断層位相顕微鏡技術の定量的精度を評価するための 3D 散乱マイクロファントム サンプル

May 30, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 19586 (2022) この記事を引用

1037 アクセス

5 引用

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

この論文では、二光子重合で作製した構造的に複雑な生体模倣散乱構造を紹介し、この物体をコンピュータイメージングシステムのベンチマークに利用します。 ファントムは、自由度、つまり屈折率コントラストと散乱層の寸法を変更することで散乱を調整することができ、組織内の単一細胞を表す 3D イメージング品質テストが組み込まれています。 サンプルは複数の 3D 顕微鏡技術で使用される可能性がありますが、3 つの断層位相顕微鏡 (TPM) 再構成法に対する散乱の影響を実証します。 これらの方法の 1 つはサンプルが弱散乱であると仮定し、他の 2 つは多重散乱を考慮します。 研究は 2 つの波長 (可視光と近赤外線) で実行され、散乱現象の倍率として機能します。 私たちは、波長を可視から近赤外に変えると、TPM 再構成法の適用性に影響を与えることがわかりました。 近赤外領域での散乱が減少した結果、多重散乱指向の技術は、実際には、弱い散乱サンプルを対象とした方法よりもパフォーマンスが悪くなります。 これは、物体と光の相互作用に微妙な変化があった場合でも、サンプルの散乱特性に応じて適切なアプローチを選択する必要があることを意味します。

計算光学における現代の課題の 1 つは、散乱サンプルを高解像度で画像化することです1。 これは、スフェロイドやオルガノイドなどの複雑な生物学的構造が、創薬などにおいて 2D 細胞培養よりも適切なモデルとなる傾向があるという事実に起因すると考えられます 2。 また、ほとんどの生体内イメージング技術では、プローブ光が組織の複雑な構造を通過する必要があるため、多重散乱によりイメージングの深さが大幅に制限されます。 この要求により、新しい方法の開発が促進されています1、3、4、5。しかし、分析試料の散乱強度に基づいて適切な方法を選択することは困難です。 このため、物体の散乱特性に応じて適用限界を決定するには、さまざまなイメージング システムやアルゴリズムを評価するための多用途で再現性のある定量的な方法が不可欠です。 1 つの可能性は、キャリブレーション済みのマイクロファントムをイメージング ターゲットとして使用することです。 残念ながら、既存のマイクロファントムは、多重散乱法が対象とする不均一に散乱する多細胞サンプルの種類と比較して、通常、散乱が弱い (例、屈折率が一致した微小球) か、過度に単純化した (例、屈折率が一致していない微小球) 6,7 のいずれかです。 これは、反復収束がエネルギーランドスの複雑さに依存し、サンプルの 3D 複雑さに直接関連する非凸ソルバーを利用する計算イメージング手法を特徴付ける際の重大な制限です8。

この研究では、多重散乱屈折率 (RI) 分布を持つ 3D プリントされたマイクロファントムを紹介します。 これを行うために、当社はレーザーによる直接書き込みによる 3D プリンティングの最近の開発を活用しています9、10、11、12。 利用可能な複数の 3D プリンティング技術 13、14、15、16、17、18 の中から、既知の形状と校正された RI を持つマイクロファントム サンプルの 3D プリンティングを可能にする 2 光子重合を選択しました。 直接レーザー書き込みの他の実装と比較すると、(1) 比較的高い変調範囲で RI を制御でき、(2) 異なる液浸液を使用して製造後に RI コントラストまたは散乱強度を調整でき、(3) および生体試料と同じ方法でマイクロファントムを測定します。 次に、断層撮影位相顕微鏡 (TPM) の分野におけるファントムの応用を紹介します。この技術は、以前の研究で印象的な生物学的イメージング結果を実証した技術です。 ただし、すべての計算イメージング手法が、提案された手順で評価できることに注意することが重要です。