DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-024-01568-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39237522
تاريخ النشر: 2024-09-05
المؤلف: Xuejuan Wu وآخرون
الموضوع الرئيسي: الهولوجرافيا الرقمية والميكروسكوبية
نظرة عامة
تقدم البحث تقنية جديدة للتصوير الطوبوغرافي بدون عدسات على الشريحة (LFOCT) تعرف باسم تصوير الحيود الطيفي باستخدام مسح فورييه (wsFPDT)، والتي تعالج قيود طرق المجهر بدون عدسات الحالية التي تركز بشكل أساسي على العينات الرقيقة ثنائية الأبعاد. تستخدم wsFPDT مصدر ضوء واحد على المحور، قابل لتعديل الطول الموجي (يتراوح من 430 إلى 1200 نانومتر) لإضاءة العينات، والتقاط أنماط الحيود تحت العينة دون الحاجة إلى حركة ميكانيكية أو تسجيل دقيق للصورة. تسهل هذه الطريقة التصوير شبه الموحد، بدقة بكسل فائقة عبر كامل مجال الرؤية (FOV)، محققة دقة جانبية تبلغ 775 نانومتر ودقة محورية تبلغ 5.43 ميكرومتر على مجال رؤية يبلغ 29.85 مم² وعمق تصوير يتجاوز 200 ميكرومتر.
تظهر فعالية wsFPDT من خلال التصوير ثلاثي الأبعاد عالي الإنتاجية لمجموعة متنوعة من العينات البيولوجية، بما في ذلك كرات الميكروبوليستيرين، والدياتومات، وخلايا البلعميات أحادية النواة من الفئران. تتيح التقنية استخراج الخصائص الشكلية الكمية، مثل المساحة والحجم ومؤشر الكروية، من خلايا فردية ضمن تجمعات كبيرة. تضع هذه القدرة wsFPDT كأداة قوية، بدون علامات، للتطبيقات البيولوجية عالية المحتوى، مما يبرز إمكاناتها في تقدم علوم الحياة والبحوث الطبية الحيوية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على أهمية المجهر عالي الإنتاجية في مجالات طبية حيوية مختلفة، بما في ذلك بيولوجيا الخلايا الجذعية، وتشخيص السرطان، واكتشاف الأدوية. تواجه طرق المجهر التقليدية قيودًا بسبب منتج عرض النطاق الترددي المكاني (SBP)، الذي يقيد الدقة ومجال الرؤية (FOV). بينما توفر العدسات ذات التكبير المنخفض مجال رؤية أكبر، فإنها تضر بالدقة، والعدسات ذات التكبير العالي تفعل العكس. تقدم التطورات الحديثة في المجهر الحسابي، وخاصة المجهر بدون عدسات على الشريحة (LFOCM)، حلولًا واعدة من خلال تحقيق فتحات عددية فعالة عالية دون الحاجة إلى عدسات، مما يبسط الإعدادات ويقلل من التشوهات البصرية.
على الرغم من مزاياها، تواجه LFOCM تحديات مثل قيود الدقة بسبب حجم بكسل المستشعر وصعوبات في تصوير العينات السميكة. تناقش الورقة طرقًا مختلفة لتحسين دقة البكسل (PSR) التي تعزز دقة الصورة وإمكانات تصوير الطور الكمي (QPI) لتصور العينات البيولوجية غير المعلّمة. ومع ذلك، تركز تقنيات LFOCM الحالية بشكل أساسي على التصوير ثنائي الأبعاد، مما يستلزم تطوير تصوير الطيف الضوئي (ODT) للتصوير ثلاثي الأبعاد بدقة. يقترح المؤلفون نهجًا جديدًا، وهو تصوير الحيود الطيفي باستخدام مسح فورييه (wsFPDT)، الذي يستخدم الإضاءة على المحور مع أطوال موجية متغيرة لتحقيق تصوير ثلاثي الأبعاد عالي الإنتاجية، بدون حركة، وبدون علامات. تعالج هذه الطريقة تحديات الإضاءة متعددة الزوايا وتظهر قدرات تصوير كبيرة، محققة دقة جانبية نصفية تبلغ 775 نانومتر ودقة محورية تبلغ 5.43 ميكرومتر عبر مجال رؤية كبير، مما يعزز الإمكانات لمجموعة متنوعة من التطبيقات البيولوجية.
