WikiDer > Yorug'lik maydonini mikroskopi
![]() | Bu maqola mavzu bo'yicha mutaxassisning e'tiboriga muhtoj.2017 yil dekabr) ( |
Bu maqola uchun qo'shimcha iqtiboslar kerak tekshirish. (2017 yil dekabr) (Ushbu shablon xabarini qanday va qachon olib tashlashni bilib oling) |
Engil maydon mikroskopiya (LFM) nazariyasiga asoslangan skanerlashsiz 3 o'lchovli (3D) mikroskopik tasvirlash usuli hisoblanadi yorug'lik maydoni. Ushbu uslub sub-soniya (~ 10 Hz) katta hajmli tasvirlashga imkon beradi ([~ 0,1 dan 1 mm gacha).3) kuchsiz tarqalish va yarim shaffoflik sharoitida ~ 1 mkm fazoviy rezolyutsiya bilan, boshqa usullar bilan hech qachon erishilmagan. Xuddi an'anaviy kabi yorug'lik maydonini ko'rsatish, LFM tasvirlash uchun ikkita qadam mavjud: yorug'lik maydonini olish va qayta ishlash. Ko'pgina sozlamalarda, a mikrolenslar massiv yorug'lik maydonini olish uchun ishlatiladi. Qayta ishlashga kelsak, u yorug'lik tarqalishining ikki xil ko'rinishiga asoslangan bo'lishi mumkin: nurli optik rasm[1] va to'lqin optikasi rasm.[2] Stenford universiteti kompyuter grafikasi laboratoriyasi 2006 yilda birinchi LFM prototipini nashr etdi[1] va o'sha paytdan beri eng chekka qismida ishlaydi.
Yorug'lik maydonini yaratish

Yorug'lik maydoni - bu har qanday nurni to'rtta o'zgaruvchiga parametrlashi mumkin bo'lgan ba'zi bo'sh bo'shliq orqali oqadigan barcha nurlarning yig'indisi.[3] Ko'pgina hollarda, ikkita 2D koordinatalari - sifatida belgilanadi & - parametrlash uchun nurlar kesishgan ikkita parallel tekislikda. Shunga ko'ra, 4D yorug'lik maydonining intensivligini skalyar funktsiya deb ta'riflash mumkin: , qayerda bu ikki samolyot orasidagi masofa.
LFM keng doiradagi lyuminestsentsiya mikroskopining an'anaviy o'rnatilishi va standart asosida qurilishi mumkin CCD kamerasi yoki sCMOS.[1] Yorug'lik maydoni mikrolenslar massivini. Ning oraliq tasvir tekisligiga joylashtirish orqali hosil bo'ladi ob'ektiv (yoki ixtiyoriy o'rni linzalarining orqa fokus tekisligi) va qo'shimcha ravishda kamera sensori mikrolinzalarning orqa fokus tekisligiga joylashtirilgan. Natijada, mikrolenslarning koordinatalari ob'ekt tekisligida bo'lganlar bilan konjuge qiling (agar qo'shimcha rele linzalari qo'shilsa, u holda ob'ektivning oldingi fokus tekisligida) ; har bir mikrolens ortidagi piksel koordinatalari ob'ektiv tekisligida bo'lganlar bilan konjuge qiling . Bir xillik va qulaylik uchun biz samolyotni chaqiramiz ushbu maqoladagi asl fokus tekisligi. Shunga mos ravishda, bu mikrolenslarning fokus masofasi (ya'ni mikrolenslar massivi tekisligi va sensor tekisligi orasidagi masofa).
Bundan tashqari, teshiklar va har bir ob'ektivning fokus masofasi va datchik va mikrolenslar massivining o'lchamlari to'g'ri mikroskoplar orqasida qo'shni pastki rasmlar o'rtasida na bir-birining ustiga chiqadigan va na bo'sh joylar bo'lishini ta'minlash uchun to'g'ri tanlangan bo'lishi kerak.
Nur optikasi rasmidan amalga oshirish
Ushbu bo'lim asosan Levoyning ishi bilan tanishtiradi va boshq., 2006.[1]
Turli burchaklardan perspektiv qarashlar
Yuqorida aytib o'tilganidek, konjuge aloqalar tufayli har qanday piksel ma'lum bir mikrolens orqasida nuqta orqali o'tadigan nurga to'g'ri keladi yo'nalishga qarab . Shuning uchun, pikselni chiqarib olish orqali barcha pastki rasmlardan va ularni birlashtirib, ma'lum bir burchakka nisbatan istiqbolli ko'rinish olinadi: . Ushbu stsenariyda kosmik rezolyutsiya mikrolenslar soniga qarab belgilanadi; burchak o'lchamlari har bir mikrolens ortidagi piksellar soniga qarab belgilanadi.
