Name: 멀티 앵글 조명 및 픽셀 슈퍼 해상도를 채용 Lensfree 온칩 단층 현미경 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-08-16T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 41 s
Description: 학습하세요 렌즈프리 온칩 단층 현미경을 이용한 생물학적 표본의 3차원 고해상도 영상화 방법을. 픽셀 슈퍼 해상도와 다중 각도 조명으로 대용량 이미징이 가능하며, 랩온어칩 플랫폼 통합에 적합합니다.

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1. 이미징 설정 많은 콤팩트하고 경량 필드 휴대용 아키텍처 8 조립 수 있으며, 또는 단면 이미징 능력 optofluidic 현미경으로 9.이 보고서에서, 그러나, 우리는 정적의 tomography 향해 벤치 상위 구현에 대한 기본 이미지 설정을 설명합니다 샘플. <ol><li> 조명 모듈 : 많은 경우에 이러한 발광 다이오드 - (LED가)와 같은 일부 코히어런트 광원을 활용할 수 있습니다. 실험적인 유연성을 위해 지논 램프 (초석 T260, 뉴 포트 사)와 단색을 사용. 단색은 예를 들어, 450-650 nm의의 중심 파장 주위 ~ 1-10 nm의 스펙트럼 폭 출력을 제공하도록 조정되었습니다. 이것은 부분적으로 일관된 출력 후 시스템에 부분적으로 일관된 빛을 제공하는 다중 모드 광섬유 (Thorlabs AFS105/125Y)에 결합됩니다. 광학 섬유 (Thorlabs 전동식 회전 무대에 마운트되어PRM-1Z8은 조명의 각도를 변경) Thorlabs TDC001 컨트롤러에 의해 구동. 동력 무대는 광원 붙어있는, 주어진 각도로 광원의 인 - 비행기 교대를 달성하는 데 사용된 2 차원 선형 XY 스테이지 (뉴 포트 ILS50CC 뉴 포트 MFA-PPD 컨트롤러에 의해 구동)에 마운트됩니다. </li><li> 탐지 : Lensfree 광학 tomography는 검출기 배열이 상당히 이미지 수집 단계 또는 데이터 처리를 변경하지 않고 응용 프로그램의 요구 사항에 따라 선택할 수있는 그러한 확장 기술입니다. 이 보고서에서는 2.2 μm의의 픽셀 크기 (IDS 이미징, UI-1485LE-M)로, 5 메가 픽셀을 갖는 CMOS 센서 배열을 채용. 검출기는 검출기의 활성 영역의 상단에 직접 배치되었다 샘플 와이드 뷰 필드 (예 : 24mm 2) 홀로그램 영상을 기록하는 데 사용됩니다. 이중 축 tomography 설정이 구현되어 7면 감지기가되어야합니다LSO는 광학 축에 대한 일반 비행기에서 샘플을 (함께 탐지기로) 회전 수평 (광학 테이블과 관련한) 회전 무대 (예 : Thorlabs RP-01)에 장착됩니다. 7 </li></ol> 2. 샘플 준비 lensfree 광학 tomography 이미지 등 세포 및 미생물과 같은 개체의 다양한 수 있지만, 우리는 C의 입체 현미경을 수행하여 기본 원칙을 보여주는 것입니다 elegans 샘플. <ol><li> 메스 또는 주걱 사용하여 C를 포함하는 배양 접시로부터 한천의 작은 조각을 elegans 문화. 