Переход на количественную фазовую визуализацию может повысить четкость изображения за счет расширения динамического диапазона — ScienceDaily

Эксперты в области оптической физики разработали новый способ более детального изучения живых клеток с использованием существующей технологии микроскопии и без добавления пятен или флуоресцентных красителей.

Поскольку отдельные клетки почти прозрачны, камеры микроскопов должны обнаруживать очень тонкие различия в свете, проходящем через части клетки. Эти различия известны как фаза света. Датчики изображения камеры ограничены тем, какую разницу фаз света они могут обнаружить, что называется динамическим диапазоном.


«Чтобы увидеть больше деталей с помощью того же датчика изображения, мы должны расширить динамический диапазон, чтобы мы могли обнаруживать меньшие фазовые изменения света», — сказал доцент Такуро Идегучи из Института фотонной науки и технологий Токийского университета.

Исследовательская группа разработала методику, позволяющую делать две экспозиции для отдельного измерения больших и малых изменений фазы света, а затем плавно соединять их для создания окончательного изображения с высокой детализацией. Они назвали свой метод количественной фазовой визуализацией с адаптивным сдвигом динамического диапазона (ADRIFT-QPI) и недавно опубликовали свои результаты в Свет: наука и приложения.

«Наш метод ADRIFT-QPI не требует специального лазера, специального микроскопа или датчиков изображения; мы можем использовать живые клетки, нам не нужны никакие пятна или флуоресценция, и вероятность фототоксичности очень мала», — сказал Идегучи.

Фототоксичность означает уничтожение клеток светом, что может стать проблемой при использовании некоторых других методов визуализации, таких как флуоресцентная визуализация.

Количественная визуализация фазы посылает импульс плоского светового пучка к ячейке, а затем измеряет фазовый сдвиг световых волн после того, как они проходят через ячейку. Затем компьютерный анализ восстанавливает изображение основных структур внутри клетки. Идегучи и его сотрудники ранее были пионерами других методов для улучшения количественной фазовой микроскопии.

Количественная фазовая визуализация — мощный инструмент для изучения отдельных клеток, поскольку позволяет исследователям проводить подробные измерения, например отслеживать скорость роста клетки на основе сдвига световых волн. Однако количественный аспект метода имеет низкую чувствительность из-за низкой насыщающей способности датчика изображения, поэтому отслеживание наноразмерных частиц внутри и вокруг клеток невозможно при традиционном подходе.

Новый метод ADRIFT-QPI преодолел ограничение динамического диапазона количественной фазовой визуализации. Во время ADRIFT-QPI камера делает две экспозиции и создает окончательное изображение, которое имеет в семь раз большую чувствительность, чем традиционные изображения количественной фазовой микроскопии.

Первая экспозиция производится с помощью обычного количественного фазового изображения — плоский световой пучок направляется на образец, и фазовые сдвиги света измеряются после того, как он проходит через образец. Программа компьютерного анализа изображений создает изображение образца на основе первой экспозиции, а затем быстро создает скульптурный волновой фронт света, который отражает это изображение образца. Отдельный компонент, называемый устройством формирования волнового фронта, затем генерирует эту «световую скульптуру» с более высокой интенсивностью света для более сильного освещения и направляет его в направлении образца для второй экспозиции.

Если при первой экспозиции получилось изображение, которое было идеальным представлением образца, сформированные на заказ световые волны второй экспозиции будут входить в образец в разных фазах, проходить через образец, а затем проявляться в виде плоского светового полотна, вызывая камеру, чтобы увидеть только темное изображение.

«Это интересная вещь: мы как бы стираем изображение образца. Мы почти ничего не хотим видеть. Мы отменяем большие структуры, чтобы мы могли видеть более мелкие во всех деталях», — пояснил Идегучи.

реально первая экспозиция несовершенна, поэтому световые волны появляются с небольшими отклонениями фазы.

Вторая экспозиция показывает крошечные различия фазы света, которые были «размыты» большими различиями в первой экспозиции. Эта оставшаяся крошечная разница фаз света может быть измерена с повышенной чувствительностью из-за более сильного освещения, используемого во второй экспозиции.

Дополнительный компьютерный анализ восстанавливает окончательное изображение образца с расширенным динамическим диапазоном по результатам двух измерений. В ходе демонстрации концепции исследователи оценили, что ADRIFT-QPI создает изображения с в семь раз большей чувствительностью, чем обычная количественная фазовая визуализация.

Идегучи говорит, что истинным преимуществом ADRIFT-QPI является его способность видеть крошечные частицы в контексте всей живой клетки без необходимости каких-либо этикеток или пятен.

«Например, могут быть обнаружены небольшие сигналы от наноразмерных частиц, таких как вирусы или частицы, перемещающиеся внутри и снаружи клетки, что позволяет одновременно наблюдать за их поведением и состоянием клетки», — сказал Идегучи.

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments