WO2019091570A1 - Time-resolved examination of a sample by microscopy - Google Patents

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WO2019091570A1
WO2019091570A1 PCT/EP2017/078868 EP2017078868W WO2019091570A1 WO 2019091570 A1 WO2019091570 A1 WO 2019091570A1 EP 2017078868 W EP2017078868 W EP 2017078868W WO 2019091570 A1 WO2019091570 A1 WO 2019091570A1
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PCT/EP2017/078868
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Heinrich Spiecker
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Lavision Biotec Gmbh
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    • G06T2207/20172Image enhancement details
    • G06T2207/20182Noise reduction or smoothing in the temporal domain; Spatio-temporal filtering

Definitions

  • the present invention relates to the field of time-resolved microscopy.
  • the invention can be applied to the microscopy of a living sample.
  • Modern microscopy techniques are increasingly being used in vivo.
  • in vivo microscopy is used to study temporal progressions.
  • in the neurosciences experiments are carried out with awake animals, in which the connection between brain activity and behavior is examined.
  • the problem here is that the tissues to be examined do not rest.
  • motion artefacts resulting from the heartbeat or the respiration of the test animal or from muscle contractions may complicate the evaluation of recorded time courses.
  • a movement of the tissue to be examined can take place in all three spatial dimensions.
  • a trigger signal for example, an electrocardiogram (ECG) or a clock of a ventilator can be used, which each substantially synchronously with a corresponding movement of the sample.
  • ECG electrocardiogram
  • the image acquisition is then always recorded with a fixed relative phase to the cycle of the movement.
  • the disadvantage here is that the image repetition time is limited to the periodicity of the movement pattern, which limits the achievable time resolution.
  • movements of the sample that do not follow the periodic pattern still cause motion artifacts in the images.
  • a post-processing method it is also known to extract a master image after taking a time-resolved image series. With respect to this master image, a lateral displacement vector is calculated by correlation methods for each frame of the image series. The frames are then shifted backward by this vector.
  • a disadvantage of this method is that a shift perpendicular to the image plane can not be compensated.
  • the image quality suffers due to the undefined orientation between sample and microscope during the measurement. Since there is no stable relative position between sample and microscope during the measurement time, it is also not possible to carry out stimulation processes in the sample precisely localized.
  • the microscope has a data acquisition unit which is designed to record data from a receiving area defined by the microscope.
  • the data acquisition unit may comprise, for example, a CCD camera or a photomultiplier.
  • the setting unit is configured to variably set a relative position between the receiving area and the sample holder.
  • the setting unit can be designed to change only the position of the receiving area or only the position of the sample holder.
  • the setting unit may be configured to adjust both the position of the receiving area and the position of the sample holder.
  • the controller is configured to drive the setting unit and the data acquisition unit.
  • the control device may comprise a computing unit and a memory unit with suitable program instructions.
  • the controller is configured to drive the adjustment unit and the data acquisition unit to acquire a reference data set by repeatedly alternately receiving data by the data acquisition unit and changing the relative position between the acquisition area and the sample holder.
  • the control device thus controls the setting unit and the data recording unit in such a way that data is recorded several times, wherein the relative position between the receiving area and the sample holder is changed in a controlled manner between the individual recordings. It is irrelevant whether as a first step data is recorded or as a first step, the relative position between the receiving area and the sample holder is changed. It is of course possible that between two successive shots, the relative position between the receiving area and the sample holder is changed in several steps.
  • the control device is further configured to evaluate the reference data set for characterizing an environment of a preferred relative position of the recording area with respect to the sample after the recording of the reference data record.
  • the preferred relative position of the receiving area with respect to the sample may correspond to the relative position of the receiving area with respect to the sample, in which a recording of the reference data set particularly well represents a region of the sample to be examined.
  • the selection of the preferred relative position of the receiving area with respect to the sample can be done manually or automatically according to respectively desired criteria based on the reference data set, for example by selecting a recording of the reference data set. It is not absolutely necessary that the corresponding mutual spatial relationship between the receiving area and the sample of the preferred relative position is actually known.
  • the reference data record has as large a number of recordings as possible which are assigned to different relative positions between the recording area and the sample holder.
  • the reference data set may have more than 20, more than 50, more than 100, more than 150, more than 200, or more than 500 shots.
  • the reference data record is recorded as quickly as possible.
  • the time within which the reference data set is taken is small compared to a characteristic time within which a relevant movement of the sample takes place.
  • the recording of the reference data set may be small with respect to a periodicity of a pulse beat or respiration of the test subject, for example a factor of at least 20, at least 15, at least 10, or at least 5 smaller.