Sintetik qayta yo'naltirishga asoslangan tomografik qarashlar
1-qadam: raqamli qayta ishlash

Sintetik fokuslash fotosuratni istalgan ixtiyoriy qismga qaratib hisoblash uchun olingan yorug'lik maydonidan foydalanadi. Mikrolenlarning orqasidagi har bir submajdagi barcha piksellarni yig'ish orqali (bir xil holatga tushadigan har xil burchaklardan keladigan barcha nurlanishni yig'ishga teng), tasvir mikrolenslar massivi tekisligi bilan birlashadigan tekislikka aniq yo'naltirilgan:
,
qayerda bu nur va datchik tekisligining normal orasidagi burchak va agar har bir pastki rasmning koordinata tizimining kelib chiqishi mos mikrolenslarning asosiy optik o'qida joylashgan bo'lsa. Endi samarali proektsion omilni yutish uchun yangi funktsiyani aniqlash mumkin yorug'lik maydonining intensivligiga va har bir pikselning haqiqiy nurlanish to'plamini oling: .
Ob'ektivning oldingi fokus tekisligidan tashqari yana bir tekislikka e'tibor qaratish uchun, masalan, konjuge tekisligi bo'lgan tekislik sensor tekisligidan uzoqda, konjuge tekislikni ko'chirish mumkin ga va uning yorug'lik maydonini asl holatiga qaytaring :
.
Shunday qilib, qayta yo'naltirilgan fotosuratni quyidagi formula bilan hisoblash mumkin:
.
Binobarin, ob'ekt makonining tezkor 3D tasvirini qayta tiklash uchun fokusli stek hosil bo'ladi. Bundan tashqari, burilgan yoki hatto kavisli fokusli tekisliklar ham sintetik ravishda mumkin.[5] Bundan tashqari, o'zboshimchalik chuqurligiga yo'naltirilgan har qanday rekonstruksiya qilingan 2D tasvirga 4D yorug'lik maydonining 2D bo'lagiga to'g'ri keladi. Fourier domeni, bu erda algoritmning murakkabligini kamaytirish mumkin ga .[4]
2-qadam: nuqta tarqalishini funktsiyasini o'lchash
Difraktsiya va defokus tufayli fokal stakka ega voksellarning haqiqiy intensivlik taqsimotidan farq qiladi , albatta, kerakli. Buning o'rniga, ning konvulsiyasidir va nuqta tarqalishi funktsiyasi (PSF):
Shunday qilib, PSF ning 3D shakli uning ta'sirini yo'qotish va voksellarning aniq intensivligini olish uchun o'lchanishi kerak. Ushbu o'lchovni lyuminestsent boncukni asl fokus tekisligining markaziga qo'yish va uning yorug'lik maydonini yozib olish orqali osongina amalga oshirish mumkin, bunga asosan PSF ning 3D shakli sintetik ravishda turli xil chuqurlikka e'tibor qaratish orqali aniqlanadi. PSF Fokal stakka o'xshash LFM o'rnatish va raqamli qayta ishlash protsedurasi bilan sotib olinganligini hisobga olsak, ushbu o'lchov ob'ektiv tomonidan olingan nurlarning burchak diapazonini to'g'ri aks ettiradi (shu bilan har qanday tushish intensivligi); shu sababli, bu sintetik PSF aslida shovqin va aberratsiyalardan xoli. PSF shakli biz xohlagan joyda hamma joyda bir xil deb hisoblanishi mumkin ko'rish maydoni (FOV); shuning uchun ko'p o'lchovlardan qochish mumkin.
3-qadam: 3D dekonvolyutsiya
Furye domenida voksellarning haqiqiy intensivligi fokal stakka va PSF bilan juda oddiy aloqaga ega:
,
qayerda ning operatori Furye konvertatsiyasi. Biroq, diafragmaning cheklangan hajmga ega ekanligini hisobga olib, yuqoridagi tenglamani to'g'ridan-to'g'ri hal qilishning iloji bo'lmasligi mumkin, natijada PSF cheklangan (ya'ni uning Fourier konvertatsiyasi nolga teng). Buning o'rniga takroriy algoritm deb nomlangan cheklangan takroriy dekonvolyutsiya kosmik sohada bu erda ancha amaliy:[6]
- ;
- .
