JP7053845B2 - プログラマブル・アレイ顕微鏡を用いた光学共焦点結像のための方法および装置 - Google Patents
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Description
本発明の目的は、通常の技術の欠点を解消することができる、共焦点光学結像のための改善された方法および/または装置を実現することである。特に、本発明の目的は、増大された空間分解能、低減されたシステムの複雑性、および/または高度な蛍光測定技術の新しいPAM適用例を有する共焦点光学結像を実現することである。
上述の目的は、各独立請求項の中の1つの請求項の諸特徴を含む、光学共焦点結像法および/または時空間光変調結像系(プログラマブル・アレイ顕微鏡、PAM)によって達成(解決)される。本発明の好ましい実施形態および適用例は、従属請求項に記載される。
本発明の好ましい実施形態の以下の説明は、全てが光断層化(optical sectioning:光切断)を保持する3つのPAM動作モードに基づいて、分解能(resolution:解像度)の向上と速度の間の得失を評価しつつ、個々の画像捕捉に関する本発明による方策の実現に関する。それらは、結像の横方向の分解能(解像度)を向上させる3つの工程での動作を可能にする捕捉およびデータ処理の方法を組み込んでいる。第1のPAM動作モード(またはRES1モード)は、結果的に200nm以上の横方向分解能(解像度)が得られるような本発明による較正の使用に基づくものである。第2のPAM動作モード(またはRES2モード)は、照射開口の減少(縮小)を可能としかつ結果的に100nm乃至200nmの範囲の横方向分解能(解像度)が得られるような、本発明による、非共役カメラ・チャネルからの共役画像の抽出の使用に基づくものである。第3のPAM動作モード(またはRES3モード)は、結果的に100nm未満の横方向分解能(解像度)が得られるような高度の蛍光技術に基づくものである。留意すべきこととして、RES1モードでの較正が好ましいが、RES2およびRES3モードの任意機能は、複数の単一変調器要素から共役および非共役信号を“受信する”(受け取る)複数のカメラ・ピクセルの分布を含む他の予め格納された参照データに基づいて代替的に実行できるものである。
較正手順は、以下の考慮に基づいている。PAM100の像面における単一照射開口(仮想的“ピンホール”)は、物体1におけるPAM100の焦点面2における励起点広がり関数(excitation point-spread function)(psf)を規定する。同時に、それは、その背後のカメラへと到達する誘発された放出光の幾何学的な制限を与える(“共焦点”という用語の由来)。焦点面2における軸外の点から発する信号は、PAM光学系および放出波長に対応するpsfと、ピンホール径とに依存する効率で開口23を横切る。焦点面および/または光軸から外れた各位置から生じる焦点外れ信号は、はるかに大きい度合で減衰し、従ってZ軸切断(断層化)が形成される。また、ピンホールは、横方向および軸方向の分解能(解像度)も規定し、その分解能は、合焦寄与分を失うことに起因して信号が減少するという犠牲を払うにもかかわらずサイズ(大きさ)が減少するにしたがって、改善される。ほとんどの通常の共焦点系では、開口サイズはpsfsによって規定された近似的にエアリー径に設定され、それによって、分解能(解像度)と記録信号強度の間に許容可能なトレードオフ(得失評価)が生じる。RES1モードにおける回折限界横分解能(解像度)は、M*λ/2NA(λ:励起光Aの中心波長、NA:PAM対物レンズの開口数(numerical aperture)、M:複数の変調器要素と物体1の間にあるPAM対物レンズおよびリレー・レンズの合成倍率)で与えられ、例えば約200乃至250nmである。軸方向の分解能は約2乃至3倍低い。通常のPAMでは、この条件は、5×5または6×6のDMD変調器要素21、22の正方形の走査開口と、33乃至50%のデューティ・サイクルで達成される。これらの条件下では、非常に高速な捕捉および高い強度(輝度)が達成され、各開口が大きくなると、軸方向および横方向の分解能(解像度)が低下する。
