افزایش وضوح ۱۰۰ نانومتری با میکروسکوپهای جدید چینی
یک چارچوب جدید تصویربرداری در حال گسترش مرزهای مشاهده حیات در مقیاسهای بسیار ریز است و میتواند مطالعه ساختارهای سلولی را با وضوحی فراتر از محدودیتهای سنتی میکروسکوپهای نوری ممکن کند.
به گزارش scitechdaily، درک فرآیندهای زیستی در مقیاس سلولی و زیرسلولی به توانایی مشاهده ساختارهای بسیار کوچک با جزئیات بالا وابسته است. در این میان میکروسکوپی فلورسانس با وضوح فوقالعاده (Super‑Resolution Fluorescence Microscopy) به یکی از ابزارهای کلیدی پژوهشهای زیستی مدرن تبدیل شده است، زیرا امکان تصویربرداری فراتر از محدودیتهای اپتیکی معمول را فراهم میکند.
در میان روشهای مختلف این حوزه میکروسکوپی با روشنسازی ساختاریافته یا SIM به دلیل ترکیب سه ویژگی مهم (وضوح بالا، سرعت تصویربرداری زیاد و سمیت نوری پایین) جایگاه ویژهای پیدا کرده است. این ویژگیها SIM را به گزینهای مناسب برای مطالعات طولانیمدت روی سلولهای زنده تبدیل میکند.
با وجود این مزایا بسیاری از سامانههای تصویربرداری با وضوح فوقالعاده در عمل استفاده دشواری دارند. نسخههای پیشرفتهتر بهویژه سامانههای مبتنی بر تداخل در SIM اغلب به چیدمانهای اپتیکی پیچیده همترازی بسیار دقیق و تجهیزات حجیم نیاز دارند. چنین عواملی هزینهها را افزایش میدهد و دسترسی به این فناوریها را برای بسیاری از آزمایشگاهها محدود میکند؛ موضوعی که روند گسترش استفاده از ابزارهای پیشرفته تصویربرداری در پژوهشهای روزمره را کند کرده است.
ارائه رویکردی جدید با سامانه PCA‑iSIM
در همین راستا تیمی از آزمایشگاه تصویربرداری محاسباتی هوشمند (SCILab) در دانشگاه علم و فناوری نانجینگ به سرپرستی چائو زوو روش تصویربرداری جدیدی با نام PCA‑iSIM توسعه دادهاند. این سامانه امکان تصویربرداری با وضوح بالا و بهصورت بلادرنگ را در قالب طراحیای فشردهتر و مقرونبهصرفهتر فراهم میکند و برخی از محدودیتهای روشهای متداول SIM را برطرف میسازد.
در روش SIM از الگوهای نوری ساختاریافته برای انتقال جزئیات بسیار ریز نمونه به محدودهای استفاده میشود که میکروسکوپ قادر به آشکارسازی آن باشد. در سالهای اخیر سامانههای SIM ناهمدوس مبتنی بر دستگاه میکرومیرور دیجیتال (DMD) به دلیل اندازه کوچکتر و طراحی سادهتر مورد توجه قرار گرفتهاند. با این حال این سیستمها با چالشی اساسی مواجه هستند.
هنگامی که از الگوهای با فرکانس بالا استفاده میشود، به دلیل ویژگیهای تابع انتقال اپتیکی (OTF) کنتراست نوارهای نوری بهشدت کاهش مییابد. این کاهش کنتراست تشخیص الگوها را دشوار کرده و فرایند تخمین پارامترهای روشنسازی و تولید تصاویر دقیق با وضوح فوقالعاده را پیچیده میکند.
غلبه بر محدودیتهای بنیادی
برای حل این مشکل پژوهشگران راهبردی محاسباتی طراحی کردند که نقشهبرداری ضرایب مدولاسیون بالا را با تحلیل مؤلفههای اصلی (PCA) ترکیب میکند. در این روش بهجای تکیه بر سیگنالهای ضعیف با فرکانس بالا، الگوهای فرکانس پایین که بهراحتی قابل تشخیص هستند با همتایان فرکانس بالای خود مرتبط میشوند. این کار به سامانه اجازه میدهد حتی در شرایطی که کنتراست بسیار پایین است بردارهای موج روشنسازی را با دقت برآورد کند. در مرحله بعد از PCA برای استخراج قویترین سیگنالها از دادههای پرنویز استفاده میشود.
زوو در توضیح این روش میگوید: با بهرهگیری از توانایی PCA در کاهش ابعاد دادهها و حذف نویز میتوانیم اطلاعات مربوط به روشنسازی که در دادهها پنهان شدهاند را جدا کرده و پارامترهای روشنسازی در مقیاس زیرپیکسلی را با دقت بازیابی کنیم.
این فرایند دقت و پایداری تخمین پارامترها را افزایش میدهد؛ موضوعی که برای تولید تصاویر شفاف با وضوح فوقالعاده ضروری است.
پژوهشگران سامانه PCA‑iSIM را با استفاده از یک سیستم SIM ناهمدوس مبتنی بر DMD که بهصورت سفارشی ساخته شده بود آزمایش کردند. نتایج نشان میدهد این روش میتواند وضوح تصویربرداری را بیش از ۱٫۹ برابر بهبود دهد و به وضوح موثر حدود ۱۰۰ نانومتر (۰٫۰۰۰۱ میلیمتر) برسد در حالی که سرعت تصویربرداری بلادرنگ تا ۳۰ فریم در ثانیه حفظ میشود.
این دستاوردها با طراحی اپتیکی بسیار سادهتری حاصل شدهاند. در مقایسه با سامانههای سنتی SIM مبتنی بر لیزر طراحی جدید پیچیدگی کلی سیستم را حدود ۷۰ درصد کاهش میدهد و ساخت و استفاده از آن را سادهتر میکند.
علاوه بر افزایش وضوح این روش در شرایط نسبت سیگنال به نویز پایین و در محیطهای آزمایشی متغیر نیز عملکرد پایداری نشان میدهد. پژوهشگران همچنین توانستند فعالیت میتوکندریها در سلولهای زنده را بهصورت بلادرنگ تصویربرداری کنند و جزئیات ساختاریای را ثبت کنند که در میکروسکوپهای میدان گسترده معمولی قابل مشاهده نیستند.
به گفته نویسندگان این پژوهش این کار عملا سقف عملکرد میکروسکوپی روشنسازی ساختاریافته ناهمدوس را گسترش میدهد. ترکیب سختافزار فشرده با بازسازی محاسباتی پیشرفته در سامانه PCA‑iSIM فرصتهای جدیدی برای تصویربرداری با وضوح فوقالعاده و در عین حال در دسترستر فراهم میکند.
انتهای پیام/