각 차원을 따라 몇 mm의 큐빅 조각 nematodes 수백 포함됩니다. </li><li> 한 ML 드 이온화 (DI) 물을 포함하는 폴리 프로필렌의 유리병에 한천의 작은 청크를 놓습니다. </li><li> 0.5-1 분, 그리고 벌레는 DI 물에 한천 조각 기어 나와서 때까지 10-15 분 기다려야 위해 부드럽게 소용돌이. </li><li> ... 할 목적으로일시적으로, 벌레를 고정 5-10 밀리미터 levamisole 솔루션 (시그마 - 올드 리치) 1 ML을 추가하고 10 분 기다립니다. </li><li> 두건의 살인 사건이 은폐이 풀리지 사이 5-10 유리병의 바닥에서 샘플의 μl, 그리고 샌드위치를​​ 피펫. 일시적으로 고정화 웜 (예 : 50-100 웜)의 다수가 포함된이 샘플은, 데이터 수집을 시작 검출기에 둘 수 있습니다. </li></ol> 3. 데이터 수집 여기서는 LabView 인터페이스를 개발한 사용자 정의를 사용하여 자동화되었습니다 전형 많이 실험에 대한 이미지 수집 단계를 요약합니다. <ol><li> 0 °는 광원의 수직 위치에 해당 -50 °로 회전 무대의 초기 각도를 조정합니다. </li><li> (0,0)로 XY 스테이지의 초기 위치를 조정,이 홈 위치입니다. </li><li> 최고의 이미지가 어떠한들없이 최대한 밝은 것이 자사의 다이나믹 레인지와 같은 활용하는 감지기의 노출 시간을 조절aturated 픽셀. </li><li> 회전 무대의 각도를 변경하지 않고, 9 이미지를 캡처합니다. 각 이미지의 경우, 각 이미지가 이전에 비해 픽셀의 약 분기까지 바꿔 주던 그러한 3x3 사각형 격자의 새로운 위치로 XY 스테이지 이동합니다. 6μ6 그리드에 예를 들어, 각각의 각도에서 더 많은 이미지를 취득, 개체 및 신호 대 노이즈 비율 (SNR)의 종류에 따라 해상도를 향상시킬 수 있습니다. 10 </li><li> (0,0)로 XY 스테이지의 초기 위치를 조정,이 홈 위치입니다. </li><li> 50 °에 도달하기 전까지는, 2 ° 단위로 회전 무대의 각도를 높이십시오. 각 증가 후, 각각의 새 각도, 3-5 단계를 반복에서 즉. 각도 단위는 획득 시간 대 이미징 해상도의 최적화에 따라 미세한 또는 coarser 될 수 있습니다. </li><li> (이중 축 tomography 기법이 활용되는 경우 선택적 단계) 검출기가 90 °로 장착되는 수평 무대를 회전합니다. 그런 다음,1-6 단계를 반복합니다. </li></ol> 4. 데이터 분석 제 3 항, 조명의 51 각도의 각 9 서브 픽셀 이동 이미지가 포함되어 취득 459 이미지 세트에서 단계 1-6를 수행. 첫째, 9 이미지의 각 집합에 디지털 한 고해상도 (HR) 각도마다 프로젝션 홀로그램을 얻기 위해 픽셀 슈퍼 해상도 알고리즘 10, 사용, 처리됩니다. 이것은 화소 슈퍼 해상도 lensfree 이미지의 공간적 해상도에서 오히려 회절 한계보다 픽셀 크기의 한계를 극복이라는 점에 주목하여야한다. 픽셀 슈퍼 해결 홀로그램 그런 다음 디지털 51 프로젝션 이미지를 얻을 7-10 복원됩니다. 51 투영 화상의이 세트는 다음 TomoJ, 플러그인 ImageJ (오픈 소스 이미지 분석 소프트웨어)에 대한. 11이 백 프로젝션 작업이 샘플의 3 차원 이미지 (tomograms)를 출력합니다.를 사용하여 백 예상된다 여기에 구현되지 않지만,참조에서 설명한대로 이중 축 tomography 기법도 활용 수 있습니다. 7. 