Ushbu g'oya cheklangan gradiyent naslga asoslangan: taxmin qilish haqiqiy fokal stek o'rtasidagi farqni hisoblash orqali iterativ ravishda yaxshilanadi va taxmin qilingan fokal stek va tuzatish joriy farq bilan ( manfiy bo'lmaganligi bilan cheklangan).
To'lqinli optik rasmdan amalga oshirish
Ray-optikaga asoslangan bo'lsa-da plenoptik kamera makroskopik dunyoda qulay ish faoliyatini namoyish etdi, diffraktsiya LFMni rekonstruktsiya qilishga chek qo'yadi, ray-optik tilida qolganda. Demak, to'lqin optikasiga o'tish ancha qulayroq bo'lishi mumkin. (Ushbu bo'lim asosan Broxtonning ishi bilan tanishtiradi va boshq., 2013.[2])
Joyni diskretizatsiya qilish
Qiziqarli FOV segmentlangan har biri yorliqli voksellar . Shunday qilib, butun FOV diskret ravishda vektor bilan ifodalanishi mumkin o'lchov bilan . Xuddi shunday, a vektor har bir element joylashgan sensor tekisligini anglatadi bitta sensor pikselini bildiradi. Turli xil voksellar orasida nomuvofiq tarqalish sharoitida yorug'lik maydonini ob'ekt fazosidan sensorga uzatish chiziqli ravishda bog'lanishi mumkin PSF ma'lumotlari kiritilgan o'lchov matritsasi:
Nur-optik stsenariyda nurlarni sintetik fokuslash orqali fokusli stak hosil bo'ladi, so'ngra nurning to'lqin tabiati keltirib chiqaradigan xiralashishni kamaytirish uchun sintezlangan PSF bilan dekonvolyutsiya qo'llaniladi. To'lqinli optik rasmda, aksincha, o'lchov matritsasi - yorug'lik maydonlarining uzatilishini tavsiflash - to'lqinlarning tarqalishi asosida to'g'ridan-to'g'ri hisoblab chiqiladi. PSF shakli o'zgarmas bo'lgan o'tish davri optik mikroskoplaridan farqli o'laroq (masalan, Hovli naqsh) emitentning holatiga nisbatan har bir vokseldagi emitent LFM sensorida o'ziga xos naqsh hosil qiladi. Boshqacha qilib aytganda, har bir ustun aniq. Keyingi bo'limlarda butun o'lchov matritsasini hisoblash batafsil muhokama qilinadi.
Optik impulsli javob
Optik impuls reaktsiyasi bu 2D holatidagi elektr maydonining intensivligi birlik amplitudasining izotrop nuqta manbai ba'zi bir 3D holatiga qo'yilganda sensor tekisligida FOVda. Elektr maydonining tarqalishi bo'yicha uchta qadam mavjud: nuqta manbasidan asl tasvir tekisligiga (ya'ni mikrolenslar massivi tekisligiga) sayohat qilish, mikrolenslar massividan o'tish va datchik tekisligiga tarqalish.
1-qadam: Targ'ibot maqsadni kesib o'tadi
Dumaloq diafragma bilan ob'ektiv uchun mahalliy tasvir tekisligidagi to'lqin jabhasi at emitent tomonidan boshlangan skalyer Debye nazariyasi yordamida hisoblash mumkin:[7]
,
qayerda maqsadning fokus masofasi; uning kattalashishi. to'lqin uzunligi. ning yarim burchagi raqamli diafragma ( bu namunaning sinish ko'rsatkichi). mikroskopning apodizatsiya funktsiyasi ( Abbe-sine tuzatilgan maqsadlar uchun). nolinchi tartib Bessel funktsiyasi birinchi turdagi. va navbati bilan normallashtirilgan lamel va eksenel optik koordinatalar:
,
qayerda to'lqin raqami.
2-qadam: Mikrolenslar massivida diqqatni jamlash
Har bir mikrolensni faza maskasi deb hisoblash mumkin:
,
qayerda bu mikrolinzalarning fokus masofasi va bu mikrolenslar markazidan nuqtaga ishora qiluvchi vektor mikrolenlarda. Buni e'tiborga olish kerak faqat nolga teng emas mikrolensning samarali uzatiladigan qismida joylashgan.
