Çok açılı Aydınlatma ve Pixel Super çözünürlüklü istihdam Lensfree On-chip Tomografik Mikroskopi

Bu prosedürün genel amacı, biyolojik numunenin büyük bir görüntüleme hacmi üzerinde merceksiz üç boyutlu görüntülemesini sağlamaktır. Bu, önce numuneyi doğrudan sensör çipine yerleştirerek ve kısmen tutarlı bir aydınlatma sağlayarak gerçekleştirilir. İkinci adım, kayıt yapmak için farklı konumlardaki ışık kaynağını yanal olarak kaydırmaktır.

Alt pikseller, örneğin holografik görüntülerini kaydırdı. Sonraki alt pikseller kaydırıldı. Holografik görüntüler, tomografik görüntüleme için aydınlatma katlarında kaydedilir.

Son adım, elde edilen veri setinin, numunenin üç boyutlu tomografik görüntülerini elde etmek için dijital olarak yeniden yapılandırıldığı veri işlemedir. Bu tekniğin geleneksel ışık mikroskobu gibi mevcut yöntemlere göre en büyük avantajı, kompakt bir mimaride yüksek verimli görüntüleme sağlamasıdır. Bu, platformumuzu Lübnan çip platformlarıyla entegrasyon için özellikle kullanışlı hale getiriyor.

Bu raporda, statik örneklerin tomografisine yönelik bir tezgah üstü uygulama için temel görüntüleme kurulumu açıklanmaktadır. Ksenon lambalı bir monokromatatör, 450 ila 650 nanometre merkez dalga boyu etrafında yaklaşık bir ila 10 nanometre spektral genişliğe sahip bir çıktı sağlayacak şekilde ayarlandı. Bu kısmen tutarlı çıkış daha sonra sisteme kısmen tutarlı ışık iletmek için çok modlu bir optik fibere bağlanır.

Optik fiber, aydınlatma açısını değiştirmek için motorlu bir dönüş aşamasına monte edilmiştir. Işık kaynağı takılı olan motorlu aşama, algılama için ışık kaynağının belirli bir açıda düz kaymalarını elde etmek için kullanılan iki boyutlu bir doğrusal XY aşamasına monte edilir. 2.2 mikron piksel boyutuna sahip beş megapiksele sahip A-C-M-O-S sensör dizisi kullanılmıştır.

Dedektör, numunelerin geniş görüş alanlı holografik görüntülerini kaydetmek için kullanılır. Sensörün geniş aydınlatma açılarında yeterli ışık alıp almadığını kontrol etmemizi sağlamak için sensör dizisinin ışık kaynağının dönme ekseni ile aynı eksenel düzlemde konumlandırılması çok önemlidir. Lenssiz optik tomografi, hücreler ve mikroorganizmalar gibi çeşitli nesneleri görüntüleyebilirken, burada temel prensipler, bir neşter veya spatula kullanılarak bir deniz elgan örneğinin üç boyutlu mikroskobu yapılarak gösterilmiştir.

Mühürleyici organ kültürünü içeren Petri kabından küçük bir AGA parçası alın. Her boyut boyunca birkaç milimetrelik kübik bir parça yüzlerce nematod içerecektir. Küçük agar parçasını bir mililitre deiyonize su içeren bir polipropilen şişeye yerleştirin.

30 saniye ila bir dakika arasında yavaşça girdap yapın. 10 ila 15 dakika sonra, solucan agardan deiyonize suya sürünmelidir. Solucanları geçici olarak hareketsiz hale getirmek için solucanların burada görülemeyecek kadar küçük olduğunu ve bir mililitre beş ila 10 milimolar Lima'nın olduğunu unutmayın.

Bu yüzden çözelti ve 10 dakika bekleyin. Şişenin altından beş ila 10 mikrolitre numune pipetleyin ve iki kapak fişi arasına sıkıştırın. Çok sayıda geçici olarak hareketsiz hale getirilmiş solucan içeren bu örnek, veri toplamayı başlatmak için dedektöre yerleştirilebilir.

Gösterim amacıyla, tipik bir lenssiz optik tomografi veya LOT deneyi için görüntü elde etme adımları bu bölümde özetlenmiştir, ancak tüm süreç, özel olarak geliştirilmiş laboratuvar görünümü arayüzü kullanılarak otomatikleştirilmiştir. Manuel adımlara başlamak için, dönüş aşamasının başlangıç açısını eksi 50 dereceye ayarlayın, burada sıfır derece ışık kaynağının dikey konumuna karşılık gelir. XY aşamasının başlangıç konumunu, başlangıç konumu olan sıfır sıfıra ayarlayın.