이 제도에서는 tomograms의 두 번째 세트는 샘플에 대한 자세한 공간적 정보를 제공하며 축 해상도를 향상 최초의 회전 축에 관하여 직교 축을 따라 광원을 회전하여 얻어진다. 5. 대표 결과 lensfree 광학 tomography의 넓은 뷰 필드 (FOV)은 그림 1에서 증명된다. 시료가 검출기 - 배열의 맨에 직접 배치되면서 개체의 홀로그램 이미지가 더 큰 활성 영역과 신흥 검출기 배열을 사용하여 증가 수 24 FOV mm 2 이상 기록될 수 있습니다. 검출기 - 배열의 픽셀 크기가 기록된 홀로그램 이미지의 해상도를 제한하지만, 화소 수퍼 해상도 기술이 문제를 완화. 그림 2는 함께 화소 슈퍼 해결 홀로그램을 보여줍니다와 조명의 세 가지 다른 각도, 하위 마이크로 미터 공간적 해상도를 제공하는 복원 이미지 (즉, 프로젝션 이미지). 프로젝션 이미지는 시편의 tomograms (즉, 입체 영상)을 계산하는 (예 : 여과 백 프로젝션) 단층 영상 재구성 기법을 사용하여 조합하여 사용할 수 있습니다. 그림 3은 웜의 앞부분을 통해 XY 평면에 세 슬라이스 이미지를 보여줍니다, 어디에 pharyngeal 튜브는 등 ~ 5 μm의 외경이 약 원통형 구조에서 예상 Z = 8 μm의를 통해 슬라이스에서 볼 수 있습니다. 또한, xz 평면에서 교차 단면 이미지 (그림 3 상단 패널에 삽입된 페이지) 명확 웜 경계와 인두의 성공적인 3D 영상을 보여주 pharyngeal 튜브 내부를 (화살표가 가리키는) 보여줍니다. <img src="/files/ftp_upload/4161/4161fig1.jpg" alt="그림 1" /> <str긴 사연&gt; 그림 1은 lensfree 광학 tomography (LOT) 수직 조명에 대한 설정을 사용하여 기록 풀 뷰 필드 (24mm 2) 홀로그램 이미지를 보여줍니다. 많은 대형 이미징 영역으로 인하여 많은 벌레들이 동시에 단일 데이터 수집 단계로 몇 군데하실 수 있습니다. <img src="/files/ftp_upload/4161/4161fig2.jpg" alt="그림 2" /> 그림 2는 슈퍼 해결 홀로그램 (왼쪽 패널)와 디지털 복원 프로젝션 이미지 (오른쪽 패널) C.위한 픽셀을 보여줍니다 세 가지 조명 각도에서 elegans 벌레 (대형 뷰 필드에서 잘립니다.) 각각의 투영 이미지는 필터링된 백 프로젝션 작업을 통해 3 차원 구조의 계산을 가능하게 다른 시야각을에 관한 정보가 포함되어 있습니다. <img src="/files/ftp_upload/4161/4161fig3.jpg" alt="그림 3" /> 그림 3은 C.에 대한 계산된 tomograms을 보여줍니다 elegans 벌레 OF 그림 2. (끝줄)는 Z = 3 μm의에서 전체 웜 슬라이스 이미지를 보여줍니다. 삽입된 페이지는 벌레의 앞부분에서 교차 단면 이미지를 보여줍니다. 삽입된 페이지의 스케일 바는 50 μm의입니다. (하단 행)은 lensfree 광학 tomography의 광학 sectioning 능력을 보여주 웜의 앞부분을 통해 세 슬라이스 이미지를 표시합니다. 그림 전체에 화살표가 웜의 pharyngeal 튜브에 동일한 지점을 나타냅니다. 현미경 이미지 (x40, 0.65-NA)도 시각적으로 비교 제공됩니다.

