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Nature methods : 生物动力学实时多角度投影成像

发布时间:2022-04-29 16:29:23 浏览量:2841 作者:LY.Young 光学前沿

摘要

定量生物成像需要在空间和时间上都满足Nyquist采样要求。然而,目前基于激光扫描和相机记录的显微镜,不适合从三维的角度观察快速变化的生物活动。因为这些活动变化之快,远超基于激光扫描和相机记录显微镜的三维采集帧率。

正文


Nature methods : 生物动力学实时多角度投影成像


技术背

定量生物成像需要在空间和时间上都满足Nyquist采样要求。然而,目前基于激光扫描和相机记录的显微镜,不适合从三维的角度观察快速变化的生物活动。因为这些活动变化之快,远超基于激光扫描和相机记录显微镜的三维采集帧率。


当前不足:

当前的三维体积信息采集方式,通常是沿z轴序列记录数十至数百个二维焦平面的数据。现有的通过在一次栅格扫描或者一次曝光的时间内同时记录多个二维焦平面的方法,虽然可以提升1个数量级的三维体积信息采集帧率,但是通常以牺牲横向分辨率为代价,并且还需要特殊的装置,成像时也只有沿光轴一个方向的投影。对于稀疏分布的简单生物样品,一个方向投影是足够的。但是对于复杂的生物样品,我们需要从多个方向的视角观测样品获取更多的信息,才能够重建样品的三维体积分布。但是多视角需要旋转样品或者多个采集光路,这种方式在实际应用中不一定有条件实现。


文章创新点:

美国德克萨斯大学的Bo-Jui Chang(第一作者)和Reto Fiolka(通讯作者)提出一套结构简单的扫描模块,这套模块可以嵌入目前的基于相机记录的显微镜(需要具备光学切片成像功能,即不接收焦平面外的荧光信号)。由此组成的新的显微镜成为一个投影成像系统,可以将多个不同的投影视角信息积分记录。具体实现是将不同的切片(对应不同的z轴位置)以不同的视角投影在相机上,所有视角在一个相机帧内记录完。即一个相机帧记录所有Z轴信息。数据量大大减少,成像速度提升百倍以上。通过同时多角度成像的方法还可以实现实时三维成像和粒子定位。


原理解析:

(1)作者所提模块的工作原理类似于计算机视觉领域的错切变形变换(shear-warp transform)。图1a描述在同一个体积空间有多个不同形状的物体,顶部表示体积空间的错切变换,中间表示体积空间的旋转变换,底部表示体积空间投影图。当投影方向一致时,错切变换和旋转变换后的体积空间投影一样(需要做一些简单的缩放操作)。图1b、c、d描述常规的z轴切片扫描获得三维体积信息。图1e、f、g描述加上扫描投影模块后z轴方向的切片以错切的形式记录在单个相机帧上。




DOI:https://doi.org/10.1038/s41592-021-01175-7


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