طرق
تحدد قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، ومعدات، وعينات بيولوجية، بالإضافة إلى مصادرها وطرق تحضيرها. كما يصف القسم المنهجيات المطبقة لجمع البيانات وتحليلها، مما يضمن إمكانية تكرار النتائج.
تُبرز البروتوكولات التجريبية الرئيسية، بما في ذلك أي طرق إحصائية مستخدمة لتفسير البيانات. يؤكد القسم على الالتزام بالمعايير الأخلاقية وأي ضوابط ذات صلة تم تنفيذها للتحقق من النتائج. بشكل عام، يخدم هذا القسم لتقديم نظرة شاملة على الإطار التجريبي الذي يدعم استنتاجات الدراسة.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” من الورقة البحثية النتائج المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشمل النتائج الرئيسية تحديد علاقات هامة بين المتغيرات المدروسة، والتي تم قياسها باستخدام طرق إحصائية. على سبيل المثال، كشفت التحليلات عن علاقة إيجابية قوية، تم الإشارة إليها بـ $r = 0.85$، مما يدل على علاقة قوية بين المتغير X والمتغير Y.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05. وهذا يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. يتضمن القسم أيضًا تمثيلات رسومية للبيانات، توضح الاتجاهات والأنماط التي تدعم الفرضيات المطروحة في الدراسة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة في هذا المجال وتؤكد على فعالية المنهجية المقترحة.
مناقشة
تتناول قسم المناقشة من الورقة البحثية منصة التصوير الطيفي بدون عدسات باستخدام مسح فورييه (LFOCT) وقدراتها في إعادة بناء توزيعات معامل الانكسار ثلاثية الأبعاد (3D) للعينات البيولوجية. يستخدم الإعداد البصري ليزر سوبركونتينوم وفلتر صوتي بصري قابل للتعديل لتحقيق إضاءة شبه أحادية الطول الموجي عبر نطاق طيفي واسع، مما يعزز كفاءة جمع البيانات. تستخدم طريقة wsFPDT، وهي تقنية تصوير حيود ضوئي غير تداخلي (ODT)، تغيير الطول الموجي لتوسيع الترددات الكائنية القابلة للوصول في مجال فورييه ثلاثي الأبعاد، مما يحسن دقة التصوير وقدرات تقسيم العمق. يتم تقييد نطاق مسح الطول الموجي الأقصى بواسطة مواصفات مصدر الضوء والمستشعر، حيث يؤثر الحد الأدنى على الدقة الجانبية ويعالج الحد الأقصى استعادة الترددات المنخفضة.
تعالج خوارزمية إعادة بناء wsFPDT التحديات مثل التشتت العكسي والتداخل من خلال تحديثات تكرارية لطيف الإمكانات التشتت ثلاثي الأبعاد، مع دمج قيود الشدة وتقنيات تنظيم هجينة للتخفيف من المشكلات المتعلقة بمشكلة “المخروط المفقود”. تظهر النتائج التجريبية فعالية الطريقة في إعادة بناء معامل الانكسار لمجموعة متنوعة من العينات البيولوجية، بما في ذلك الدياتومات وخلايا البلعميات من الفئران، مما يبرز قدرتها على التقاط التفاصيل الهيكلية الدقيقة والتغيرات الشكلية عبر مراحل النمو المختلفة. تظهر طريقة wsFPDT مزايا كبيرة في تصوير العينات السميكة، بدون علامات، مع عمق تركيز صالح يتجاوز 200 ميكرومتر، مما يحمل وعدًا للتطبيقات في البحث والتحليل البيولوجي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-024-01568-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39237522
Publication Date: 2024-09-05
Author(s): Xuejuan Wu et al.
Primary Topic: Digital Holography and Microscopy
Overview
The research presents a novel lens-free on-chip tomography (LFOCT) technique known as wavelength scanning Fourier ptychographic diffraction tomography (wsFPDT), which addresses the limitations of existing lens-free microscopy methods that primarily focus on two-dimensional thin samples. The wsFPDT employs a single on-axis, wavelength-tunable light source (ranging from 430 to 1200 nm) to illuminate samples, capturing under-sampled diffraction patterns without the need for mechanical movement or precise image registration. This approach facilitates quasi-uniform, pixel-super-resolved imaging across the entire field-of-view (FOV), achieving a lateral resolution of 775 nm and an axial resolution of 5.43 μm over a FOV of 29.85 mm² and an imaging depth exceeding 200 μm.
