Lensfree الميكروسكوب تصوير الشعاعي الطبقي على رقاقة ويعمل لدى الشركة متعددة زاوية الإضاءة وبكسل سوبر قرار

الهدف العام من هذا الإجراء هو تحقيق تصوير ثلاثي الأبعاد للعينات البيولوجية على شريحة بدون استخدام عدسات عبر حجم تصوير كبير. يتم تحقيق ذلك أولاً عن طريق وضع العينة مباشرة على شريحة المستشعر وتوفير إضاءة متماسكة جزئياً. وتتمثل الخطوة الثانية في إزاحة مصدر الضوء جانبياً في مواضع مختلفة للتسجيل.

صور هولوغرافية للعينة بإزاحة بكسلية فرعية. تليها الإزاحات البكسلية الفرعية التالية. يتم تسجيل الصور الهولوغرافية عند مضاعفات الإضاءة من أجل التصوير المقطعي.

تتمثل الخطوة النهائية في معالجة البيانات، حيث يتم إعادة بناء مجموعة البيانات المكتسبة رقمياً للحصول في النهاية على صور توموجرافية ثلاثية الأبعاد للعينة. وتكمن الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بالطرق الحالية، مثل المجهر الضوئي التقليدي، في توفير تصوير عالي الإنتاجية ضمن بنية مدمجة. وهذا يجعل منصتنا مفيدة بشكل خاص للتكامل مع منصات رقاقات لبنان.

يوصف في هذا التقرير إعداد التصوير الأساسي للتنفيذ المكتبي المخصص للتصوير المقطعي للعينات الساكنة. تم ضبط مفرق أحادي اللون (monochromator) مزود بمصباح زينون لتوفير مخرج بعرض طيفي يتراوح تقريباً بين 1 إلى 10 نانومتر حول طول موجي مركزي يتراوح من 450 إلى 650 نانومتر. يتم بعد ذلك ربط هذا المخرج شبه المترابط بألياف بصرية متعددة الأنماط لإيصال الضوء شبه المترابط إلى النظام.

يتم تركيب الليف الضوئي على منصة تدوير آلية لتغيير زاوية الإضاءة. وتوضع المنصة الآلية المتصلة بمصدر الضوء على منصة خطية ثنائية الأبعاد XY، والتي تُستخدم لتحقيق إزاحات مستوية لمصدر الضوء عند زاوية محددة لغرض الكشف. كما تم استخدام مصفوفة مستشعرات A-C-M-O-S بدقة خمسة ميجابكسل وبحجم بكسل يبلغ 2.2 microns.

يُستخدم الكاشف لتسجيل الصور الهولوغرافية ذات المجال الرؤيوي الواسع للعينات. ومن الضروري وضع مصفوفة المستشعر في نفس المستوى المحوري لمحور دوران مصدر الضوء لضمان التحقق مما إذا كان المستشعر يتلقى ضوءاً كافياً عند زوايا إضاءة كبيرة. وبينما يمكن للتصوير المقطعي البصري الخالي من العدسات تصوير مجموعة متنوعة من الأجسام مثل الخلايا والكائنات الدقيقة، يتم توضيح المبادئ الأساسية هنا من خلال إجراء مجهرية ثلاثية الأبعاد لعينة من خيار البحر باستخدام مشرط أو ملعقة مختبرية.

خذ قطعة صغيرة من AGA من طبق بتري الذي يحتوي على مستنبت أعضاء الإغلاق. ستتضمن قطعة مكعبة يبلغ طول كل ضلع فيها عدة مليمترات مئات الديدان الخيطية. ضع هذه القطعة الصغيرة من الآجار في أنبوب بولي بروبيلين يحتوي على 1 mL من الماء منزوع الأيونات.

قم بالرج اللطيف باستخدام جهاز vortex لمدة تتراوح من 30 ثانية إلى دقيقة واحدة. بعد مرور 10 إلى 15 دقيقة، يجب أن تزحف الدودة خارج الآجار إلى الماء منزوع الأيونات. لاحظ أن الديدان صغيرة جداً بحيث لا يمكن رؤيتها هنا، وذلك من أجل تثبيت الديدان مؤقتاً وباستخدام واحد ملليلتر من 5 إلى 10 millimolar Lima.

أضف المحلول وانتظر لمدة 10 دقائق. اسحب ما بين 5 إلى 10 µL من العينة من قاع القارورة وضعها بين شريحتين غطاءيتين. يمكن وضع هذه العينة، التي تحتوي على عدد كبير من الديدان المثبتة مؤقتًا، على الكاشف لبدء عملية الحصول على البيانات.

لأغراض التوضيح، تم تلخيص خطوات الحصول على الصور لتجربة نموذجية للتصوير المقطعي البصري الخالي من العدسات (LOT) في هذا القسم، ومع ذلك، فقد تمت أتمتة العملية بأكملها باستخدام واجهة LabVIEW التي تم تطويرها خصيصاً. لبدء الخطوات اليدوية، اضبط الزاوية الأولية لمنصة التدوير على 50- درجة، حيث تقابل الدرجة صفر الموضع الرأسي لمصدر الضوء. اضبط الموضع الأولي لمنصة XY على 0 0، وهو موضع الأصل.