RES2モードにおいて、PAMは、より高い空間周波数を強化することによって横方向および/または軸方向の分解能(解像度)を最大2倍までに高めるための “構造化照射(照明)(SIM)”としてまたは“ピクセル再配置”として文献で知られている手順用に構成される。その結果、利点として、横方向の分解能(解像度)が100乃至200nmの範囲に拡大される。共焦点顕微鏡LSM800(製造業者ツァイス(Zeiss))の一般に知られている“エアリー”(Airy)検出器と同様に、その構想(コンセプト)は、空間周波数をより高く増大させるが上述のようなポイント・スキャン・システムにおける非常に小さいピンホールからの許容できない信号損失を回避する形態で、多数の軸外サブ・エアリー・ディスク開口(検出器)を利用することである。しかし、PAMの実装では、ツァイス・エアリー・システムの複雑な検出器アセンブリ(組立体)(complex detector assembly)および多要素のポスト・デコンボルーション(解析後)(multi-element post-deconvolution)および再配置処理(relocation processing)が回避される。
蛍光顕微鏡において実質的に100nm未満の分解能(解像度)を達成するには、現在2つの主要な手法(アプローチ)が利用可能である。単一分子の励起状態動態(ダイナミクス)に基づく分子局在化法(例えば、STORM法)は、RES1モードおよび可能性としてRES2モードの動作と適合性がある。これとは対照的に、励起状態抑制(例えば、STED)および特に分子光変換(例えば、RESOLFT)プロトコル(手順)に基づく“psf細線化または薄面化”(psf-thinning)方法は、横方向分解能(解像度)のRES3モードを達成するのに適した形態で適用されるSAM方法に理想的に適している。PAMモジュールによって、両側(双方向)照射が可能になる(図1、および例えば欧州特許出願公開第2369401号における図1およびその説明を参照)。従って、抑制または光変換照射(STEDにおける“ドーナツ”(donuts)と等価)の形成は、同じパターンを用いて、試料を片側から活性化(および読出し)光に当ておよび反対側から抑制(depletion)(または光変換)光に当てることによって、自動的かつ正確に達成される。特定の手順(プロトコル)および調査(プローブ)に応じて、各光源を同時にまたは時間をずらして使用することができる。ポイント・スキャン・システム(点走査系)における通常のRESOLEFTとは対照的に、視野(フィールド、場)全体が同時に対処(アドレス)され処理される。利点として、PAM光学設定の変更は必要ではない。さらに、留意すべきこととして、RES3モードは、通常の方法とは対照的に、光断層化を形成する。蛍光タンパク質発現系(システム)を使用してRESOLEFT蛍光測定を実現するためのRES3モードの例示的な試験において、単純なパルス化488nmのダイオード・レーザが、光変換による抑制(depletion)のための励起光源として使用される。
以下では、上述のPAMモードを、好ましくはソフトウェア・プログラムによって、実装する方法を、さらに詳細に説明する。
Claims (15)
- プログラマブル・アレイ顕微鏡(PAM)(100)を用いて行われる光学共焦点結像方法であって、
前記プログラマブル・アレイ顕微鏡(PAM)(100)は、光源デバイス(10)と、複数の反射変調器要素を有する空間光変調器デバイス(20)と、PAM対物レンズと、カメラ・デバイス(30)とを有し、
前記空間光変調器デバイス(20)は、複数の第1群の変調器要素(21)が、励起光を調査対象の物体の共役位置へと方向付けるようおよび前記共役位置から発する検出光を前記カメラ・デバイス(30)へと方向付けるよう選択可能であるように、および、複数の第2群の変調器要素(22)が、前記物体の非共役位置からの検出光を前記カメラ・デバイス(30)へと方向付けるよう選択可能であるように、構成され、
- 前記光源デバイス(10)からの励起光を前記複数の第1群の変調器要素を介して調査対象の前記物体へと方向付ける工程であって、所定のパターン・シーケンスの照射スポットが前記物体の前記共役位置に集束するように前記空間光変調器デバイス(20)が制御され、現在のPAM照射開口を規定する少なくとも1つの単一変調器要素によって各照射スポットが形成される、工程と、
