une, Un faisceau laser collimaté est délivré dans l'installation par un séparateur de faisceau (BS) et sur un miroir à balayage galvanométrique (GSM), qui est imagé dans le plan focal arrière d'un objectif aérien (OBJ1). Le balayage des trames GSM met au point dans une dimension, comme indiqué par la flèche à double tête dans l'espace focal avant encadré d'OBJ1. Un miroir à gradins réfléchit la lumière avec différentes quantités de défocalisation dans l'objectif, qui voyage ensuite à travers les lentilles jusqu'au GSM, où il est dé-scanné par, ce qui supprime le mouvement de balayage latéral et seule la composante axiale reste. Le GSM est ensuite à nouveau imagé sur le plan focal arrière d'un objectif à immersion dans l'eau (OBJ2). OBJ2 forme une image sans aberration du foyer (tel que formé par OBJ1) dans l'espace échantillon. b, Zoom en vue de la région encadrée à partir de a. Le panneau de gauche montre le foyer de la lumière à son foyer nominal. Les flèches noires montrent le retour des rayons marginaux après réflexion. Chaque pas sur le miroir produit un point focal dans le plan de l'échantillon avec une position axiale déplacée. c, Configuration alternative avec un miroir incliné qui permet un balayage axial continu. Ici, l'objectif distant OBJ1 est légèrement décalé par rapport à l'axe optique pour créer une mise au point inclinée qui est incidente perpendiculairement à la surface du miroir. Le balayage latéral de ce foyer entraîne un changement de foyer, comme illustré par les flèches noires Crédit :Tonmoy Chakraborty, Bingying Chen, Stéphane Daetwyler, Bo Jui Chang, Olivier Vanderpoorten, Etai Sapoznik, Clemens Kaminski, Tuomas P.J. Knowles, Kevin M. Dean, et Reto Fiolka
En microscopie optique, l'imagerie volumétrique à grande vitesse est limitée soit par la faible vitesse de balayage axial, soit par les aberrations introduites par le mécanisme de balayage z. Pour surmonter ces limites, des scientifiques de l'UT Southwestern ont introduit une nouvelle conception optique qui transforme un mouvement de balayage latéral en un balayage dans la troisième dimension. Leur microscope a réalisé une focalisation laser à une fréquence de 12 kHz et a permis l'observation de la dynamique rapide à l'intérieur des cellules et du cœur battant des embryons de poisson zèbre.
L'imagerie rapide est d'un grand intérêt en microscopie, vision par ordinateur, et usinage laser. Par exemple, en neurosciences, l'imagerie volumétrique à grande vitesse est essentielle pour surveiller les processus biologiques dynamiques, y compris l'activité de tension membranaire (avec une dynamique sur une échelle de temps de 1 ms ou moins) ou le débit sanguin cérébral. La vitesse à laquelle on peut imager est étroitement liée à la vitesse à laquelle on peut changer la position du foyer du système d'imagerie, en particulier dans la troisième dimension.
Les méthodes traditionnelles de recentrage le font en déplaçant mécaniquement l'objectif du microscope ou l'échantillon, ce qui conduit à la fois à une faible vitesse de balayage dans la troisième dimension car la vitesse des objets physiques en mouvement est limitée par l'inertie. Un moyen potentiel d'atténuer ce problème est la mise au point à distance, qui réalise la refocalisation en changeant le front d'onde du système optique. Cependant, la plupart des technologies existantes font face à un compromis entre résolution et vitesse. En tant que tel, il reste un besoin pour une technologie de scan 3D capable d'atteindre des fréquences multi-kHz tout en évitant les aberrations qui diminueraient sa résolution.