  • the accuracy of the characterization of the environment of the preferred relative position of the recording area with respect to the sample can be increased since the influences of the intrinsic movement of the sample on the reference data record are minimized.
  • the characterization of the environment of the preferred relative position of the receiving area with respect to the sample can therefore be influenced in practice by motion artifacts. Nevertheless, based on the evaluated reference data set, as described below, a position stabilization can take place during a subsequent acquisition of a measurement data set which significantly improves the quality of the recordings of the measurement data set.
  • the recordings of the reference data record triggered wherein the trigger signal depicts a periodic movement of the sample, for example a heartbeat or a respiration of a test animal.
  • the recordings of the reference data set could all have a fixed phase with respect to the periodic movement of the sample, so that motion artifacts in the referendum record are further suppressed.
  • the slowing down of the measurement associated with a triggered recording can be accepted when recording the reference data set.
  • the control device is configured to iteratively perform the subsequently described steps a), b) and c) several times after the evaluation of the reference data record for recording a measurement data record.
  • the controller controls the data acquisition unit to acquire data.
  • step b) a displacement vector between the preferred relative position of the recording area with respect to the sample and a current relative position of the recording area with respect to the sample is determined based on the data recorded in step a) and the evaluated reference data set.
  • step c) the setting unit for changing the relative position between the receiving area and the sample holder is controlled in such a way that the displacement vector determined in step b) is at least partially compensated.
  • steps a), b) and c) are executed strictly separately in chronological succession.
  • data it would be possible for data to be recorded in step a) of an iteration before completion of the adjustment of the relative position between the receiving area and the sample holder in step c) of the preceding step. Iteration takes place in order to be able to comply with an image acquisition rate for a long calculation or traversing time. It would therefore be conceivable that a position correction comes into effect only in a later image, the readjustment of the relative position between the recording area and the sample, so to speak, runs after it. Nevertheless, a motion correction takes place live during the recording of the measurement data record.
  • control device is configured to control the setting unit when recording the measurement data set in step c) in such a way that the displacement vector between the preferred and the current relative position of the recording area is at least substantially equalized to zero with respect to the sample. This ensures that the relative position between receiving area and sample is kept as constant as possible during the recording of the measured data set. This is particularly suitable for the stabilized recording of a time series, which should always show the same image section of the sample.
  • control device is configured to control the setting unit when recording the measurement data set in step c) in such a way that the displacement vector between the preferred and the current relative position of the recording area with respect to the sample is at least substantially equal to a predetermined offset vector becomes.
  • the offset vector can be different from recording to recording, ie from iteration to iteration of steps a), b) and c).
  • the amount of offset vector from frame to frame may increase by a fixed increment value while the direction of the offset vector may remain constant.
  • Such an embodiment is particularly suitable for the stabilized recording of a time series, which shows a different image section of the sample from picture to picture.
  • step c) the displacement vector is compensated to zero and in other iterations of step c) the displacement vector is compensated for a non-zero offset vector.
  • a control loop according to a control method known from the prior art is carried out from the sequence of the displacement vectors determined during the repeated image recording, with the result that the motion correction is particularly fast or is particularly accurate and a tendency to control vibrations is reduced.
  • a model-based control behavior in which knowledge about the type of movement history are incorporated into the control behavior.
  • the system itself recognizes a regularity from the displacement vectors known from the past, and thus an improved correction of the motion artifacts can be achieved with this a priori knowledge and the currently calculated displacement vector.
  • the measurement data set is used for later evaluation of the experiment.
  • the advantage here is that the motion stabilization in such a procedure is based directly on the actual measurement and thus is particularly efficient.
  • an additional measuring channel hereinafter: experimental channel
  • the stabilization channel can then be used for motion stabilization and the actual data of the experiment can be obtained via the experimental channel.
  • the recordings of the measurement data record are also stored.
  • storing the measurement data record is conceivable.
  • the stabilization channel and the experiment channel may be measurement channels of the same microscope and may be formed, for example, as different color channels.
  • the stabilization channel can be designed in such a way that it primarily detects non-dynamic signals which originate exclusively from a movement of the sample, but which are relatively insensitive to the dynamics actually to be investigated.
  • the experiment channel can be designed such that it primarily detects signals which originate from the dynamic to be investigated.
  • the adjustment unit may comprise one or more of the following components: a lens drive device designed as a motorized drive device or a piezo-driven focus drive for changing the position of an objective of the microscope, a sample holder drive device for in particular motorized modification of the position of the sample holder, a lens with variably adjustable Focal length, an adaptive mirror in the beam path of the microscope, or a piezo tripod for three-dimensional displacement of the lens of the microscope.
