ett team av forskare, ledd av professor Reto Fiolka från institutionen för cellbiologi och Lyda Hill institutionen för bioinformatik, vid UT Southwestern Medical Center, Dallas, TX, USA., och medarbetare har utvecklat en ny optisk design för att övervinna dessa utmaningar. De använde väletablerad lateral scan-teknik och omvandlade den laterala scan-rörelsen till omfokusering i den tredje dimensionen för att realisera höghastighetsvolymetrisk avbildning. De tog konceptet av aberrationsfri fjärrfokusering, och istället för att flytta en motsvarande fjärrspegel i den tredje dimensionen, de skannade en laserfläck i sidled med en höghastighetsgalvanometer över en stationär spegel. Om avståndet mellan den stationära spegeln och objektivlinsen inte är konstant längs skanningsriktningen, en defokusering kommer att införas som är nödvändigt för fjärromfokusering. Vidare, på returvägen, den laterala skanningskomponenten är perfekt kompenserad, så att en ren avsökningsrörelse i den tredje dimensionen erhålls. Vari, forskarna kunde utnyttja höghastighets lateral scan-teknik för att snabbt flytta ett högupplöst laserfokus i den tredje dimensionen.

Två implementeringar med en stegspegel och en lutad plan spegel, antogs för att förverkliga detta koncept. Den förra tillåter godtyckligt stora axiella stegstorlekar över ett begränsat antal steg, och den senare tillåter ett godtyckligt antal och storlek av axiella steg och kan kontinuerligt skanna i den tredje dimensionen, om än inom ett mer begränsat skanningsintervall. Med de två implementeringarna, forskarna introducerar tillämpningar av denna teknik:

"Vår första praktiska demonstration av mikroskopisk avbildning var accelererande axiellt svepande ljusarksmikroskopi (ASLM), som har kritiserats för sin långsamma inhämtningshastighet (cirka 10 Hz bildhastighet i högupplösta implementeringar, tidigare). Vår nya skanningsteknik tillåter acceleration i en storleksordning samtidigt som den höga rumsliga upplösningsförmågan hos denna framväxande bildteknik bibehålls. I en andra ansökan, vi implementerade vår scanningsteknik i ett 2-foton raster scanning mikroskop och utförde högupplöst volymetrisk avbildning med en skanningshastighet i den tredje dimensionen på 12 kHz. Verkligen, vid denna rumsliga upplösning, vårt tillvägagångssätt är 6 gånger snabbare än tidigare rapporterade aberrationsfria fokuseringsteknologier. Vi visade sedan potentialen hos vår teknologi för intravital mikroskopi genom att avbilda det bankande hjärtat hos ett zebrafiskembryo. Vi tror att detta öppnar stora applikationer för intravital avbildning, särskilt inom neurovetenskapen."

"Både diskreta och kontinuerliga skanningstekniker kan hitta många tillämpningar för att avbilda olika lager av hjärnan nästan samtidigt eller för att snabbt förvärva hela volymer för att mäta neuronala avfyrningsmönster eller cerebralt blodflöde. Viktigt och till skillnad från tidigare teknologier, vårt tillvägagångssätt är helt kompatibelt med akusto-optiska deflektorer och därmed teoretiskt kapabelt att skanna på en tidsskala under mikrosekunder (t.ex.> 1 MHz) i den tredje dimensionen. Således, använder resonanta Lissajous skanningsmönster, vi förutser möjligheten för volymetrisk avbildning vid kHz-hastigheter." förutspår forskarna.