멀티 앵글 조명 및 픽셀 슈퍼 해상도를 채용 Lensfree 온칩 단층 현미경

이 절차의 전반적인 목표는 큰 이미징 볼륨에서 생물학적 표본의 렌즈 프리 온 칩 3차원 이미징을 달성하는 것입니다. 이는 먼저 샘플을 센서 칩에 직접 배치하고 부분적으로 간섭성 조명을 제공함으로써 수행됩니다. 두 번째 단계는 기록할 다른 위치의 광원을 측면으로 이동하는 것입니다.

서브픽셀은 샘플의 홀로그램 이미지를 이동시켰습니다. 다음 하위 픽셀이 이동했습니다. 홀로그램 이미지는 단층 촬영 이미징을 위해 여러 조명으로 기록됩니다.

마지막 단계는 수집된 데이터 세트를 디지털 방식으로 재구성하여 궁극적으로 샘플의 3차원 단층 촬영 이미지를 얻는 데이터 처리입니다. 기존 광학 현미경 검사와 같은 기존 방법에 비해 이 기술의 주요 장점은 소형 아키텍처에서 높은 처리량의 이미징을 제공한다는 것입니다. 이것은 우리의 플랫폼을 레바논 칩 플랫폼과의 통합에 특히 유용하게 만듭니다.

이 보고서에서는 정적 샘플의 단층 촬영을 위한 벤치탑 구현을 위한 기본 이미징 설정에 대해 설명합니다. 크세논 램프가 있는 모노크로메이터는 450 - 650나노미터의 중심 파장 주위에서 약 1-10나노미터 스펙트럼 폭의 출력을 제공하도록 조정되었습니다. 그런 다음 이 부분적으로 코히어런트 출력은 다중 모드 광섬유에 결합되어 부분적으로 코히어런트 빛을 시스템에 전달합니다.

광섬유는 전동 회전 스테이지에 장착되어 조명 각도를 변경합니다. 광원이 부착된 전동 스테이지는 2차원 선형 XY 스테이지에 장착되며, 이는 감지를 위해 주어진 각도에서 광원의 일반 이동을 달성하는 데 사용됩니다. 픽셀 크기가 2.2미크론인 5메가픽셀을 갖는 A-C-M-O-S 센서 어레이가 사용됩니다.

검출기는 샘플의 넓은 시야 홀로그램 이미지를 기록하는 데 사용됩니다. 센서 어레이가 광원의 회전축과 동일한 축 평면에 위치하여 센서가 큰 조명 각도에서 충분한 빛을 받는지 확인하는 것이 중요합니다. 렌즈가 없는 광학 단층 촬영은 세포 및 미생물과 같은 다양한 물체를 이미지화할 수 있지만, 기본 원리는 메스 또는 주걱을 사용하여 바다 엘간 샘플의 3차원 현미경 검사를 수행하여 여기에서 입증됩니다.

바다표범 장기 배양이 들어있는 페트리 접시에서 AGA의 작은 조각을 가져옵니다. 각 치수를 따라 수 밀리미터의 입방체 조각에는 수백 개의 선충이 포함되어 있습니다. 작은 한천 덩어리를 1ml의 탈이온수가 들어 있는 폴리프로필렌 바이알에 넣습니다.

30초에서 1분 동안 부드럽게 소용돌이칩니다. 10분에서 15분 후에 기생충은 한천에서 탈이온수로 기어 들어가야 합니다. 지렁이는 너무 작아서 여기에서 볼 수 없어서 지렁이를 일시적으로 움직이지 못하게 하고 1밀리리터의 5-10밀리몰 리마를

따라서 해결하고 10 분 동안 기다리십시오. 바이알 바닥에서 5-10 마이크로리터의 샘플을 피펫으로 넣고 두 개의 커버 슬립 사이에 끼웁니다. 일시적으로 고정된 웜이 많이 포함된 이 샘플을 검출기에 올려 데이터 수집을 시작할 수 있습니다.

시연을 위해 일반적인 렌즈 무 광학 단층 촬영 또는 LOT 실험을 위한 이미지 획득 단계가 이 섹션에 요약되어 있지만, 전체 프로세스는 맞춤형으로 개발된 lab view 인터페이스를 사용하여 자동화되었습니다. 수동 단계를 시작하려면 회전 스테이지의 초기 각도를 음의 50도로 조정하며, 여기서 0도는 광원의 수직 위치에 해당합니다. XY 스테이지의 초기 위치를 홈 위치인 0 0으로 조정합니다.

