В журнале Optics Letters исследователи под руководством Ши-Чи Чена из Китайского университета Гонконга описывают, как они объединили вычислительный подход к визуализации, известный как сжатие, с более быстрым методом сканирования. Они использовали новый метод для получения изображений пыльцевого зерна с помощью двухфотонной микроскопии менее чем за одну секунду.
При традиционном подходе это займет в пять раз больше времени.
«Этот новый метод двухфотонной микроскопии на основе компрессионного зондирования будет полезен для визуализации нейронной сети или одновременного мониторинга активности сотен нейронов», – сказал Чэньян Вэнь, первый автор статьи. "Обычно нейроны передают сигналы в масштабе времени 10 миллисекунд, что обычные системы слишком медленны, чтобы им следовать."
Более быстрое сканирование Двухфотонная микроскопия работает за счет доставки сверхбыстрых импульсов инфракрасного лазерного света к образцу, где он взаимодействует с тканью или флуоресцентными метками, излучающими сигналы, используемые для создания изображения.
Он широко используется для биологических исследований из-за его способности создавать трехмерные изображения с высоким разрешением до глубины одного миллиметра. Эти преимущества, однако, связаны с ограниченной скоростью визуализации, поскольку в условиях низкой освещенности требуются точечные детекторы, которые требуют получения и реконструкции изображений по точкам.
Чтобы ускорить получение изображений, исследователи ранее разработали метод многофокусного лазерного освещения, в котором используется цифровое микрозеркальное устройство (DMD), тип недорогого светового сканера, обычно используемого в проекторах. «Считалось, что эти DMD не могут работать со сверхбыстрыми лазерами», – сказал Чен. «Однако недавно мы решили эту проблему, что позволило применять DMD в сверхбыстрых лазерных приложениях, которые включают формирование луча, формирование импульса, быстрое сканирование и двухфотонную визуализацию."
DMD генерирует от пяти до 30 точек сфокусированного лазерного света в случайно выбранных местах внутри образца.
Положение и интенсивность каждой световой точки контролируются двоичной голограммой, которая проецируется на устройство. Во время каждого измерения DMD повторно мигает голограммой, чтобы изменить положение каждого фокуса, и записывает интенсивность двухфотонной флуоресценции с помощью однопиксельного детектора. Хотя во многих отношениях мультифокусное сканирование DMD более гибкое и быстрое, чем традиционное растровое сканирование, скорость по-прежнему ограничена скоростью, с которой устройство может формировать световые узоры.
Комбинирование методов обеспечивает более быструю визуализацию.
В новой работе исследователи еще больше увеличивают скорость визуализации, комбинируя многофокусное сканирование с компрессионным зондированием. Этот вычислительный подход позволяет реконструировать изображение с меньшим количеством экспозиций, поскольку он выполняет выборку и сжатие изображения за один шаг, а затем использует алгоритм для заполнения недостающей информации. Для двухфотонной микроскопии он позволяет реконструировать образец, используя на 70-90 процентов меньше экспозиций, чем традиционные подходы.
После проведения имитационного эксперимента, чтобы продемонстрировать эффективность нового метода и определить оптимальные параметры, исследователи проверили его с помощью экспериментов по двухфотонной визуализации. Эти эксперименты продемонстрировали способность техники создавать высококачественные 3D-изображения с высокой скоростью визуализации из любого поля зрения.
Например, они смогли получить изображения из пяти слоев пыльцевого зерна, каждый из которых имел размер 100 ? 100 пикселей всего за .55 секунд. Для одних и тех же изображений, полученных с помощью растрового сканирования, потребовалось 2.2 секунды.
«Мы добились увеличения скорости визуализации в 3-5 раз без ущерба для разрешения при визуализации произвольно выбранных областей в трехмерных образцах», – сказал Вен. «Мы считаем, что этот новый подход на основе компрессионного зондирования будет полезен для использования с такими подходами, как оптогенетика, в которой свет используется для управления нейронами, и приведет к новым открытиям в биологии и медицине."
Исследователи работают над дальнейшим улучшением скорости алгоритма реконструкции и качества изображения.
Они также планируют использовать платформу DMD с другими передовыми методами визуализации, такими как коррекция волнового фронта, которая позволяет визуализировать глубокие ткани.