Mikroskop baru menyediakan pencitraan optik adaptif 3D throughput tinggi

Mikroskop adalah alat yang berguna dalam penelitian biomedis karena memungkinkan pemeriksaan dan visualisasi jaringan yang akurat. Karena sifat bahan biologis yang tidak tembus cahaya, hamburan cahaya sangat parah ketika melewati jaringan, menghasilkan sejumlah besar kebisingan latar belakang dan distorsi optik yang kompleks.

Kebanyakan mikroskop optik hanya memungkinkan pengguna untuk melihat permukaan jaringan, dan banyak mikroskop tidak dapat melihat fitur yang terdiri dari banyak lapisan sel secara mendalam. Namun, mendapatkan gambar optik resolusi tinggi dari struktur mikro jauh di dalam jaringan sangat menantang.

Sekitar setahun yang lalu, tim peneliti yang dipimpin oleh Profesor Wonshik Choi dari Institut Ilmu DasarPusat Spektroskopi dan Dinamika Molekuler (CMSD) telah mendemonstrasikan ‘mikroskop matriks reflektif’, sebuah teknologi pencitraan yang telah mengintegrasikan kemampuan instrumentasi adaptif dan optik yang canggih secara komputasi.

Ini menganalisis matriks refleksi, yang mencakup semua informasi yang tersedia mengenai komunikasi antara bidang input dan output dari sistem pencitraan, terutama objek yang menarik, berbeda dengan pencitraan konvensional.

Namun, pemrosesan gambar digital berikutnya dapat mengambil gambar objek yang jelas dan tidak berubah dari matriks yang diukur.

Akibatnya, teknik ini telah muncul sebagai pilihan yang layak untuk pencitraan optik non-invasif resolusi tinggi di kedalaman jaringan biologis tanpa menggunakan label. Pencitraan matriks lebih unggul dari sebagian besar AO konvensional. Para peneliti menunjukkan bahwa metode mereka dapat “melihat melalui” tengkorak tikus yang utuh dan memungkinkan pencitraan yang tepat dari neuron di bawahnya.

Terlepas dari kinerjanya yang luar biasa, mikroskop matriks refleksi memiliki beberapa kelemahan. Karena sejumlah besar gambar interferometri harus diukur untuk semua bidang cahaya input yang tersedia, pemantauan seluruh matriks refleksi memakan waktu dan rentan terhadap gangguan eksternal.

Sementara pengambilan sampel yang jarang dapat mempercepat proses, pengambilan sampel yang tidak memadai dapat membatasi kemampuan untuk memperbaiki distorsi. Akibatnya, pencitraan volumetrik sebenarnya dari sampel hidup tidak dapat dicapai, yang menempatkan batasan praktis dalam implementasinya untuk studi in vivo.

Grup IBS yang sama baru-baru ini meluncurkan versi baru dan lebih baik dari teknologi mikroskop AO sebelumnya dalam sebuah penelitian yang diterbitkan dalam jurnal Cahaya: sains dan aplikasi. Metode pencitraan volumetrik AO real-time yang revolusioner ini memungkinkan pencitraan 3D dari sampel yang sangat miring pada rentang kedalaman yang besar sambil meminimalkan degradasi gambar.

Tim Choi menggunakan penginderaan terkompresi dalam kerangka pencitraan matriks untuk mempercepat pengumpulan data. Untuk secara progresif mendeteksi pola bintik yang tidak diketahui pada sampel, para peneliti hanya menambahkan diffuser optik yang berputar ke mikroskop array refleksi yang sudah menyebar.

Selain itu, mereka menciptakan matriks refleksi terkompresi dengan memperoleh gambar spot yang jauh lebih sedikit daripada yang diperlukan sebelumnya, yang mengurangi waktu akuisisi matriks hampir 100 kali lipat.

Para peneliti menggunakan apa yang disebut “matriks refleksi waktu” terkompresi dan teknik baru untuk secara individual mendeteksi informasi sampel dan distorsi dalam pemrosesan gambar berikutnya. Teknologi ini tidak hanya mampu secara signifikan mengurangi waktu akuisisi matriks tetapi juga menghilangkan kebutuhan kalibrasi yang akurat dan penentuan pola iluminasi.

Pencitraan volumetrik AO dapat dilakukan dalam waktu yang hampir seketika menggunakan larik inversi waktu terkompresi. Kemampuan mikroskop baru di otak tikus telah ditunjukkan oleh pencitraan 3D bebas aberasi dari serabut saraf bermielin. Untuk pencitraan volumetrik 128 x 128 x 125 m³ jaringan, waktu akuisisi data hanya 3,58 detik, dengan resolusi aksial 2 m dan resolusi lateral terbatas difraksi 0,45 m.

Diharapkan untuk membuka jalan bagi aplikasi pencitraan susunan realistis di semua bidang rekayasa gelombang, terutama pencitraan biomedis.

Diharapkan bahwa teknologi pencitraan matriks refleksi yang lebih cepat akan memungkinkan diagnostik optik 3D non-destruktif real-time di masa depan, yang akan mengarah pada diagnosis dan pengembangan yang lebih cepat dalam penelitian ilmu saraf. Kami akan mengembangkannya untuk memperluas penerapannya di semua disiplin ilmu teknik gelombang, termasuk pencitraan biomedis.

Wenchek Choi, Associate Director dan Profesor, Pusat Spektroskopi dan Dinamika Molekuler, Institut Ilmu Dasar

Referensi jurnal:

Lee, H dan lain-lain. (2022) Pencitraan optik adaptif volumetrik throughput tinggi menggunakan larik terkompresi pembalikan waktu. Cahaya: Sains dan Aplikasi. doi.org/10.1038/s41377-021-00705-4.

sumber: https://www.ibs.re.kr/eng.do