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</ol>

관심의 어떠한 충돌 선언 없습니다.

그것은 lensfree 온칩 홀로그램 현미경의 독특한 기하학 픽셀 슈퍼 해상도와 단층 이미지를 달성하기위한 중요한 원동력임을 강조하는 것이 중요합니다. 녹화된 영상은 12에 도달 조리 연락처 이미징에서와 같이 프로젝션 이미지로 간주 아니지만 프로젝션 홀로그램, 전송 빛의 회절은 검출기에 impinges까지 디지털 홀로그램 재건축으로 해결할 수 있기 때문에. 따라서 샘플 - 투 - 센서 거리 차이가 차지했다 수 있습니다. 광원이 시료에서 ~ 4~10cm 거리에 배치되는 동안 또한, 샘플 - 투 - 센서 거리 때문에 일반적으로 큰 소스 교대를 요구하지 않는 서브 픽셀 변화를 달성, 0.5-5 밀리 낙제야있다. 결과적으로, 오직 50-100 μm의에 의해 광원을 이동하면 하위 픽셀 전에서 원치 않는 변형을 방지 탐지 비행기에서 교대) 조명 방향 / 관점을 달성하기 충분하다각 원본 위치에서 ND <s...

<table border="1"><tbody><tr><td> 이름 </td><td> Compay </td><td> # 카탈로그 </td><td> 논평 </td></tr><tr><td> 선형 XY 스테이지 </td><td> 뉴 포트 주식 회사 </td><td> MFA-PP </td><td> 미니어처 리니어 스테이지 </td></tr><tr><td> 동력 회전 무대 </td><td> Thorlabs </td><td> PRM1Z8 </td><td> 동력 정밀 회전 마운트 </td></tr><tr><td> 다중 모드 광섬유 </td><td> Thorlabs </td><td> AFS105/125Y </td><td> 멀티모드 광섬유 </td></tr><tr><td> 광원 </td><td> 뉴 포트 주식 회사 </td><td> 6255 </td><td> 오존없는 크세논 램프 </td></tr><tr><td> 단색 화 </td><td> 뉴 포트 주식 회사 </td><td> 74,100 </td><td> 초석 260 4분의 1 m 단색 화 </td></tr><tr><td> CMOS 센서 어레이 </td><td> Aptina 주식 회사 </td><td> MT9P031STC </td><td> 5 메가픽셀의 CMOS 센서 </td></tr><tr><td> C. elegans 샘플 </td><td> 캐롤라이나 Biosupply </td><td> 173,500 </td><td> 야생 형 C. elegans </td></tr><tr><td> Levamisole </td><td> 시그마 알드리치 </td><td> L9756-5G </td><td> Tetramisole 하이드로 클로라이드 </td></tr></tbody></table>

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

Lensfree On-chip Tomographic Microscopy Employing Multi-angle Illumination and Pixel Super-resolution

그것이 서로 다른 크기의 비늘의 객체에 관한 입체 (3D) 구조적인 정보를 제공할 수있는 단층 영상 의학에서 널리 사용되는 도구가되었습니다. 마이크로 미터와 mm 스케일에서 광학 현미경 modalities는 가시 광선의 비 이온화 특성으로 증가 사용 인하여 찾고, 풍부한 조명 소스의 집합 (예 : 레이저와 발광 - 다이오드 등) 및 감지 요소 (예 :의 가용성 대형 CCD 및 CMOS 검출기 - 배열). 최근에 개발된 광학 단층 현미경 modalities 가운데 하나는 광학 일관성의 tomography, 광학 회절 tomography, 광학 프로젝션 tomography와 가벼운 시트 현미경을 포함할 수 있습니다. 1-6 이러한 플랫폼은 세포, 미생물 등 C. 등의 모델 동물의 단면 영상을 제공 elegans, zebrafish 및 마우스 배아. 기존 3D 광학 imagers는 일반적으로 일을 제한, 상대적으로 부피가 복잡한 아키텍처를전자는 첨단 실험실 이러한 장비의 가용성 및 실험실 - 온 - 칩 플랫폼과 microfluidic 칩을와의 통합을 방해한. 대안 단층 현미경을 제공하기 위해, 우리는 최근 일곱 많이 버리고 렌즈와 부피가 큰 광학 부품의 사용. 높은 처리량, 컴팩트하고 비용 효율적인 광학 tomography의 양상으로 lensfree 광학 tomography (LOT)를 개발하고, 대신 멀티 각도에 의존 조명과 대형 이미징 볼륨을 통해 마이크로 객체의 깊이 - 해결 이미징을 달성하기위한 디지털 계산. 많은에 대한 X &lt;1 μm의 X &lt;3 15~100mm 3 대형 이미징 볼륨여 각각 X, Y 및 Z 크기의 μm의,,, 그리고 될 수 있습니다 특히 유용 &lt;1 μm의의 공간적 해상도로 이미지를 생물 학적 시료 수 실험실 - 온 - 칩 플랫폼.

Lensfree 광학 tomography은 &lt;1 μm의의 공간적 해상도를 제공하는 입체 현미경 기법이다 × &lt;1 μm의 × 15~1백밀리미터의 큰 이미지 볼륨여 각각 X, Y 및 Z 크기에서 &lt;3 μm의,<sup&gt; 3</sup&gt; 어느 실험실 - 온 - 칩 플랫폼 통합에 특히 유용할 수 있습니다.

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

단층 촬영 영상법은 다양한 객체에 대한 3차원(3D) 구조 정보를 제공할 수 있어 의료 분야에서 널리 사용되는 도구였습니다...

이 실험 절차의 전반적인 목적은 넓은 이미징 볼륨에 걸쳐 생물학적 시료의 렌즈 없는 온칩(on-chip) 3차원 이미징을 구현하는 것입니다. 이는 먼저 센서 칩 위에 시료를 직접 배치하고 부분 간섭성 조명을 제공함으로써 달성됩니다. 두 번째 단계는 서로 다른 위치의 광원을 측방향으로 이동시켜 기록하는 것입니다.시료의 서브픽셀 이동 홀로그래픽 이미지. 다음 서브픽셀 이동. 토모그래피 이미징을 위해 조명의 배수 지점에서 홀로그래픽 이미지를 기록합니다.마지막 단계는 데이터 처리 과정으로, 획득한 데이터 세트를 디지털로 재구성하여 최종적으로 시료의 3차원 단층 촬영 영상을 얻습니다. 기존의 일반 광학 현미경과 같은 방법과 비교했을 때 이 기술의 주요 장점은 소형 구조에서 고처리량 이미징을 제공한다는 것입니다. 이러한 특징 덕분에 본 플랫폼은 랩온어칩(lab-on-a-chip) 플랫폼과의 통합에 특히 유용합니다.본 보고서에서는 정적 시료의 토모그래피를 위한 벤치탑 구현용 기본 이미징 설정을 설명합니다. 제논 램프가 장착된 모노크로메이터를 조정하여 450에서 650 nanometer의 중심 파장 주변에서 약 1에서 10 nanometer의 스펙트럼 폭을 갖는 출력을 제공하도록 하였습니다. 이러한 부분 간섭성 출력은 이후 멀티모드 광섬유에 결합되어 시스템에 부분 간섭성 빛을 전달합니다.조사 각도를 변경하기 위해 광섬유를 전동 회전 스테이지에 장착합니다. 광원이 부착된 전동 스테이지는 2차원 선형 XY 스테이지 위에 장착되며, 이는 검출을 위해 특정 각도에서 광원의 평면 이동을 구현하는 데 사용됩니다. 픽셀 크기가 2.2 microns인 5메가픽셀의 CMOS 센서 어레이가 사용됩니다.검출기는 샘플의 광시야 홀로그래픽 이미지를 기록하는 데 사용됩니다. 센서가 큰 조명 각도에서도 충분한 빛을 받는지 확인하기 위해, 센서 어레이가 광원의 회전축과 동일한 축 평면에 위치하는 것이 매우 중요합니다. 렌즈 없는 광학 토모그래피는 세포 및 미생물과 같은 다양한 객체를 이미징할 수 있지만, 여기서는 메스나 스패튤라를 사용하여 바다민달팽이 샘플의 3차원 현미경 관찰을 수행함으로써 기본 원리를 시연합니다.실러 기관(sealer organs) 배양액이 담긴 페트리 접시에서 AGA 조각을 소량 덜어냅니다. 각 변의 길이가 수 밀리미터인 정육면체 모양의 조각에는 수백 마리의 선충이 포함되어 있습니다. 이 작은 한천 덩어리를 1 mL의 탈이온수가 들

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Research

연구

JoVE Journal

Bioengineering

생명공학

세포의 Lensfree 온 - 칩 이미징 및 특성은 그림이다. 이 온칩 세포 이미징 접근 방식은 자원 가난한 설정을 위해 특히 적합, 의료 진단 및 높은 처리량 세포 생물학 애플 리케이션을위한 소형 및 비용 효율적인 도구를 제공합니다.

셀 Lensless 온 - 칩 영상은 높은 처리량 세포 생물학 및 의료 진단을위한 새로운 도구를 제공합니다

lensless 온칩 형광 현미경 플랫폼 시연입니다 예의 울트라 와이드 뷰 필드 이상의 이미지를 형광 물체 수, 디코딩 알고리즘을 기반으로 압축 샘플링을 사용하여 &lt;4μm 해상도&gt; 0.6-8 cm2. 이러한 작고 넓은 분야 형광 온 칩 영상 양상은 높은 처리량 cytometry, 희귀 세포 연구와 microarray 분석을 위해 도움이 될 수 있습니다.