اضبط وقت تعريض الكاشف لتحقيق الاستفادة القصوى من نطاقه الديناميكي، بحيث تكون الصورة بأقصى سطوع ممكن دون حدوث تشبع في أي من البكسلات، وذلك دون تغيير زاوية منصة الدوران. التقط تسع صور لكل لقطة. حرك منصة XY إلى موضع جديد في شبكة مربعة مكونة من ثلاثة في ثلاثة، بحيث يتم إزاحة كل صورة بمقدار ربع بكسل تقريباً مقارنة بالصورة السابقة.

قد يؤدي التقاط المزيد من الصور عند كل زاوية إلى تحسين الدقة اعتماداً على نوع الجسم ونسبة الإشارة إلى الضجيج. بعد جمع تسع صور عند الزاوية الأولية، أعد ضبط موضع منصة XY إلى الموضع صفر صفر. ثم قم بزيادة زاوية منصة الدوران بزيادات قدرها درجتان حتى الوصول إلى 50 درجة موجبة.

بعد كل زيادة عند كل زاوية جديدة، كرر الخطوات الموضحة. يمكن أن تكون الزيادات الزاوية أكثر دقة أو أقل دقة اعتماداً على الموازنة بين وقت الحصول على البيانات ودقة التصوير. عقب عملية الحصول على البيانات، يتم الحصول على مجموعة مكونة من 459 صورة، والتي تحتوي على تسع صور مزاحة بكسلياً (subpixels) لكل زاوية من زوايا الإضاءة الـ 51 المختلفة.

تتم معالجة كل مجموعة مكونة من تسع صور رقمياً باستخدام خوارزميات الدقة الفائقة للبكسل (pixel super resolution) للحصول على مسقط واحد عالي الدقة. ثم تُعاد بناء نتائج الدقة الفائقة للبكسل لكل زاوية هولوغرام رقمياً للحصول على 51 صورة مسقطة. وتظهر عملية معالجة البيانات هنا باستخدام جهاز كمبيوتر محمول.

ستستغرق عملية إعادة البناء أقل من ثانية واحدة لمجال الرؤية الكامل باستخدام وحدات معالجة الرسوميات. ثم يتم إجراء الإسقاط الخلفي لهذه المجموعة المكونة من 51 صورة إسقاطية باستخدام إضافة Tom OJA. بالنسبة لبرنامج Image J، يتم أولاً تحميل صور الإسقاط إلى Image J، ومن ثم يتم استدعاء إضافة Tom OJ.

يتم تحميل جدول بحث يوفر زاوية الرؤية لكل صورة إسقاطية إلى OJ. وباستخدام طريقة الإسقاط الخلفي الموزون، يمكن الحصول على صور تصوير مقطعي ثلاثية الأبعاد للعينة. ويتم هنا استعراض مجال الرؤية الواسع للتصوير المقطعي البصري الخالي من العدسات، حيث توضع العينة مباشرة على الجزء العلوي من مصفوفة الكاشف. كما يمكن تسجيل صور هولوغرافية للأجسام عبر مجال رؤية يبلغ 24 millimeter square، وهو ما يمكن زيادته بشكل أكبر باستخدام مصفوفات الكاشفات الناشئة ذات المساحات النشطة الأكبر.

على الرغم من أن حجم البكسل في مصفوفة الكاشف يحد من دقة الصور الهولوغرافية المسجلة، إلا أن تقنيات الدقة الفائقة للبكسل تعمل على التخفيف من هذه المشكلة؛ تظهر هنا صور هولوغرافية ذات دقة بكسل فائقة، إلى جانب صور الإسقاط المعاد بناؤها والتي توفر دقة مكانية أقل من الميكرومتر لثلاث زوايا إضاءة مختلفة. يمكن دمج صور الإسقاط باستخدام تقنيات إعادة بناء الصور المقطعية لحساب المخططات المقطعية (TOMgrams) للعينة. تظهر هنا ثلاث صور مقطعية في المستوى XY عبر الجزء الأمامي من الدودة، حيث يظهر الأنبوب البلعومي فقط في المقطع عند Z equals 8 µm، وهو ما يتوافق مع هذا الهيكل الأسطواني تقريبًا الذي يبلغ قطره الخارجي حوالي 5 µm.

علاوة على ذلك، تُظهر الصورة المقطعية في المستوى XZ بوضوح حدود الدودة والأنبوب البلعومي في الداخل، مما يثبت نجاح التصوير ثلاثي الأبعاد للبلعوم. ومع تطوير هذه التقنية، يمكنها أن تمهد الطريق للباحثين لإجراء مجهرية ثلاثية الأبعاد عبر أنابيب ذات حجم تصوير يصل إلى عشرات المليمترات. وبناءً على ذلك، يمكن أن يكون التصوير المقطعي البصري الخالي من العدسات أداة مفيدة لتطبيقات التصوير عالية الإنتاجية في منصات Lab-on-a-chip.