Shunday qilib, umumiy mikrolenslar massivining uzatish funktsiyasi quyidagicha ifodalanishi mumkin 2D taroq funktsiyasi bilan o'ralgan:
,
qayerda bu mikrolitsiyalarning balandligi (masalan, o'lchamlari).
3-qadam: Sensorga yaqin maydonda tarqalish
To'lqin frontining masofa bilan tarqalishi asl tasvir tekisligidan sensor tekisligiga a bilan hisoblash mumkin Frennel difraksiyasi ajralmas:
,
qayerda to'lqin old tomoni mahalliy tasvir tekisligidan darhol o'tib ketadi.
Shu sababli, butun optik impuls reaktsiyasini konvulsiya bilan ifodalash mumkin:
.
O'lchov matritsasini hisoblash
Optik impulsga javoban, har qanday element o'lchov matritsasida quyidagicha hisoblanishi mumkin:
,
qayerda piksel uchun maydon va voksel uchun tovush . Og'irlik filtri PSF vokselning markazida chekkalarga qaraganda ko'proq hissa qo'shishi bilan mos keladi. Lineer superpozitsiya integrali har bir cheksiz kichik hajmdagi floroforlar degan taxminga asoslanadi ularning tezkor, tasodifiy tebranishini hisobga olgan holda, bir-biriga mos kelmaydigan, stoxastik emissiya jarayonini boshdan kechirish.
Teskari masalani echish
O'lchovlarning shovqinli tabiati
Shunga qaramay, cheklangan tarmoqli kengligi tufayli foton shovqinva katta matritsa o'lchovi bilan teskari muammoni to'g'ridan-to'g'ri hal qilish mumkin emas: . Buning o'rniga, diskret yorug'lik maydoni va FOV o'rtasidagi stoxastik munosabatlar ko'proq o'xshaydi:
,
qayerda tasvirlashdan oldin o'lchangan fon lyuminestsentsiyasi; bu Poisson shovqini. Shuning uchun, endi fotoelektronlar birliklarida Possion-taqsimlangan qiymatlari bilan tasodifiy vektorga aylanadi−.
Ehtimollarni maksimal darajada baholash
O'lchangan yorug'lik maydonining ehtimolligini maksimal darajaga ko'tarish g'oyasiga asoslangan ma'lum bir FOV berilgan va fon , Richardson-Lucy iteratsiya sxemasi bu erda samarali 3D dekonvolyatsiya algoritmini taqdim etadi:
.
operator qaerda matritsaning diagonal argumentlari bo'lib qoladi va uning diagonal bo'lmagan elementlarini nolga o'rnatadi.
Ilovalar
Funktsional asabiy ko'rish uchun Light Field mikroskopi
Stenford universitetidagi dastlabki ishdan boshlab Light Field Microscopy dasturini qo'llang kaltsiyni ko'rish lichinkada zebrafish (Danio Rerio),[8] Hozirda bir qator maqolalar Light Field Microscopy-ni funktsional asabiy ko'rish uchun qo'llagan, shu jumladan butun miyadagi neyronlarning dinamik faoliyatini o'lchash. C. elegans,[9] lichinka zebrafishida butun miya tasviri,[9][10] mevali chivinlarning miyasida kaltsiy va kuchlanish faolligini sezgichlarini ko'rish (Drosophila) 200 Hzgacha,[11] va virtual muhitda harakatlanadigan sichqonlarning gipokampusida 1 mm x 1 mm x 0,75 mm hajmdagi tezkor tasvir.[12] Ushbu dastur sohasi hisoblash optikasi va nevrologiya kesishmasida tez rivojlanayotgan sohadir.[13]
Shuningdek qarang
Adabiyotlar
- ^ a b v d Levoy, Mark; Ng, Ren; Adams, Endryu; Altbilgi, Metyu; Horowitz, Mark (2006). Engil maydon mikroskopiyasi. ACM SIGGRAPH 2006 hujjatlari. SIGGRAPH '06. 924-934-betlar. doi:10.1145/1179352.1141976. ISBN 978-1595933645.
- ^ a b Brokston, Maykl; Grosenik, Logan; Yang, Shomuil; Koen, Noy; Andalman, Aaron; Deisseroth, Karl; Levoy, Mark (2013-10-21). "Yorug'lik maydoni mikroskopi uchun to'lqin optikasi nazariyasi va 3 o'lchovli dekonvolyutsiya". Optika Express. 21 (21): 25418–25439. Bibcode:2013OExpr..2125418B. doi:10.1364 / OE.21.025418. ISSN 1094-4087. PMC 3867103. PMID 24150383.
