JP2016507078A - 被写界深度3dイメージングslm顕微鏡 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2013年1月25日出願の米国特許出願第61/756,803号明細書及び2013年3月15日出願の米国特許出願第61/798,747号明細書に基づくものであり、それらの優先権を主張する。これらの出願の開示全体が、参照により本明細書に援用される。
例えば本開示の例示的実施形態によるSLM顕微鏡法を用いるデバイス、システム、及び方法は、例えば、(a)関心領域のみの特定的な照射による大量の光損傷の低減、(b)視野内の複数箇所の正確な同時ターゲティング、及び(c)受動的イメージングモダリティ又は能動的光刺激モダリティで使用される3次元ターゲティングパターン作成の柔軟性といった、従来の顕微鏡システムの特定の制限に対する対処及び/又は克服が可能である。加えて、SLM顕微鏡法の使用は、一光子及び二光子照射源の両方に適応できる(例えば、参考文献13、14及び15を参照)−後者は、散乱媒質における侵入深さを増加させる及び軸分解能を向上させるために必要である。(例えば、参考文献16を参照)。
イメージングモダリティの例示的使用は、観察されている試料が平面であることと(例えば、参考文献13及び14を参照)、従って、連続してボリュームを走査する機械的動作を用いなければ、3次元顕微鏡法に適応することができないかもしれないこととを同時に示し得る。(例えば、参考文献6、7及び8を参照)。従来、この平面イメージング状態は、限定されたDOFを有すると見なされ得る。
SLM及び拡張DOF統合顕微鏡構成を以下に説明する。
本開示の例示的実施形態による光学システムは、例えば、(a)照射/ターゲティング経路及び(b)イメージング経路といった、分離した構成要素/部分として提供され得る。ある例示的実施形態では、構成要素/部分の両方が共通の顕微鏡対物レンズを共有し得るが、この構成は必須ではない。この例示的幾何学的配置は、従来の顕微鏡に対して追加ユニットを含めるだけでよく、かつ生物学的インビボ及びインビトロ生物学的イメージング制約を満たせるので、有利となり得る。図3Aは、本開示のある例示的実施形態による、3Dターゲティング及びモニタリングのためのSLM及び拡張DOFイメージング統合顕微鏡構成の上記例示的構造の模式図を示す。
LS1−光源
PC1−ポッケルセル
L1及びL2−望遠鏡を形成するシングレットレンズ
M1及びM2−誘電体コーティングEO3ミラー
HWP−半波長板リターダ
P1−ペリスコープミラーセット
L3及びL4−望遠鏡を形成するシングレットレンズ
SLM−L4の後方のf4に位置する空間光変調器
L5及びL6−縮小望遠鏡を形成するシングレットレンズ
DCB−非変調SLM信号用のDC信号ビームブロック
GM1−ガルバノ走査ミラー
L7−走査レンズ
DCM−約700nmを超えるλを反射可能なダイクロイックミラー
L8−チューブレンズ
OBJ−水浸顕微鏡対物レンズ(10倍/0.3NA)
L9及びL10−中間像の1:1リレーを形成するアクロマティック複レンズ
PM−立方相マスク
CF1−色フィルタ
NDF−ショートパスフィルタ
DET−EM−CCD検出器
本開示のある例示的実施形態による、SLM顕微鏡構成用の例示的CP位相マスクの設計は、照射パターンの軸方向範囲に一致する適切な係数αの決定を含み得る。デフォーカスターゲティング範囲を生成するために1つ又は複数のSLMプロシージャが用いられ得るので、実際には、デフォーカス位相がエイリアシングを引き起こすまでは、それは、特定のデバイスにとどまり得る(例えば、参考文献28を参照)。例えば、これらの例示的制約は、エイリアシングが望ましくない信号の一因となる前に、z1=8.5mmの最大デフォーカスを促すことができる。
液晶SLMの色度及び照射経路における光学的ずれの影響を数値化するために、イメージング検出器に対する瞳面/SLMの配向及び軸を推定することが可能である。
透明及び散乱媒質における3次元ターゲティング及びイメージングのケースの例示的結果を以下に提供する。
透明試料における蛍光をモニタリングするための例示的3次元ターゲティング及びイメージング
