Lensfree על שבב טומוגרפית מיקרוסקופית העסקת רב זווית תאורה פיקסל סופר רזולוציה

Lensfree טומוגרפיה אופטית היא טכניקה תלת מימדי מיקרוסקופיה המציע רזולוציה מרחבית של <1 מיקרומטר × <1 מיקרומטר × <3 מיקרומטר ב X, Y ו-Z ממדים, בהתאמה, מעל נפח הדמיה גדול של 15-100 מ"מ

המטרה הכוללת של הליך זה היא להשיג הדמיה תלת מימדית נטולת עדשות על שבב של דגימה ביולוגית על פני נפח הדמיה גדול. זה מושג על ידי הנחת הדגימה ישירות על שבב החיישן ומתן תאורה קוהרנטית חלקית. השלב השני הוא להזיז לרוחב את מקור האור במיקומים שונים להקלטה.

תת-פיקסלים הזיזו תמונות הולוגרפיות של המדגם. תת-הפיקסלים הבאים הוזזו. תמונות הולוגרפיות מוקלטות בכפולות של תאורה להדמיה טומוגרפית.

השלב האחרון הוא עיבוד נתונים שבו מערך הנתונים שנרכש משוחזר דיגיטלית כדי להשיג בסופו של דבר תמונות טומוגרפיות תלת מימדיות של הדגימה. היתרון העיקרי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות כמו מיקרוסקופ אור קונבנציונלי, הוא שהיא מספקת הדמיה בתפוקה גבוהה בארכיטקטורה קומפקטית. זה הופך את הפלטפורמה שלנו לשימושית במיוחד לאינטגרציה עם פלטפורמות שבבים בלבנון.

בדוח זה מתואר מערך ההדמיה הבסיסי ליישום שולחן לקראת טומוגרפיה של דגימות סטטיות. מונוכרומטור עם מנורת קסנון הותאם כדי לספק פלט ברוחב ספקטרלי של כ-1 עד 10 ננומטר סביב אורך גל מרכזי של 450 עד 650 ננומטר. פלט קוהרנטי חלקית זה מחובר לאחר מכן לסיב אופטי רב-מצבי כדי לספק אור קוהרנטי חלקית למערכת.

הסיב האופטי מותקן על שלב סיבוב ממונע כדי לשנות את זווית התאורה. השלב הממונע עם מקור האור המחובר מותקן על שלב XY ליניארי דו מימדי, המשמש להשגת תזוזות פשוטות של מקור האור בזווית נתונה לזיהוי. נעשה שימוש במערך חיישני A-C-M-O-S בעל חמישה מגה פיקסל בגודל פיקסל של 2.2 מיקרון.

הגלאי משמש להקלטת תמונות הולוגרפיות בשדה הראייה הרחב של דגימות. זה קריטי שמערך החיישנים ימוקם באותו מישור צירי כמו ציר הסיבוב של מקור האור כדי להבטיח שנבדוק אם החיישן מקבל מספיק אור בזוויות תאורה גדולות. בעוד שטומוגרפיה אופטית נטולת עדשות יכולה לצלם מגוון אובייקטים כגון תאים ומיקרואורגניזמים, העקרונות הבסיסיים מודגמים כאן על ידי ביצוע מיקרוסקופיה תלת מימדית של דגימת אלגן ים באמצעות אזמל או מרית.

קח חתיכה קטנה של AGA מצלחת הפטרי המכילה את תרבית איברי האיטום. חתיכה מעוקבת של כמה מילימטרים לאורך כל ממד תכיל מאות נמטודות. מניחים את נתח האגר הקטן בבקבוקון פוליפרופילן המכיל מיליליטר אחד של מים נטולי יונים.

מערבולת בעדינות למשך 30 שניות עד דקה. לאחר 10 עד 15 דקות, התולעת צריכה לזחול מהאגר למים נטולי היונים. שימו לב שהתולעים קטנות מכדי לראות כאן על מנת לשתק זמנית את התולעים ומיליליטר אחד של לימה של 5 עד 10 מילי-מולאר.

אז תמיסה והמתינו 10 דקות. פיפטה חמישה עד 10 מיקרוליטר של דגימה מתחתית הבקבוקון וכריך בין שתי החלקות כיסוי. ניתן להניח דגימה זו המכילה מספר רב של תולעים משותקות זמנית על הגלאי כדי להתחיל באיסוף נתונים.

למטרות הדגמה, שלבי רכישת התמונה עבור טומוגרפיה אופטית טיפוסית ללא עדשה או ניסוי LOT מסוכמים בסעיף זה, עם זאת, התהליך כולו הפך לאוטומטי באמצעות ממשק תצוגת המעבדה שפותח בהתאמה אישית. כדי להתחיל בשלבים ידניים, כוונן את הזווית ההתחלתית של שלב הסיבוב ל-50 מעלות שליליות, כאשר אפס מעלות מתאים למיקום האנכי של מקור האור. התאם את המיקום ההתחלתי של שלב XY לאפס אפס, שהוא מיקום הבית.