- ^ Levoy, Mark; Hanrahan, Pat (1996). Yorug'lik maydonini ko'rsatish. Kompyuter grafikasi va interfaol usullar bo'yicha 23-yillik konferentsiya materiallari. SIGGRAPH '96. 31-42 betlar. doi:10.1145/237170.237199. ISBN 978-0897917469.
- ^ a b Ng, Ren (2005). "Fourier Slice Photography". ACM SIGGRAPH 2005 hujjatlari. SIGGRAPH '05: 735-744. CiteSeerX 10.1.1.461.4454. doi:10.1145/1186822.1073256.
- ^ Vaish, V .; Garg, G.; Talvala, E .; Antunez, E .; Uilbern, B .; Horovits, M .; Levoy, M. (iyun 2005). Sintetik Diafragma Ko'rish Transformatsiyasining Shear-Warp Faktorizatsiyasi yordamida Fokus. 2005 yil IEEE kompyuterlar jamiyati konferentsiyasi, kompyuterni ko'rish va naqshni tanib olish (CVPR'05) - seminarlar. 3. p. 129. doi:10.1109 / CVPR.2005.537. ISBN 978-0-7695-2372-9.
- ^ Swedlow, Jeyson R. Sedat, Jon V.; Agard, Devid A. (1996). Jansson, Piter A. (tahrir). Tasvirlar va spektrlarning dekonvolyutsiyasi (Ikkinchi Ed.). Orlando, FL, AQSh: Academic Press, Inc., 284–309 betlar. ISBN 978-0123802224.
- ^ Gu, Min (2000). "Kengaytirilgan optik tasvirlash nazariyasi". Kengaytirilgan optik tasvirlash nazariyasi. Bibcode:2000aoit.conf ..... G.
- ^ Grosenik, Logan; Anderson, Todd; Smit, Stiven (2009-06-28). Neyronal ansambllarni in vivo jonli tasvirlash uchun elastik manbalarni tanlash. 2009 yil IEEE Xalqaro biomedikal tasvirlash simpoziumi: Nanodan Ibratga. 1263–1266-betlar. doi:10.1109 / ISBI.2009.5193292. ISBN 978-1-4244-3931-7.
- ^ a b Prevedel, Robert; Yoon, Young-Gyu; Xofmann, Maksimilian; Pak, Nikita; Vetshteyn, Gordon; Kato, Shoul; Shredel, Tina; Raskar, Ramesh; Zimmer, Manuel (2014-05-18). "Yorug'lik maydoni mikroskopi yordamida neyronlarning faolligini bir vaqtning o'zida butun hayvonlarni 3D tasvirlash". Tabiat usullari. 11 (7): 727–730. doi:10.1109 / ISBI.2009.5193292. PMC 4100252. PMID 24836920.
- ^ Kong, Lin; Vang, Zeguan; Chay, yuming; Vang, Vay; Shan, Chunfen; Yang, Venbin; Bai, Lu; Du, Jiulin; Vang, Kay (2017-09-20). "Lichinka zebrafishining erkin harakat qilishida asabiy faoliyatni butun miya bo'ylab tezkor ko'rish (Danio rerio)". eLife. 6. doi:10.7554 / eLife.28158. PMC 5644961. PMID 28930070.
- ^ Oymon, Sofi; Katsuki, Takeo; Grosenik, Logan; Brokston, Maykl; Deisseroth, Karl; Seynovskiy, Terrens; Greenspan, Ralf (2017-09-02). "Drosophila kattalaridagi stimulyatsiya va xulq-atvorga javob berish paytida tez butun miyani tasvirlash". bioRxiv 10.1101/033803. doi:10.1101/033803. Iqtibos jurnali talab qiladi
| jurnal =
(Yordam bering) - ^ Grosenik, Logan; Brokston, Maykl; Kim, Kristina; Liston, Konor; Puul, Ben; Yang, Shomuil; Andalman, Aaron; Sharf, Edvard; Koen, Noy; Yijar, Ofer; Ramakrishnan, Charu; Ganguli, Surya; Suppes, Patrik; Levoy, Mark; Deisseroth, Karl (2017-05-01). "Sutemizuvchilar miyasidagi katta to'qimalar hajmi bo'yicha uyali-faollik dinamikasini aniqlash". bioRxiv 10.1101/132688. doi:10.1101/132688. Iqtibos jurnali talab qiladi
| jurnal =
(Yordam bering) - ^ "Neyroimagingda nurli maydon mikroskopiyasi".