生物学において頻繁に直面する問題は、深度に伴って散乱が指数関数的に照度を低下させ得る高散乱組織に試料が埋め込まれ得ることである。従来の顕微鏡法システムは、3次元ターゲティング及びイメージングに予期され得る動作範囲の減少に悩まされ得る。3次元ターゲティング及びイメージングの結果は、図6A〜Cに見ることができる。例示的3次元照射パターンは、図6Aに示され、深度の関数としての蛍光の相対強度は、図6Dに示されるバルク蛍光体に3次元パターンをイメージングした結果は、従来の顕微鏡に関しては、図6Bの例示的画像に示され得る、及び拡張DOF顕微鏡に関しては、図6Cの例示的画像に示され得る。図6B及び6Cに示されるように、コントラストは、強められ得る、及び同じ状態のままとなり得る。
本明細書に記載される本開示のある例示的実施形態による例示的3次元イメージング顕微鏡は、例えば、2つの例示的な独立した光学技術の基礎に基づいて作られてもよい。第1に、例えば、試料からの発光が3Dの既知の領域及び検出又はセンシング前の時間に限定され得るように、変調デバイス(例えば空間光変調器)を用いて、照射が空間的及び/又は時間的に構造化され得る。第2に、例えば、照射された領域から発せられた光信号は、試料ボリューム内のソース放射位置とは無関係にほぼ同等の質の画像を生成できる光学的に効率の良いイメージングシステム(例えば、拡張被写界深度)を用いて収集することができる。3次元照射は、試料ボリューム内のどこからでも光信号を効率的に獲得するための解決策を用いることができる。同様に、例示的システム、方法及びコンピュータアクセス可能媒体は、試料ボリューム内の特定の位置に信号を割り当てることができるように、放射ソースの曖昧さを排除するための解決策を用いることができる。これらの相補的技術の統合的実施は、さらにより柔軟な解決策を生み出すことができる。ユーザ制御の照射デバイスによって提供される予備知識は、拡張被写界深度顕微鏡によって獲得される画像に対するコンテクストを推進する際に有益となり得る。ある例示的実証は、構造化した照射ソースとしてSLMを含み得るが、光シート顕微鏡法等のパターンを投影するための他の方法は、例えば、拡張被写界深度顕微鏡との接続によって、この改善に同等に適し得る。
本開示のある例示的実施形態によれば、例えば、3次元ターゲティングパターン及び光信号の3次元画像を生成するために何らかの又は全く機械的動作を用いなくてもよい例示的システム、方法及びコンピュータアクセス可能媒体が提供され得る。この例示的システム、方法、及びコンピュータアクセス可能媒体は、顕微鏡の照射側及びイメージング側の両方に対して、光ビームの横方向位相の独立変調を利用し得る。この例示的システム、方法及びコンピュータアクセス可能媒体は、高速イメージングに適し得る、及び連続する平面パターンで試料を照射する又はイメージングすることに限定されない場合がある。例示的顕微鏡をテストし、透明及び散乱媒質の両方における性能を検証してもよい。これは既存の顕微鏡に対する「ボルトオン」モジュールのみから構成され得るので、例示的システム、方法、及びコンピュータアクセス可能媒体は、インビボイメージングに使用され得る。従って、例示的システム、方法及びコンピュータアクセス可能媒体は、既存の顕微鏡の大幅な再設計を必要としないパッケージにおいて、生物学的研究のための無振動の機器を提供する点で独自のものである。
本開示の例示的実施形態による、試料ボリューム及びイメージング検出器上への位相符号化SLMの投影を較正するための例示的プロシージャを以下に説明する。これらの例示的プロシージャは、光学的ミスアライメントを調整する及び安定した性能を経時的に維持するために重要となり得る。
SLMに対して可変量のデフォーカス位相を適用した後に、移動可能誘電界面からの反射が能動的に合焦され得るプロシージャによって、軸方向距離が較正され得る。例示的光学的構造及び関連の図表が図7に示され、これは、例示的デフォーカス較正方法において、試料/スライド界面からの後方反射がイメージング経路上に合焦され得ることを示し得る。SLM(例えば瞳面)において零デフォーカス位相が適用され得る場合、合焦画像は、焦点面に存在し得る。デフォーカス位相は、SLMにおいてターゲット照射を100μm間隔で平行移動させるように適用され得る。SLM上の各デフォーカス位相に関して、イメージング経路を用いて後方反射が合焦され得るまで、試料ステージが軸方向に平行移動され得る。試料の平行移動は、予想された各z位置に対する実験z位置として記録され得る。理論曲線は、実験的に決定された軸方向位置よりも平均で3.2%大きくなり得る距離を予測する。
第2の例示的較正は、イメージング検出器上のターゲティングパターンの予想位置に対するターゲティングパターンの横方向位置を推定するために行われ得る。これらの逸脱の原因は、カメラに対するSLMの回転、光軸に沿った光学部品のミスアライメント、並びにSLMに対する光ビームの斜め入射角に起因し得る。その意味では、較正ステップは、あらゆる回転、ずれ又はアフィンと見なされ得る他の変換を除去し得る。横方向パターン較正の場合、ターゲットパターンが投影され得る(図8A及び8Bに示されるように)及び理想位置に対する実験測定結果からアフィン変換が計算され得る。横方向パターン較正の場合、例えば図8Aに見られるように、ターゲットパターン805が投影され得る、及び理想位置に対する実験測定結果からアフィン変換が計算され得る。非対称パターンは、図8Bの例示的実験画像におけるアフィン変換の一義的較正を可能にし得る。
この例示的技術に利用される例示的信号復元は、デコンボリューションが元の信号の安定した推定を提供することを含み得る。拡張DOFイメージングシステムが、そのような例示的結果を提供できることを検証するために、特定の例示的代替復元技術が使用され得る。
例えば、図10の1番上のグラフに示された結果は、ウィーナー(Wiener)デコンボリューションフィルタを用いて生成されたものであり、1番下のグラフは、リチャードソン−ルーシー(Richardson−Lucy)デコンボリューションを用いたものである。1番上のグラフの例示的結果は、例えば、最適又は好ましいSNRが蛍光信号変動における復元画像相対変動と一致するように選択され得ることを示す。より低い又はより高いSNRの推測は、より低い又はより高い相対変動の推定を生じさせ得る。図10の1番下のグラフに示された例示的結果は、より少ない反復が、復元信号の真の変動性のより安定した推定を生じさせ得る。
ファントム試料の例示的散乱特性
以下の参考文献は、参照により全て本明細書に援用される。
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Claims (30)
- 試料の少なくとも一部分の少なくとも1つの画像を生成するためのコンピュータ実行可能命令を保存した非一時的コンピュータアクセス可能媒体であって、コンピュータハードウェア構成が命令を実行すると、前記コンピュータ構成は、
前記試料の前記少なくとも一部分によって以前に変更された後に、光学的アドレス指定構成によって変更された少なくとも1つの電磁放射線に関連する情報を受信することであって、前記試料の前記少なくとも一部分の少なくとも1つが、前記光学的アドレス指定構成を用いて、ユーザ又は前記コンピュータハードウェア構成のコンピュータ実行可能命令の少なくとも一方によって特定的にターゲティングされることと、
前記情報に基づいて前記少なくとも1つの画像を生成することと、
を含むプロシージャを行うように構成される、非一時的コンピュータアクセス可能媒体。 - 前記光学的アドレス指定構成は、波面変更デバイスである、請求項1に記載の非一時的コンピュータアクセス可能媒体。
- 前記光学的アドレス指定構成は、前記少なくとも1つの電磁放射線の位相又は振幅の少なくとも一方を変調するように構築される、請求項1に記載の非一時的コンピュータアクセス可能媒体。
- 前記少なくとも1つの電磁放射線は、少なくとも1つの電磁放射線が回折構成から提供される場合に、確定的な3次元構造を有する、請求項1に記載の非一時的コンピュータアクセス可能媒体。
- 前記構造は、少なくとも部分的に、前記試料の前記少なくとも一部分に基づく、請求項4に記載の非一時的コンピュータアクセス可能媒体。
- イメージングシステムから出射する際に、前記少なくとも1つの電磁放射線は、軸方向に不変である、請求項1に記載の非一時的コンピュータアクセス可能媒体。
- 前記少なくとも1つの電磁放射線は、デフォーカスブラーを排除する、請求項1に記載の非一時的コンピュータアクセス可能媒体。
- 前記少なくとも1つの電磁放射線が前記試料の前記少なくとも一部分内にある場合に、前記少なくとも1つの電磁放射線は、シート形状を有する、請求項1に記載の非一時的コンピュータアクセス可能媒体。
- 前記少なくとも1つの電磁放射線は、非環境光である、請求項1に記載の非一時的コンピュータアクセス可能媒体。
- 前記試料から出射する際に、前記少なくとも1つの電磁放射線は、実質的に無損失である、請求項1に記載の非一時的コンピュータアクセス可能媒体。