Dans un manuscrit publié en Science de la lumière et applications , une équipe de scientifiques, dirigé par le professeur Reto Fiolka du Département de biologie cellulaire et Lyda Hill Département de bioinformatique, au centre médical UT Southwestern, Dallas, TX, ETATS-UNIS., et ses collègues ont développé une nouvelle conception optique pour surmonter ces défis. Ils ont utilisé des technologies de balayage latéral bien établies et ont transformé le mouvement de balayage latéral en un recentrage dans la troisième dimension pour réaliser une imagerie volumétrique à grande vitesse. Ils ont adopté le concept de mise au point à distance sans aberration, et au lieu de déplacer un miroir distant correspondant dans la troisième dimension, ils ont balayé un point laser latéralement avec un galvanomètre à grande vitesse au-dessus d'un miroir fixe. Si la distance entre le miroir fixe et l'objectif n'est pas constante le long de la direction de balayage, une défocalisation sera introduite si nécessaire pour une refocalisation à distance. Par ailleurs, sur le chemin du retour, la composante de balayage latéral est parfaitement compensée, de telle sorte qu'un mouvement de balayage pur dans la troisième dimension soit obtenu. Ainsi, les chercheurs ont pu exploiter les technologies de balayage latéral à grande vitesse pour déplacer rapidement un foyer laser haute résolution dans la troisième dimension.
une, Nanoparticules multimériques codées génétiquement à l'intérieur de deux cellules MV3, comme imagé par ASLM à un temps d'intégration d'image de 20 ms, et 3,57 volumes par seconde. b, Vue YZ de la région périnucléaire. Les cercles jaunes indiquent les vésicules détectées et les lignes bleues illustrent les traces cumulatives. c, Dessin schématique d'un embryon de poisson zèbre. ré, Moyenne (sur 30 cycles) de section transversale XZ du cœur de poisson zèbre, acquis avec une fréquence d'images de 45 Hz. e, Kymographe du cœur battant, mesuré le long de la ligne indiquée en d. Kymograph utilise des données brutes et aucune moyenne n'a été appliquée. F, Imagerie volumétrique d'un cœur de poisson zèbre à une fréquence volumique de 7,4 Hz, Vue XY avec profondeur codée en couleur. Barre d'échelle, une, 10 microns; b, 1 micron; ré, e 20 microns Crédit :Tonmoy Chakraborty, Bingying Chen, Stéphane Daetwyler, Bo Jui Chang, Olivier Vanderpoorten, Etai Sapoznik, Clemens Kaminski, Tuomas P.J. Knowles, Kevin M. Dean, et Reto Fiolka
Deux implémentations utilisant un miroir à gradins et un miroir plan incliné, ont été adoptés pour réaliser ce concept. Le premier permet des tailles de pas axiaux arbitrairement grandes sur un nombre fini de pas, et ce dernier permet un nombre et une taille arbitraires de pas axiaux et est capable d'effectuer un balayage continu dans la troisième dimension, bien que sur une plage de balayage plus limitée. Avec les deux implémentations, les scientifiques présentent des applications de cette technologie :
"Notre première démonstration pratique sur l'imagerie microscopique a été l'accélération de la microscopie à feuillets de lumière à balayage axial (ASLM), qui a été critiqué pour sa vitesse d'acquisition lente (environ 10 Hz framerate dans les implémentations haute résolution, précédemment). Notre nouvelle technologie de balayage permet une accélération d'un ordre de grandeur tout en conservant le pouvoir de résolution spatiale élevé de cette technologie d'imagerie émergente. Dans une seconde application, nous avons mis en œuvre notre technologie de balayage dans un microscope à balayage matriciel à 2 photons et réalisé une imagerie volumétrique haute résolution avec une vitesse de balayage dans la troisième dimension de 12 kHz. En effet, à cette résolution spatiale, notre approche est 6 fois plus rapide que les technologies de mise au point sans aberration précédemment rapportées. Nous avons ensuite démontré le potentiel de notre technologie pour la microscopie intravitale en imageant le cœur battant d'un embryon de poisson zèbre. Nous pensons que cela ouvre des applications majeures pour l'imagerie intravitale, surtout dans les neurosciences."
« Les technologies d'analyse discrète et continue peuvent trouver de nombreuses applications pour imager différentes couches du cerveau presque simultanément ou pour acquérir rapidement des volumes entiers pour mesurer les schémas de décharge neuronale ou le flux sanguin cérébral. Surtout et contrairement aux technologies précédentes, notre approche est entièrement compatible avec les déflecteurs acousto-optiques et donc théoriquement capable de balayer sur une échelle de temps inférieure à la microseconde (par exemple,> 1 MHz) dans la troisième dimension. Ainsi, en utilisant des motifs de balayage de Lissajous résonnants, nous prévoyons la possibilité d'une imagerie volumétrique à des fréquences de kHz.", prévoient les scientifiques.
