Lensfree sur puce microscopie tomographique Employant multi-angle d'éclairage et de Pixel Super-résolution

L’objectif global de cette procédure est d’obtenir une imagerie tridimensionnelle sans lentille sur puce d’un échantillon biologique sur un grand volume d’imagerie. Pour ce faire, l’échantillon est d’abord placé directement sur la puce du capteur et fournit un éclairage partiellement cohérent. La deuxième étape consiste à décaler latéralement la source lumineuse de différentes positions à enregistrer.

Les sous-pixels décalés des images holographiques de l’échantillon. Les sous-pixels suivants ont été décalés. Les images holographiques sont enregistrées à des multiples d’éclairage pour l’imagerie tomographique.

La dernière étape est le traitement des données, où l’ensemble de données acquis est reconstruit numériquement pour obtenir des images tomographiques tridimensionnelles de l’échantillon. Le principal avantage de cette technique par rapport aux méthodes existantes comme la microscopie optique conventionnelle est qu’elle fournit une imagerie à haut débit dans une architecture compacte. Cela rend notre plateforme particulièrement utile pour l’intégration avec les plateformes de puces libanaises.

Dans ce rapport, la configuration d’imagerie de base pour une mise en œuvre sur paillasse de la tomographie d’échantillons statiques est décrite. Un monochromateur avec une lampe au xénon a été ajusté pour fournir une sortie d’une largeur spectrale d’environ un à 10 nanomètres autour d’une longueur d’onde centrale de 450 à 650 nanomètres. Cette sortie partiellement cohérente est ensuite couplée à une fibre optique multimode pour fournir une lumière partiellement cohérente au système.

La fibre optique est montée sur un platin de rotation motorisé pour changer l’angle d’éclairage. La platine motorisée avec la source lumineuse attachée est montée sur une platine XY linéaire bidimensionnelle, qui est utilisée pour réaliser des décalages simples de la source lumineuse à un angle donné pour la détection. Un réseau de capteurs A-C-M-O-S de cinq mégapixels avec une taille de pixel de 2,2 microns est utilisé.

Le détecteur est utilisé pour enregistrer le large champ de vision des images holographiques des échantillons. Il est essentiel que le réseau de capteurs soit positionné sur le même plan axial que l’axe de rotation de la source lumineuse pour s’assurer que nous vérifions si le capteur reçoit suffisamment de lumière à de grands angles d’éclairage. Alors que la tomographie optique sans lentille peut imager une variété d’objets tels que des cellules et des micro-organismes, les principes de base sont démontrés ici en effectuant une microscopie tridimensionnelle d’un échantillon d’éléphant de mer à l’aide d’un scalpel ou d’une spatule.

Prenez un petit morceau d’AGA dans la boîte de Pétri contenant la culture des organes du scelleur. Un morceau cubique de plusieurs millimètres le long de chaque dimension contiendra des centaines de nématodes. Placez le petit morceau de gélose dans un flacon en polypropylène contenant un millilitre d’eau déminéralisée.

Agitez doucement pendant 30 secondes à une minute. Après 10 à 15 minutes, le ver devrait ramper hors de la gélose dans l’eau déminéralisée. Notez que les vers sont trop petits pour être vus ici afin d’immobiliser temporairement les vers et un millilitre de cinq à 10 millimolaires de Lima.

Alors solution et attendez 10 minutes. Pipeter cinq à 10 microlitres d’échantillon à partir du fond du flacon et prendre en sandwich entre deux lamelles. Cet échantillon contenant un grand nombre de vers temporairement immobilisés peut être placé sur le détecteur pour commencer l’acquisition des données.