- 少なくとも1つの3次元照射パターンを用いて前記情報を生成する空間光変調構成をさらに含む、パラグラフ1に記載の非一時的コンピュータアクセス可能媒体。
- 前記試料に供給されるソース放射線を生成する二光子光源をさらに含み、前記ソース放射線は、前記少なくとも1つの電磁放射線に関連する、請求項1に記載の非一時的コンピュータアクセス可能媒体。
- ソース放射線で前記試料を照射することによって、前記少なくとも1つの電磁放射線を生成するソース構成をさらに含む、請求項1に記載の非一時的コンピュータアクセス可能媒体。
- 前記ソース構成は、非線形励起放射線を用いて前記試料を照射する、請求項13に記載の非一時的コンピュータアクセス可能媒体。
- 前記照射は、動的である、パラグラフ13に記載の非一時的コンピュータアクセス可能媒体。
- 前記照射は、時間的に制御される、請求項13に記載の非一時的コンピュータアクセス可能媒体。
- 前記照射は、空間的に制御される、請求項13に記載の非一時的コンピュータアクセス可能媒体。
- 前記ソース構成は、前記試料の演繹的知識に基づいて前記試料を照射する、請求項13に記載の非一時的コンピュータアクセス可能媒体。
- 前記演繹的知識は、(i)前記照射のための前記試料の特定のスポット、又は(b)前記照射のための前記試料上の幾つかのスポットの少なくとも一方を含む、請求項18に記載の非一時的コンピュータアクセス可能媒体。
- 前記演繹的知識は、前記試料の以前の照射に基づく、請求項18に記載の非一時的コンピュータアクセス可能媒体。
- 前記光学的アドレス指定構成は、回折構成を含む、請求項1に記載の非一時的コンピュータアクセス可能媒体。
- 試料の少なくとも一部分の少なくとも1つの画像を生成するためのシステムであって、
コンピュータハードウェア構成を含み、前記コンピュータハードウェア構成は、
a.前記試料の前記少なくとも一部分によって以前に変更された後に、動的に構成可能な回折構成によって変更された少なくとも1つの電磁放射線に関連する情報を受信し、前記試料の前記少なくとも一部分の少なくとも1つが、前記回折構成を用いて、ユーザ又は前記コンピュータハードウェア構成のコンピュータ命令の少なくとも一方によって特定的にターゲティングされる、及び
b.前記情報に基づいて前記少なくとも1つの画像を生成する
ように構成された、システム。 - 試料の少なくとも一部分の少なくとも1つの画像を生成するための方法であって、コンピュータハードウェア構成が命令を実行した時に、
前記試料の前記少なくとも一部分によって以前に変更された後に、回折構成によって変更された少なくとも1つの電磁放射線に関連する情報を受信することであって、前記試料の前記少なくとも一部分の少なくとも1つが、前記回折構成を用いて、ユーザ又は前記コンピュータハードウェア構成のコンピュータ命令の少なくとも一方によって特定的にターゲティングされることと、
前記情報に基づいて前記少なくとも1つの画像を生成することと、
を含む、方法。 - 試料の少なくとも一部分の少なくとも1つの画像を生成するためのシステムであって、
少なくとも1つの電磁放射線を供給するように構成されたソース構成と、
ソースから少なくとも1つの電磁放射線を受け、前記試料上に照射パターンを生成するように構成された空間光変調構成と、
前記照射パターンに基づく前記試料からの戻り放射線を受け、さらなる放射線を供給するように構成された波面変更構成と、
前記波面変更構成から受け取った前記さらなる放射線に基づいて、前記少なくとも1つの画像を生成するように構成されたイメージング構成と、
を含む、システム。 - 前記試料が生物学的なものである、請求項24に記載のシステム。
- 前記波面変更構成は、前記戻り放射線の深度を制御する、請求項24に記載のシステム。
- 前記波面変更構成は、前記システム内で固定され、非可動である、請求項24に記載のシステム。
- 前記波面変更構成は、前記試料のボリュームサイズに関する情報を増やすように構成される、請求項27に記載のシステム。
- 前記イメージング構成による性能が不変である、請求項28に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つの画像をほぼ最適な性能へとデジタル的に後処理するように構成された処理構成をさらに含む、請求項24に記載のシステム。
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