Les chercheurs ont préparé des images de microscopie à deux photons d'un grain de pollen en utilisant (a) le balayage ponctuel traditionnel et (b) la nouvelle approche d'imagerie compressive. Le temps d'imagerie par balayage ponctuel était de 2,2 secondes tandis que le temps d'imagerie compressive n'a nécessité que 0,55 seconde. Crédit :L'Université chinoise de Hong Kong
En combinant un algorithme de détection compressive avec un microscope holographique numérique, Prof. Shih-Chi Chen du Département de génie mécanique et d'automatisation, Ecole d'ingénieurs, L'Université chinoise de Hong Kong (CUHK) et son équipe de recherche ont développé une méthode d'imagerie à grande vitesse. La nouvelle approche est capable de produire des images de microscopie à deux photons d'un échantillon 3-D en une seconde, qui est à une vitesse trois à cinq fois supérieure à celle de la méthode conventionnelle de balayage ponctuel.
Le résultat de la recherche a été publié dans la revue Lettres d'optique .
Les activités des neurones sont généralement réalisées sur une échelle de temps de 10 millisecondes, ce qui rend difficile pour les microscopes conventionnels d'observer ces phénomènes directement. Cette nouvelle microscopie à deux photons à détection compressive peut être appliquée à l'imagerie 3D de la distribution nerveuse des êtres vivants ou à la surveillance simultanée des activités de centaines de neurones.
Nouvelle méthode de balayage laser multifocus pour dépasser la limite de vitesse de balayage du microscope à deux photons
La microscopie à deux photons fonctionne en délivrant des impulsions ultrarapides de lumière laser infrarouge à l'échantillon, où il interagit avec des étiquettes fluorescentes pour créer une image. Il est largement utilisé pour les recherches biologiques en raison de sa capacité à produire des images 3D haute résolution jusqu'à une profondeur d'un millimètre dans un tissu vivant. Ces avantages, cependant, viennent avec une vitesse d'imagerie limitée de la microscopie à deux photons en raison du faible signal fluorescent.
Pour accélérer la numérisation, l'équipe de recherche a mis au point une méthode d'illumination laser multifocale qui utilise un dispositif numérique à micromiroir (DMD). La recherche résout le problème du DMD conventionnel étant inutilisable pour fonctionner avec un laser ultrarapide, leur permettant d'être intégrés et utilisés dans la mise en forme de faisceaux, mise en forme des impulsions, et l'imagerie à deux photons.
Les chercheurs ont développé un système qui augmente la vitesse d'imagerie de la microscopie à deux photons jusqu'à trois à cinq fois sans compromettre la résolution. Sur la gauche se trouve un modèle CAO du compact, construit sur mesure, système de microscopie à deux photons. Les optiques à espace libre à l'intérieur sont illustrées à droite. Crédit :L'Université chinoise de Hong Kong
Le DMD génère 30 points de lumière laser focalisée sur des emplacements choisis au hasard dans un échantillon. La position et l'intensité de chaque point lumineux sont contrôlées par un hologramme binaire qui est projeté sur l'appareil. Lors de chaque mesure, le DMD reflashe l'hologramme pour changer la position de chaque foyer et enregistre l'intensité de la fluorescence à deux photons avec un détecteur à un seul pixel. Même si, De plusieurs façons, le balayage multi-focus DMD est plus flexible et plus rapide que le balayage mécanique traditionnel, la vitesse est toujours limitée par le taux de rafraîchissement du DMD.
Combinaison de l'algorithme de détection compressive pour améliorer encore la vitesse d'imagerie
Les chercheurs ont encore augmenté la vitesse d'imagerie dans cette recherche en combinant le balayage multifocal avec la détection par compression. Cette approche permet l'acquisition d'images avec moins de mesures. En effet, il effectue la mesure et la compression des images en une seule étape, puis utilise un algorithme pour reconstruire les images à partir des résultats de mesure. Pour la microscopie à deux photons, il peut réduire le nombre de mesures de 70 à 90 pour cent.
Après avoir mené une expérience de simulation pour démontrer les performances et les paramètres de la nouvelle méthode, les chercheurs l'ont testé avec des expériences d'imagerie à deux photons. Ces expériences ont démontré la capacité de la technique à produire des images 3D de haute qualité avec des vitesses d'imagerie élevées à partir de n'importe quel champ de vision. Par exemple, ils ont pu acquérir des images 3D à partir d'un grain de pollen, en seulement 0,55 seconde. Les mêmes images acquises avec le balayage ponctuel traditionnel ont pris 2,2 secondes.
Le professeur Shih-Chi Chen a déclaré :"Cette méthode a permis d'améliorer de trois à cinq fois la vitesse d'imagerie sans sacrifier la résolution. Nous pensons que cette nouvelle approche conduira à de nouvelles découvertes en biologie et en médecine, comme l'optogénétique. L'équipe travaille maintenant à améliorer encore la vitesse de l'algorithme de reconstruction et la qualité de l'image. Nous prévoyons également d'utiliser le DMD avec d'autres techniques d'imagerie avancées, qui permet l'imagerie dans des tissus plus profonds."