התאם את זמן החשיפה של הגלאי כדי לנצל בצורה הטובה ביותר את הטווח הדינמי שלו כך שהתמונה תהיה בהירה ככל האפשר ללא פיקסלים רוויים מבלי לשנות את זווית שלב הסיבוב. צלם תשע תמונות עבור כל תמונה. העבר את שלב XY למיקום חדש ברשת ריבועית של שלושה על שלושה, כך שכל תמונה תזוז בערך ברבע פיקסל בהשוואה לקודמתה.

השגת תמונות נוספות בכל זווית עשויה לשפר את הרזולוציה בהתאם לסוג האובייקט ויחס האות לרעש. לאחר איסוף תשע תמונות בזווית ההתחלתית, כוונן את המיקום של XY stage בחזרה למצב אפס אפס. לאחר מכן הגדל את זווית שלב הסיבוב במרווחים של שתי מעלות עד שתגיע ל-50 מעלות חיוביות.

לאחר כל תוספת בכל זווית חדשה, חזור על השלבים המתוארים. המרווחים הזוויתיים יכולים להיות עדינים או גסים יותר בהתאם לאופטימיזציה של זמן הרכישה לעומת רזולוציית ההדמיה. לאחר איסוף הנתונים, מתקבלת קבוצה של 459 תמונות, המכילות תשעה תמונות מוזזות של תת-פיקסלים עבור כל אחת מ-51 זוויות התאורה השונות.

כל קבוצה של תשע תמונות מעובדת דיגיטלית באמצעות אלגוריתמים ברזולוציה גבוהה של פיקסלים כדי להשיג הקרנה אחת ברזולוציה גבוהה. לאחר מכן משוחזרים דיגיטלית הולוגרמה לכל זווית פיקסל כדי לקבל 51 תמונות הקרנה. עיבוד הנתונים מוצג כאן באמצעות מחשב נייד.

השחזור ייקח פחות משנייה אחת לשדה ראייה מלא באמצעות יחידות עיבוד גרפיות. קבוצה זו של 51 תמונות הקרנה מוקרנת בחזרה באמצעות תוסף Tom OJA. עבור תמונה J, תמונות ההקרנה נטענות תחילה לתמונה J, ולאחר מכן מופעל התוסף Tom UJ.

טבלת חיפוש המספקת את זווית הצפייה עבור כל תמונת הקרנה נטענת ל-OJ. בשיטת ההקרנה האחורית המשוקללת ניתן לקבל תמונות טומוגרפיות תלת מימדיות של הדגימה. שדה הראייה הגדול של טומוגרפיה אופטית ללא עדשות מודגם כאן כאשר הדגימה ממוקמת ישירות על החלק העליון של מערך הגלאים. ניתן להקליט תמונות הולוגרפיות של האובייקטים על פני שדה ראייה של 24 מילימטר מרובע, אותו ניתן להגדיל עוד יותר באמצעות מערכי גלאים מתפתחים עם שטחים פעילים גדולים יותר.

למרות שגודל הפיקסלים של מערך הגלאים מגביל את הרזולוציה של התמונות ההולוגרפיות המוקלטות, טכניקות סופר רזולוציה של פיקסלים מפחיתות את הבעיה הזו המוצגות כאן הן הולוגרמות סופר רזולוציה של פיקסלים, יחד עם תמונות ההקרנה המשוחזרות המציעות רזולוציה מרחבית תת-מיקרומטרית עבור שלוש זוויות תאורה שונות. ניתן לשלב את תמונות ההקרנה באמצעות טכניקות שחזור תמונה טומוגרפיות כדי לחשב את שטחי ה-TOM של הדגימה. שלוש תמונות פרוסה במישור XY דרך החלק הקדמי של התולעת מוצגות כאן כאשר צינור הלוע נראה רק בפרוסה דרך Z שווה לשמונה מיקרון, כצפוי ממבנה גלילי גס זה עם קוטר חיצוני משוער של חמישה מיקרון.

יתר על כן, תמונת החתך במישור XZ מראה בבירור את גבולות התולעת וצינור הלוע בפנים ומדגימה הדמיה תלת מימדית מוצלחת של הלוע. עם פיתוחה, טכניקה זו יכולה לסלול את הדרך לחוקרים לבצע מיקרוסקופיה תלת מימדית על פני עשרות צינורות של נפח הדמיה. לכן, טומוגרפיה אופטית ללא עדשות יכולה להיות כלי שימושי ליישומי הדמיה בתפוקה גבוהה בפלטפורמות שבבים בלבנון.