Образец микрофантома трехмерного рассеяния для оценки количественной точности методов томографической фазовой микроскопии

May 30, 2023

Том 12 научных докладов, номер статьи: 19586 (2022 г.) Цитировать эту статью

1037 Доступов

5 цитат

2 Альтметрика

Подробности о метриках

В этой статье мы представляем структурно сложную биомиметическую рассеивающую структуру, изготовленную с помощью двухфотонной полимеризации, и используем этот объект для тестирования системы вычислительной визуализации. Фантом позволяет адаптировать рассеяние путем изменения его степеней свободы, то есть контраста показателя преломления и размеров рассеивающего слоя, а также включает в себя проверку качества трехмерного изображения, представляя одну клетку в ткани. Хотя образец можно использовать с несколькими методами 3D-микроскопии, мы демонстрируем влияние рассеяния на три метода реконструкции томографической фазовой микроскопии (TPM). Один из этих методов предполагает, что образец является слаборассеивающим, а два других учитывают многократное рассеяние. Исследование проводится на двух длинах волн (видимом и ближнем инфракрасном диапазоне), которые служат масштабным коэффициентом явления рассеяния. Мы обнаружили, что изменение длины волны с видимого на ближний инфракрасный диапазон влияет на применимость методов реконструкции TPM. В результате меньшего рассеяния в ближней инфракрасной области методы, ориентированные на многократное рассеяние, фактически работают хуже, чем метод, предназначенный для слаборассеивающих образцов. Это подразумевает необходимость выбора правильного подхода в зависимости от характеристик рассеяния образца даже в случае незначительных изменений во взаимодействии объекта со светом.

Одной из современных задач вычислительной оптики является получение изображений рассеянных образцов с высоким разрешением1. Это можно объяснить тем фактом, что сложные биологические структуры, такие как сфероиды или органоиды, как правило, являются более подходящими моделями, чем двумерные клеточные культуры, например, для открытия лекарств2. Кроме того, большинство методов визуализации in vivo требуют, чтобы зондирующий свет проходил через сложную структуру ткани, что сильно ограничивает глубину визуализации из-за многократного рассеяния. Эта потребность стимулирует разработку новых методов1,3,4,5, однако трудно выбрать подходящий, исходя из силы рассеяния анализируемого образца. По этой причине необходим универсальный, повторяемый и количественный метод оценки различных систем и алгоритмов визуализации, чтобы определить пределы их применимости в зависимости от рассеивающих свойств объекта. Одна из возможностей — использовать калиброванные микрофантомы в качестве мишеней для визуализации. К сожалению, существующие микрофантомы обычно либо слабо рассеивают (например, микросферы с согласованным индексом), либо слишком упрощены (например, микросферы с несогласованным индексом)6,7 по сравнению с типами гетерогенно рассеивающих многоклеточных образцов, для которых предназначены методы множественного рассеяния. Это критическое ограничение при описании методов компьютерного построения изображений, в которых используются невыпуклые решатели, где итеративная сходимость зависит от сложности энергетического ландшафта и напрямую связана со сложностью 3D образца8.

В этой работе мы представляем напечатанный на 3D-принтере микрофантом с распределением показателя преломления (RI) многократного рассеяния. Для этого мы используем последние разработки в области 3D-печати посредством прямого лазерного письма9,10,11,12. Среди множества доступных методов 3D-печати13,14,15,16,17,18 мы выбрали двухфотонную полимеризацию, которая позволяет 3D-печать образцов микрофантомов с известной геометрией и калиброванным преломлением. По сравнению с другими реализациями прямой лазерной записи, это позволяет (1) управлять RI с относительно высоким диапазоном модуляции, (2) регулировать контраст RI или силу рассеяния после изготовления с использованием другой иммерсионной жидкости и (3) обрабатывать и измеряйте микрофантом так же, как и биологические образцы. Далее мы представляем применение фантома в области томографической фазовой микроскопии (ТФМ), метода, который продемонстрировал впечатляющие результаты биологической визуализации в предыдущих работах. Однако важно отметить, что все методы компьютерного изображения можно оценить с помощью предлагаемой процедуры.