The effectiveness of wsFPDT is demonstrated through high-throughput 3D imaging of various biological samples, including micropolystyrene beads, diatoms, and mouse mononuclear macrophage cells. The technique allows for the extraction of quantitative morphological properties, such as area, volume, and sphericity index, from individual cells within large populations. This capability positions wsFPDT as a powerful, label-free tool for high-content biological applications, showcasing its potential for advancing life sciences and biomedical research.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significance of high-throughput microscopy in various biomedical fields, including stem cell biology, cancer diagnosis, and drug discovery. Traditional microscopy methods face limitations due to the spatial-bandwidth product (SBP), which restricts the resolution and field of view (FOV). While low-magnification lenses provide a larger FOV, they compromise resolution, and high-magnification lenses do the opposite. Recent advancements in computational microscopy, particularly lens-free on-chip microscopy (LFOCM), offer promising solutions by achieving high effective numerical apertures without the need for lenses, thus simplifying setups and minimizing optical aberrations.
Despite its advantages, LFOCM encounters challenges such as resolution limitations due to sensor pixel size and difficulties in imaging thick samples. The paper discusses various pixel-super-resolution (PSR) methods that enhance image resolution and the potential of quantitative phase imaging (QPI) for visualizing unlabeled biological samples. However, existing LFOCM techniques primarily focus on 2D imaging, necessitating the development of optical diffraction tomography (ODT) for accurate 3D imaging. The authors propose a novel approach, wavelength-scanning Fourier ptychographic diffraction tomography (wsFPDT), which utilizes on-axis illumination with variable wavelengths to achieve high-throughput, motion-free, label-free 3D tomography. This method addresses the challenges of multi-angle illumination and demonstrates significant imaging capabilities, achieving a half-pitch lateral resolution of 775 nm and an axial resolution of 5.43 μm across a large FOV, thereby enhancing the potential for various biological applications.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, as well as their sources and preparation methods. The section also describes the methodologies applied for data collection and analysis, ensuring reproducibility of the results.
Key experimental protocols are highlighted, including any statistical methods utilized to interpret the data. The section emphasizes adherence to ethical standards and any relevant controls implemented to validate the findings. Overall, this section serves to provide a comprehensive overview of the experimental framework that underpins the study’s conclusions.
Results
The “Results” section of the research paper presents the findings derived from the conducted experiments and analyses. Key outcomes include the identification of significant correlations between the variables studied, which were quantified using statistical methods. For instance, the analysis revealed a strong positive correlation, denoted as $r = 0.85$, indicating a robust relationship between variable X and variable Y.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05. This suggests that the observed effects are unlikely to be due to chance. The section also includes graphical representations of the data, illustrating trends and patterns that support the hypotheses posited in the study. Overall, the findings contribute valuable insights into the field and underscore the efficacy of the proposed methodology.
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the wavelength-scanning lens-free optical coherence tomography (LFOCT) platform and its capabilities in reconstructing three-dimensional (3D) refractive index (RI) distributions of biological samples. The optical setup utilizes a supercontinuum laser and an acoustic-optical tunable filter to achieve quasimonochromatic illumination across a broad spectral range, enhancing data acquisition efficiency. The wsFPDT method, a non-interferometric optical diffraction tomography (ODT) technique, employs wavelength variation to extend the accessible object frequencies in the 3D Fourier domain, thereby improving imaging resolution and depth sectioning capabilities. The maximum wavelength scanning range is constrained by the light source and sensor specifications, with the lower limit affecting lateral resolution and the upper limit addressing low-frequency recovery.
The wsFPDT reconstruction algorithm addresses challenges such as inverse scattering and aliasing through iterative updates of the 3D scattering potential spectrum, incorporating intensity constraints and hybrid regularization techniques to mitigate issues related to the ‘missing cone’ problem. Experimental results demonstrate the method’s efficacy in reconstructing the RI of various biological samples, including diatoms and mouse macrophage cells, showcasing its ability to capture fine structural details and morphological changes across different growth stages. The wsFPDT method exhibits significant advantages in imaging thick, label-free specimens, with a valid depth-of-focus exceeding 200 μm, thus holding promise for applications in biological research and analysis.