- 各パターンのPAM照射開口に対して前記物体の共役位置からの検出光を収集することに基づいて共役画像Icの画像データを収集する工程と、
- 各パターンのPAM照射開口に対して前記カメラ・デバイス(30)の非共役カメラ・チャネルで前記複数の第2群の変調器要素(22)を介して前記物体の非共役位置からの検出光を収集することに基づいて非共役画像Incの画像データを収集する工程と、
- 前記共役画像Icおよび前記非共役画像Incの画像データに基づいて前記物体の光断層像(OSI)を生成する工程と、
を含み、
- 前記共役画像Icの画像データを収集する工程は、
- 各パターンのPAM照射開口に対して前記カメラ・デバイス(30)の前記非共役カメラ・チャネルで、前記現在のPAM照射開口を包囲する前記複数の第2群の変調器要素(22)の中の複数の変調器要素を介して前記物体の前記共役位置からの前記検出光の一部を収集すること
を含み、
特徴として、
- 較正光源デバイス(10)で前記複数の変調器要素に照射する工程と、
- 前記複数の変調器要素で較正パターンのシーケンスを生成する工程と、
- 前記カメラ・デバイス(30)を用いて前記較正パターンの較正画像を記録する工程と、
- 前記記録した較正画像を処理して、前記カメラ・デバイス(30)の各カメラ・ピクセルを前記複数の変調器要素の中の1つに割り当てる較正データを生成する工程と、
を有する較正手順を含み、
- 全ての収集された画像が累積され、複数のカメラ信号がそれらの対応する発生元の変調器要素に逆マッピングされ、
- 前記複数のカメラ信号の複数の重心は、前記対応する発生元の変調器要素に割り当て可能な信号強度を生成するように所定のアルゴリズムによって複数の強度が合成された1つの局所的部分画像を規定するものである、
光学共焦点結像方法(30)。 - 前記空間光変調器デバイス(20)は、前記現在のPAM照射開口が、近似的にM*λ/2NA以下の径を有するように制御され、ここで、λは前記励起光の中心波長であり、NAは前記対物レンズの開口数であり、Mは、前記変調器開口と調査対象の前記物体との間の前記対物レンズおよびリレー・レンズの合成倍率である、請求項1に記載の結像方法(30)。
- 前記現在のPAM照射開口の各々が100μm未満の寸法を有する、請求項1または2に記載の結像方法。
- 前記PAM照射開口の各々が1つの単一変調器要素(21)によって形成される、請求項1乃至3のいずれかに記載の結像方法。
- - 前記PAM照射開口の各々に対して、個々の変調器要素は、前記PAM照射開口に対応する前記カメラ・デバイス(30)の前記非共役カメラ・チャネルの前記カメラ信号の重心を包囲する非共役カメラ・ピクセル・マスク(3)を規定し、
- 各非共役カメラ・ピクセル・マスク(3)が拡張され、
- 背景の信号の推定が、前記非共役(Inc)画像および共役(Ic)画像の前記画像データの補正として用いるために、前記拡張された非共役カメラ・ピクセル・マスク(3)から得られ、
- 前記カメラ・デバイス(30)の前記非共役カメラ・チャネルに対応する光断層像(OSInc)成分が形成される
請求項1乃至4のいずれかに記載の結像方法。 - 前記共役画像Icを形成する工程は、さらに、
- 各パターンのPAM照射開口に対して前記カメラ・デバイス(30)の共役カメラ・チャネルで前記複数の第1群の変調器要素(21)を介して前記物体の前記共役位置および前記非共役位置からの検出光を収集することによって、部分共役画像Icを形成し、
- 前記カメラ・デバイス(30)の前記共役カメラ・チャネルで収集された前記画像から前記部分共役画像Icを抽出し、
- Incの評価量からその非共役寄与分の推定量を減算することによって前記部分共役画像Icを補正し、
- 前記Icチャネルに対応する前記光断層像(OSIc)成分を形成し、
- 前記非共役寄与分と共役寄与分を合成する(OSI=OSInc+OSIc)ことによって前記光断層像全体(OSI)を形成する