변경하지 않고 포화 픽셀 없이 이미지가 가능한 한 밝도록 동적 범위를 최대한 활용하도록 감지기의 노출 시간을 조정합니다.tage. 각 이미지에 대해 9개의 이미지를 캡처합니다. 각 이미지가 이전 이미지에 비해 약 1/4픽셀씩 이동하도록 XY 스테이지를 3 x 3 정사각형 그리드의 새 위치로 이동합니다.

각 각도에서 더 많은 이미지를 획득하면 물체의 유형과 신호 대 잡음비에 따라 해상도가 향상될 수 있습니다. 초기 각도에서 9개의 이미지를 수집한 후 XY 스테이지의 위치를 다시 제로 위치로 조정합니다. 그런 다음 양의 50도에 도달할 때까지 회전 단계의 각도를 2도씩 늘립니다.

각각의 새로운 각도에서 각 증분 후 설명된 단계를 반복합니다. angular increments는 이미징 해상도에 대한 획득 시간의 최적화에 따라 더 미세하거나 더 거칠 수 있습니다. 데이터 획득 후, 459개의 이미지 세트가 획득되며, 여기에는 51개의 서로 다른 조명 각도 각각에 대해 9개의 하위 픽셀 이동 이미지가 포함됩니다.

9개의 각 이미지 세트는 픽셀 초해상도 알고리즘을 사용하여 디지털 방식으로 처리되어 하나의 고해상도 프로젝션을 얻습니다. 그런 다음 각도당 홀로그램 픽셀 슈퍼 결과를 디지털 방식으로 재구성하여 51개의 투영 이미지를 얻습니다. 데이터 처리는 랩톱을 사용하여 여기에 표시됩니다.

재구성은 그래픽 처리 장치를 사용하여 전체 시야를 확보하는 데 1초도 걸리지 않습니다. 이 51개의 프로젝션 이미지 세트는 Tom OJA 플러그인을 사용하여 다시 프로젝션됩니다. 이미지 J의 경우 프로젝션 이미지가 먼저 이미지 J에 로드된 후 Tom OJ 플러그인이 호출됩니다.

각 프로젝션 이미지에 대한 시야각을 제공하는 룩업 테이블이 OJ에 로드됩니다. Weighted Back Projection 방법을 사용하여 표본의 3차원 단층 촬영 이미지를 얻을 수 있습니다. 렌즈가 없는 광학 단층 촬영의 넓은 시야는 샘플이 검출기 어레이의 상단에 직접 배치되기 때문에 여기에서 시연됩니다. 물체의 홀로그램 이미지는 24mm 정사각형의 시야에 기록할 수 있으며, 이는 더 큰 활성 영역을 가진 새로운 검출기 어레이를 사용하여 더욱 증가할 수 있습니다.

검출기 어레이의 픽셀 크기가 기록된 홀로그램 이미지의 해상도를 제한하지만, 픽셀 슈퍼 해상도 기술은 이 문제를 완화합니다. 여기에 표시된 것은 픽셀 슈퍼 분해 홀로그램과 함께 세 가지 다른 조명 각도에 대해 마이크로미터 미만의 공간 해상도를 제공하는 재구성된 프로젝션 이미지입니다. 투사 이미지는 단층 촬영 이미지 재구성 기술을 사용하여 결합하여 표본의 TOM 근거를 계산할 수 있습니다. 웜의 앞쪽을 통과하는 XY 평면의 세 슬라이스 이미지가 여기에 표시되며, 인두관은 약 5미크론의 외경을 가진 대략 원통형 구조에서 예상할 수 있듯이 Z를 통한 슬라이스에서만 볼

또한 XZ 평면의 단면 이미지는 벌레와 내부 인두관의 경계를 명확하게 보여 인두의 성공적인 3D 이미징을 보여줍니다. 이 기술의 발전을 통해 연구원들은 수십 개의 이미징 볼륨에 대해 3차원 현미경을 수행할 수 있는 길을 열 수 있습니다. 따라서 렌즈가 없는 광학 단층 촬영은 레바논 칩 플랫폼에서 고처리량 이미징 응용 분야에 유용한 도구가 될 수 있습니다.