Lensfree על שבב טומוגרפית מיקרוסקופית העסקת רב זווית תאורה פיקסל סופר רזולוציה

המטרה הכללית של הליך זה היא להשיג דימות תלת-ממדי של דגימה ביולוגית על גבי שבב ללא עדשות בנפח דימות גדול. הדבר מושג תחילה על ידי הנחת הדגימה ישירות על שבב החששן ואספקת תאורה קוהורנטית חלקית. השלב השני הוא הזזה צידית של מקור האור לעמדות שונות לצורך הקלטה.

תמונות הולוגרפיות של הדגימה עם הזחה של תת-פיקסלים. ההזחה הבאה של תת-פיקסלים. תמונות הולוגרפיות מוקלטות בכפולות של ההארה לצורך דימוי טומוגרפי.

השלב הסופי הוא עיבוד נתונים, שבו מערכת הנתונים שנרכשה משוחזרת באופן דיגיטלי כדי להשיג בסופו של דבר תמונות טומוגרפיות תלת-ממדיות של הדגימה. היתרון המרכזי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות, כגון מיקרוסקופיה אופטית קונבנציונלית, הוא שהיא מספקת דימוי בעדשה גבוהה במבנה קומפקטי. דבר זה הופך את הפלטפורמה שלנו לשימושית במיוחד לשילוב עם פלטפורמות של שבבי לבנון.

בדו"ח זה, מתואר מבנה הדימוג הבסיסי להטמעה שולחנית עבור טומוגרפיה של דגימות סטטיות. מונוכרומטור עם נורת xenon כוון כדי לספק פלט בעל רוחב ספקטרלי של כ-1 עד 10 ננומטר סביב אורך גל מרכזי של 450 עד 650 ננומטר. פלט חלקי-קוהרנטי זה מוצמד לאחר מכן לסיב אופטי רב-סיבי (multi-mode) כדי להוביל אור חלקי-קוהרנטי למערכת.

הסיב האופטי מורכב על במה מסובבת ממוטרת כדי לשנות את זווית ההארה. הבמה הממוטרת, אליה מחובר מקור האור, מורכבת על במה ליניארית דו-ממדית מסוג XY, המשמשת להשגת הסטות במישור של מקור האור בזווית נתונה לצורך גילוי. נעשה שימוש במערך חיישני A-C-M-O-S בעל חמישה מגה-פיקסלים ובגודל פיקסל של 2.2 microns.

הגלאי משמש להקלטה של תמונות הולוגרפיות בעלות שדה ראייה רחב של הדגימות. קריטי שמרחב החיישנים ימוקם באותו מישור אקסיאלי כמו ציר הסיבוב של מקור האור, כדי להבטיח שנוכל לבדוק אם החיישן מקבל מספיק אור בזוויות תאורה גדולות. בעוד שטומוגרפיה אופטית ללא עדשה יכולה לדמות מגוון של עצמים, כגון תאים ומיקרואורגניזמים, העקרונות הבסיסיים מוצגים כאן באמצעות ביצוע מיקרוסקופיה תלת-ממדית של דגימת sea elgan באמצעות סקלפל או שפכטל.

קחו חתיכה קטנה של AGA מהפטריה המכילה את תרבית איברי האיטום. חתיכה קובייתית של מספר מילימטרים בכל ממד תכיל מאות נמטודות. הניחו את נתח האגר הקטן במבחנה מפוליפרופילן המכילה 1 mL של מים דאיוניים.

ערבבו בעדינות במיקסר (vortex) למשך 30 שניות עד דקה אחת. לאחר 10 עד 15 דקות, התולעת אמורה לזחול מהאגר אל תוך המים הדה-יוניים. שימו לב שהתולעים קטנות מכדי להיראות כאן, זאת על מנת לנטרל זמנית את תנועת התולעים ומיליליטר אחד של 5 עד 10 millimolar Lima.

הוסיפו תמיסה והמתינו 10 דקות. שאיבו בעזרת פיפטה 5 עד 10 µL של דגימה מתחתית המבחנה והניחו אותה בין שתי זכוכיות כיסוי. ניתן להניח דגימה זו, המכילה מספר רב של תולעים המקובעות באופן זמני, על הגלאי כדי להתחיל ברכישת הנתונים.

לצורכי הדגמה, שלבי רכישת התמונה עבור ניסוי טיפוסי של טומוגרפיה אופטית ללא עדשה (LOT) מסוכמים בסעיף זה, עם זאת, התהליך כולו הותאם לאוטומציה באמצעות ממשק LabVIEW שפותח באופן מותאם. כדי להתחיל בשלבים הידניים, כוון את הזווית הראשונית של במת הסיבוב למינוס 50 מעלות, כאשר אפס מעלות תואם למנח האנכי של מקור האור. כוון את המיקום הראשוני של במת ה-XY לאפס אפס, שהוא מיקום הבית.