ことを含むものである、請求項1乃至5のいずれかに記載の結像方法。 - - 前記PAM照射開口の各々に対して、個々の変調器要素は、前記PAM照射開口に対応する前記カメラ・デバイス(30)の前記共役カメラ・チャネルの前記カメラ信号の重心を包囲する共役カメラ・ピクセル・マスク(3)を規定し、
- 前記共役カメラ・ピクセル・マスク(3)が拡張され、
- 背景の信号の推定が、前記光断層像を形成するように前記共役(Ic)画像および非共役(Inc)画像の補正として用いるために、前記拡張された共役カメラ・ピクセル・マスク(3)から得られる、
請求項6に記載の結像方法。 - - 前記較正パターンは、各々が少なくとも1つの単一変調器要素によって生成され重複のないカメラ応答を有する複数の光スポットからなる正規の、好ましくは六角格子の、マトリックスのシーケンスを含む、
- 前記較正パターンの数は、全ての変調器要素が、前記較正画像を記録し前記較正データを生成するために使用されるように、選択される、および
- 前記較正パターンのシーケンスは、連続的パターンの変調器要素相互間の分離が最大化されるように、ランダム化される
という特徴の中の少なくとも1つの特徴を含む、請求項1乃至7のいずれかに記載の結像方法。 - - 前記個々の変調器要素から受け取った光に応答する前記カメラ・デバイス(30)の前記カメラ・ピクセルは、前記較正手順を用いて前記対応する変調器要素にマッピングされる前記マトリックスのカメラ・ピクセルにおける相対的なカメラ信号強度およびそれらの座標の区別可能な固有の安定した分布を形成するものである、請求項1乃至8のいずれかに記載の結像方法。
- - 前記複数の第1群の変調器要素(21)は、重複のない応答を有する少数(限界1)の要素からなる複数のアレイであり、個々の変調器要素の前記カメラ信号は、前記マトリックスのカメラ・ピクセルにおけるおよび前記較正手順によって規定された前記マトリックスの変調要素における座標を有する相対的信号強度の区別可能な固有の安定した分布を構成するものである、請求項1乃至9のいずれかに記載の結像方法。
- さらに、反対側から適用される1つ以上の光源を用いた同じパターンでの同時励起またはタイムシフト励起を含む、請求項10に記載の結像方法。
- 前記複数の第1群の変調器要素は小数の(限界1)の要素からなる2次元直線アレイからなり、個々の変調器要素の前記カメラ信号は、前記マトリックスのカメラ・ピクセルにおけるおよび前記較正手順によって規定された前記マトリックスの変調要素における座標を有する相対信号強度の区別可能な固有の安定した分布を構成するものである、請求項8乃至11のいずれかに記載の結像方法。
- - 前記光源デバイス(10)は、励起光を前記物体の前記共役位置へと方向付けるよう配置された第1の光源と、励起光を前記物体の前記非共役位置へと方向付けるよう配置された第2の光源とを含み、
- 前記第2の光源は、前記第1の光源によって生成された前記励起が前記物体の前記共役位置に制限されるように、前記励起光を生成するよう制御されるものである、
請求項1乃至12のいずれかに記載の結像方法。 - 前記第2の光源は、前記物体の前記共役位置の周りに抑制された励起状態を形成するよう制御されるものである、請求項13に記載の結像方法。
- 前記物体からの前記検出光は、遅延放出光、例えば遅延蛍光およびリン光、であって、励起および蛍光のための開口パターンが区別可能であり実験的に同期可能であるようになっているものである、請求項1乃至14のいずれかに記載の結像方法。
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DE VRIES ANTHONY H B; ET AL,GENERATION 3 PROGRAMMABLE ARRAY MICROSCOPE (PAM) FOR HIGH SPEED LARGE FORMAT 以下備考,PROCEEDINGS OF SPIE,SPIE,2015年03月10日,VOL:9376,,PAGE(S):93760C1 - 15,http://dx.doi.org/10.1117/12.2076390,OPTICAL SECTIONING IN FLUORESCENCE |
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