Dedektörün pozlama süresini, dinamik aralığını en iyi şekilde kullanacak şekilde, dönüş aşamasının açısını değiştirmeden görüntünün herhangi bir doygun piksel olmadan mümkün olduğunca parlak olmasını sağlayacak şekilde ayarlayın. Her görüntü için dokuz görüntü yakalayın. XY sahne alanını, her görüntü bir öncekine kıyasla bir pikselin yaklaşık dörtte biri kadar kayacak şekilde, üçe üç kare ızgarada yeni bir konuma taşıyın.

Her açıdan daha fazla görüntü elde etmek, nesnenin türüne ve sinyal-gürültü oranına bağlı olarak çözünürlüğü iyileştirebilir. İlk açıda dokuz görüntü topladıktan sonra, XY aşamasının konumunu tekrar sıfır sıfır konumuna ayarlayın. Ardından, dönme aşamasının açısını, pozitif 50 dereceye ulaşana kadar iki derecelik artışlarla artırın.

Her yeni açıdaki her artıştan sonra, açıklanan adımları tekrarlayın. Açısal artışlar, görüntüleme çözünürlüğüne karşı çekim süresinin optimizasyonuna bağlı olarak daha ince veya daha kaba olabilir. Veri toplamanın ardından, 51 farklı aydınlatma açısının her biri için dokuz alt piksel kaydırılmış görüntü içeren 459 görüntüden oluşan bir set elde edilir.

Dokuz görüntüden oluşan her set, bir yüksek çözünürlüklü projeksiyon elde etmek için piksel süper çözünürlük algoritmaları kullanılarak dijital olarak işlenir. Açı başına hologram piksel süper sonucu daha sonra 51 projeksiyon görüntüsü elde etmek için dijital olarak yeniden oluşturulur. Veri işleme burada bir dizüstü bilgisayar kullanılarak gösterilmektedir.

Yeniden yapılandırma, grafik işleme birimlerini kullanarak tam görüş alanı için bir saniyeden az sürecektir. Bu 51 projeksiyon görüntüsü seti daha sonra Tom OJA eklentisi kullanılarak geri yansıtılır. Görüntü J için, projeksiyon görüntüleri önce görüntü J'ye yüklenir, ardından Tom OJ eklentisi çağrılır.

Her projeksiyon görüntüsü için görüntüleme açısını sağlayan bir arama tablosu OJ'ye yüklenir. Ağırlıklı geri projeksiyon yöntemi kullanılarak, numunenin üç boyutlu tomografik görüntüleri elde edilebilir. Lenssiz optik tomografinin geniş görüş alanı, numune doğrudan dedektör dizisinin üstüne yerleştirildiği için burada gösterilmektedir. Nesnelerin holografik görüntüleri, 24 milimetre karelik bir görüş alanı üzerinde kaydedilebilir ve bu, daha büyük aktif alanlara sahip yeni ortaya çıkan dedektör dizileri kullanılarak daha da artırılabilir.

Dedektör dizisinin piksel boyutu, kaydedilen holografik görüntülerin çözünürlüğünü sınırlasa da, piksel süper çözünürlük teknikleri, burada gösterilen piksel süper çözümlü hologramlar ve üç farklı aydınlatma açısı için mikrometre altı uzamsal çözünürlük sunan yeniden yapılandırılmış projeksiyon görüntüleridir. Projeksiyon görüntüleri, numunenin TOM zeminini hesaplamak için tomografik görüntü rekonstrüksiyon teknikleri kullanılarak birleştirilebilir. Burada, yaklaşık beş mikron dış çapa sahip bu kabaca silindirik yapıdan beklendiği gibi, faringeal tüpün yalnızca Z'den sekiz mikrona eşit olan dilimde görülebildiği yerde, solucanın ön kısmından geçen XY düzlemindeki üç dilim görüntüsü gösterilmektedir.

Ayrıca, XZ düzlemindeki kesit görüntüsü, solucanın ve içerideki faringeal tüpün sınırlarını açıkça gösterir ve farenksin başarılı bir şekilde 3D görüntülenmesini gösterir. Geliştirilmesiyle birlikte bu teknik, araştırmacıların onlarca milimetrelik görüntüleme hacmine sahip tüpler üzerinde üç boyutlu mikroskopi gerçekleştirmelerinin önünü açabilir. Bu nedenle, lenssiz optik tomografi, Lübnan çip platformlarında yüksek verimli görüntüleme uygulamaları için yararlı bir araç olabilir.