כוון את זמן החשיפה של הגלאי כדי לנצל באופן מיטבי את הטווח הדינמי שלו, כך שהתמונה תהיה בהירה ככל האפשר ללא פיקסלים רוויים, ומבלי לשנות את זווית במה השחזור. צלם תשע תמונות עבור כל תמונה. העבר את במי XY למיקום חדש ברשת ריבועית של שלוש על שלוש, כך שכל תמונה תזוז בערך ברבע פיקסל בהשוואה לקודמתה.

רכישת תמונות נוספות בכל זווית עשויה לשפר את הרזולוציה, בהתאם לסוג האובייקט וליחס אות לרעש. לאחר איסוף תשע תמונות בזווית הראשונית, החזירו את מיקום במת ה-XY למצב אפס-אפס. לאחר מכן, הגדילו את זווית במת הסיבוב במרווחים של שתי מעלות עד להגעה ל-50 מעלות חיוביות.

לאחר כל קידום בכל זווית חדשה, חזור על השלבים המתוארים. הקידומים הזוויתיים יכולים להיות דקים או גסים יותר, בהתאם לאופטימיזציה של זמן הרכישה מול רזולוציית ההדמיה. לאחר רכישת הנתונים, נרכשת קבוצה של 459 תמונות, הכוללות תשע תמונות מוסטות בתת-פיקסלים עבור כל אחת מ-51 זוויות ההארה השונות.

כל סט של תשע תמונות מעובד באופן דיגיטלי באמצעות אלגוריתמים של רזולוציית פיקסלים על (pixel super resolution) כדי להפיק הקרנה אחת ברזולוציה גבוהה. תוצאות הרזולוציה העלית של פיקסלים עבור כל זווית הולוגרמה משוחזרות לאחר מכן באופן דיגיטלי כדי להפיק 51 תמונות הקרנה. עיבוד הנתונים מוצג כאן באמצעות מחשב נייד.

השחזור ייקח פחות משנייה אחת לשדה ראייה מלא באמצעות יחידות עיבוד גרפיות. קבוצה זו של 51 תמונות השחלה מועברת לאחר מכן להסגה (back projection) באמצעות תוסף Tom OJA. עבור Image J, תמונות ההשחלה נטענות תחילה ל-Image J, ולאחר מכן מופעל תוסף Tom OJ.

טבלת חיפוש המספקת את זווית הצפייה עבור כל תמונת היטל נטענת ל-OJ. באמצעות שיטת ההסגה המשוקללת (weighted back projection), ניתן להפיק תמונות טומוגרפיות תלת-ממדיות של הדגימה. שדה הראייה הרחב של טומוגרפיה אופטית ללא עדשות מוצג כאן כאשר הדגימה מונחת ישירות על גבי מערך הגלאים. ניתן להקליט תמונות הולוגרפיות של האובייקטים על פני שדה ראייה של 24 millimeter square, אותו ניתן להגדיל עוד יותר באמצעות מערכי גלאים חדשים בעלי שטחים פעילים גדולים יותר.

אף שגודל הפיקסל של מערך הגלאים מגביל את הרזולוציה של התמונות ההולוגרפיות המוקלטות, טכניקות של רזולוציית-על של פיקסלים (pixel super resolution) מקלות על בעיה זו; מוצגות כאן הולוגרמות ברזולוציית-על של פיקסלים, יחד עם תמונות ההקרנה המשוחזרות המציעות רזולוציה מרחבית סוב-מיקרומטרית עבור שלוש זוויות תאורה שונות. ניתן לשלב את תמונות ההקרנה באמצעות טכניקות לשחזור תמונות טומוגרפי כדי לחשב טומוגרמות של הדגימה. מוצגות כאן שלוש תמונות חתך במישור XY דרך החלק הקדמי של התולעת, כאשר צינור הלוע נראה רק בחתך שבו Z שווה ל-8 microns, כצפוי ממבנה גלילי זה בעל קוטר חיצוני של כ-5 micron.

יתרה מכך, תמונת החתך במישור XZ מראה בבירור את גבולות התולעת ואת צינור הלוע שבתוכה, דבר המעיד על הצלחה בדימות תלת-ממדי של הלוע. עם פיתוחה, טכניקה זו עשויה לסלול את הדרך עבור חוקרים לבצע מיקרוסקופיה תלת-ממדית על צינורות עם נפח דימות של עשרות מילימטרים. לפיכך, טומוגרפיה אופטית ללא עדשות יכולה להוות כלי שימושי ליישומי דימות בתפוקה גבוהה בפלטפורמות של Lab-on-a-chip.