À des fins de démonstration, les étapes d’acquisition d’images pour une expérience typique de tomographie optique sans lentille ou LOT sont résumées dans cette section, cependant, l’ensemble du processus a été automatisé à l’aide de l’interface de vue de laboratoire développée sur mesure. Pour commencer les étapes manuelles, ajustez l’angle initial de l’étape de rotation à moins 50 degrés, où zéro degré correspond à la position verticale de la source lumineuse. Ajustez la position initiale de l’étage XY à zéro zéro, qui est la position d’origine.

Ajustez le temps d’exposition du détecteur pour utiliser au mieux sa plage dynamique afin que l’image soit aussi lumineuse que possible sans aucun pixel saturé sans modifier l’angle de l’étape de rotation. Capturez neuf images pour chaque image. Déplacez la platine XY vers une nouvelle position dans une grille carrée de trois par trois, de sorte que chaque image soit décalée d’environ un quart de pixel par rapport à la précédente.

L’acquisition d’un plus grand nombre d’images sous chaque angle peut améliorer la résolution en fonction du type d’objet et du rapport signal/bruit. Après avoir collecté neuf images à l’angle initial, ajustez la position de l’étage XY à la position zéro zéro. Augmentez ensuite l’angle de l’étape de rotation par incréments de deux degrés jusqu’à ce que vous atteigniez 50 degrés.

Après chaque incrément à chaque nouvel angle, répétez les étapes décrites. Les incréments angulaires peuvent être plus ou moins fins en fonction de l’optimisation du temps d’acquisition par rapport à la résolution de l’imagerie. Après l’acquisition des données, un ensemble de 459 images est acquis, qui contiennent neuf images décalées de sous-pixels pour chacun des 51 angles d’éclairage différents.

Chaque ensemble de neuf images est traité numériquement à l’aide d’algorithmes de super résolution de pixels pour obtenir une projection haute résolution. Les super résultats de l’hologramme par pixel d’angle sont ensuite reconstruits numériquement pour obtenir 51 images de projection. Le traitement des données est effectué ici à l’aide d’un ordinateur portable.

La reconstruction prendrait moins d’une seconde pour un champ de vision complet à l’aide d’unités de traitement graphique. Cet ensemble de 51 images de projection est ensuite rétroprojeté à l’aide du plugin Tom OJA. Pour l’image J, les images de projection sont d’abord chargées sur l’image J, après quoi le plugin Tom OJ est appelé.

Une table de correspondance qui fournit l’angle de vue de chaque image de projection est chargée dans OJ. En utilisant la méthode de rétroprojection pondérée, des images tomographiques tridimensionnelles de l’échantillon peuvent être obtenues. Le grand champ de vision de la tomographie optique sans lentille est démontré ici, car l’échantillon est placé directement sur le dessus du réseau de détecteurs. Les images holographiques des objets peuvent être enregistrées sur un champ de vision de 24 millimètres carrés, qui peut être encore augmenté en utilisant des réseaux de détecteurs émergents avec des zones actives plus grandes.

Bien que la taille des pixels du réseau de détecteurs limite la résolution des images holographiques enregistrées, les techniques de super-résolution de pixels atténuent ce problème. Les images de projection peuvent être combinées à l’aide de techniques de reconstruction d’images tomographiques pour calculer les masses TOM de l’échantillon. Trois images de coupe dans le plan XY passant par la partie antérieure du ver sont montrées ici, où le tube pharyngé n’est visible que dans la coupe passant par Z égale huit microns, comme on peut s’y attendre de cette structure grossièrement cylindrique d’un diamètre extérieur d’environ cinq microns.

De plus, l’image en coupe transversale dans le plan XZ montre clairement les limites du ver et du tube pharyngé à l’intérieur, démontrant ainsi une imagerie 3D réussie du pharynx. Avec son développement, cette technique peut ouvrir la voie aux chercheurs pour effectuer une microscopie tridimensionnelle sur des dizaines de tubes millimétriques de volume d’imagerie. Par conséquent, la tomographie optique sans lentille peut être un outil utile pour les applications d’imagerie à haut débit dans les plates-formes de puces libanaises.