칩에 Lensless 형광 현미경

이 문서에서 우리는 높은 해상도, 형광 표지 된 마우스의 뇌의 미세 뇌 해부학과, 재구성하는 전체 실험 절차를 설명합니다. 설명 프로토콜은 샘플 준비 및 청소, 영상, 데이터 후 처리 및 다중 스케일의 시각화를 위해 설치 표본이 포함되어 있습니다.

공 초점 빛 시트 현미경 전체 마우스 두뇌의 마이크론 규모의 해상도 광학 단층 촬영

성체 마우스의 림프절에서 120 ㎛의 깊이까지의 향상된 콘트라스트와 높은 해상도의 intravital 촬상 공간적 다중 초점 이광자 현미경의 여기 패턴을 변조함으로써 달성된다. 100 μm의 깊이에서 우리는 따라서 산란 및 회절 한계를 우회, 487 ㎚의 해상도 (측면) 및 551 nm의 (축 방향)을 측정 하였다.

어린 싹 센터의 높은 해결의 intravital 스트라이프 - 조명 현미경

단일 평면 조명 현미경 용 모듈 (SPIM)이 쉽게 반전 와이드 필드 현미경에 적합한 3 차원 세포 배양을 위해 최적화되어 설명된다. 샘플은 직사각형 모세관 내에 위치되며, 마이크로 유체 시스템 형광 염료로, 약제 또는 약물은 소량으로 적용 할 수있다.

단일 평면 조명 모듈과 와이드 필드 현미경 용 마이크로 모세관 접근법

단백질 기능화 평면 유리 지지 지질 이중층의 준비, 내 단백질 이동성 측정 및 단백질 밀도 측정이 여기에 나와 있습니다. 노이즈를 줄인 내부 전반사(Total Internal Reflection) 현미경을 구축하기 위한 로드맵이 요약되어 있으며, 이를 통해 높은 시공간 해상도로 단일 이중층 상주 형광 색소를 시각화할 수 있습니다.

평면에 단일 분자 형광 현미경은 이중층 지원

hyperlens 사용 하 여 실시간 영상 및 기존의 광학의 간단한 구현에 그것의 장점으로 인해 새로운 슈퍼 해상도 이미징 기술로 간주 되었다. 여기, 우리 제조 설명 및 이미징 구형 hyperlens의 응용 프로그램 프로토콜을 제시.

Hyperlens 통합 현미경 및 슈퍼 해상도 영상

여기, 우리 소설 영상 복합 플랫폼을 사용 하 여 큰 시야 (FOV) 3 차원 (3D) 형광 및 10 월 망막 이미지를 얻을 프로토콜 제시. 시스템 설치 프로그램, 정렬 방법 및 운영 프로토콜을 소개 합니다. Vivo에서 화상 진 찰 설명 될 것입니다, 그리고 대표적인 결과 제공 됩니다.

복합 체적 망막 이미징 오블리크 스캐닝 레이저 Ophthalmoscopy (오슬로) 및 광학 일관성 단층 촬영 (OCT)

칩 기반 의 초고해상도 광학 현미경 검사법은 형광 현미경 검사법에 대한 새로운 접근법이며 비용 효율성과 처리량에 이점을 제공합니다. 여기에서, 칩 준비 및 화상 진찰을 위한 프로토콜은 TIRF 현미경 검사법 및 현지화 기지를 둔 초고해상도 현미경 검사법을 위해 도시됩니다.

포토닉 칩을 사용한 고처리량 총 내부 반사 형광 및 직접 적층 광학 재건 현미경

그런가에 대한 정량, 높은 처리량, 실시간 및 레이블이없는 biomolecular 감지 (DNA, 단백질...

Interferometric 반사율 이미징 센서 (IRIS)를 채용 Biomolecular 감지

학습하세요 렌즈프리 온칩 단층 현미경을 이용한 생물학적 표본의 3차원 고해상도 영상화 방법을. 픽셀 슈퍼 해상도와 다중 각도 조명으로 대용량 이미징이 가능하며, 랩온어칩 플랫폼 통합에 적합합니다.

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

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