  • a lens drive device designed as a motorized drive device or a piezo-driven focus drive for changing the position of an objective of the microscope
  • a sample holder drive device for in particular motorized modification of the position of the sample holder
  • a lens with variably adjustable Focal length an adaptive mirror in the beam path of the microscope
  • a piezo tripod for three-dimensional displacement of the lens of the microscope.
  • All measures are suitable as parts of the setting unit, which allow a relative displacement of the receiving area relative to the object.
  • the skilled person is beyond the measures mentioned here various other measures available.
  • the setting unit can also be designed to add an offset to a control voltage of the scanner mirror or the scanner mirror in order to shift the recording area.
  • the camera chip or the entire camera or, alternatively, the tube lens can be moved to move the recording area.
  • the relative position between the receiving area and the sample holder is variable by a relative linear movement along an optical axis of the microscope. This ensures that the individual recordings of the measurement data set always show the desired sample detail in good image quality.
  • the setting unit has more degrees of freedom, that is, the relative position between the receiving area and the sample holder is variable in several dimensions. For example, additionally or alternatively to a relative displacement along the optical axis of the microscope, a lateral displacement between the receiving area and the sample holder and / or a tilting or rotating of the relative position between receiving area and sample holder may be possible. As a result, movements of the sample can be compensated, which do not run parallel to the optical axis of the microscope.
  • a receiving area corresponds in each case to a two-dimensional area in space.
  • the receiving area can lie in a respective focal plane of the microscope.
  • the data acquisition unit can have, for example, a CCD camera for recording the reference data record and the measurement data record.
  • the microscope is embodied as a laser scanning microscope in which a scanner for scanning the two-dimensional recording area with excitation light is provided and the data recording unit comprises a photomultiplier for recording corresponding signal light.
  • the laser scanning microscope can be eg a confocal microscope or a multiphoton microscope.
  • galvanometric scanners for example, galvanometric scanners, resonant scanners, polygon scanners or acousto-optical scanners can be used as scanners.
  • acousto-optical scanners a shift of the recording area in all three dimensions can take place by means of an adaptation of the control parameters of the scanner.
  • a capture area may correspond to a line or polygon scan path in space, respectively.
  • a scan of a sequence of individual points may be included in the space.
  • a change in the position of the recording area in the room can be done by linear displacement of the line or Polygonskanpfads.
  • the microscope can be embodied as a laser scanning microscope with a scanner that is configured to scan the line or polygon scanning path with excitation light during a recording.
  • the data acquisition unit may comprise a photomultiplier for receiving corresponding signal light. To adjust the recording area, for example, the starting point at which the scanner begins to scan path to be changed.
  • a recording area when recording the reference data set, a recording area may correspond to a two-dimensional area in space, and when recording the measurement data set, a recording area may correspond to a line or polygon scanning path in space.
  • the control device may be configured to control the setting unit such that changing the relative position between the receiving area and the sample holder during recording of the reference data set corresponds in each case to a linear displacement of the receiving area relative to the sample holder along an optical axis of the microscope.
  • a plurality of recordings are taken, each with a mutually shifted focal plane.
  • the position of the receiving area with respect to the sample can be stabilized during the subsequent recording of the measured data record.
  • the control device can be configured to control the setting unit and the data recording unit in such a way that a series of line or polygon scans offset from one another is recorded as a reference data record.
  • the line or polygon scans can be linearly offset from each other, in particular in the lateral direction and / or along an optical axis of the microscope.
  • the control device may be configured to control the setting unit such that changing the relative position between the receiving area and the sample holder during recording of the measurement data set comprises at least one displacement of the recording area relative to the sample holder along an optical axis of the microscope.
  • the measurement data set can correspond to a time-resolved two-dimensional image series.
  • the measurement data set may correspond to a time-resolved series of lines or polygon scans.
  • the inventive movement correction can suppress unwanted motion artifacts resulting from a change in the position of the line or polygon scan path with respect to the sample due to an intrinsic motion of the sample.
  • control device may be configured to analyze the reference data set by data analysis for at least several of the recordings forming a reference data record between the preferred relative position of the recording area with respect to the sample and a relative position of the recording area associated with the respective recording to determine the sample.
  • the control device can determine the displacement vector between the preferred relative position of the recording area with respect to the sample and the relative position of the recording area associated with the respective recording with respect to the sample, since the control device knows in which way and the relative position between the receiving area and the sample holder has been changed between the individual recordings of the reference data record by driving the setting unit.
  • the controller can compare the current recording with the individual recordings of the reference data set.
  • the control device determines, based on evaluation criteria, a recording of the reference data record whose displacement relative to the preferred relative position of the recording area with respect to the sample best matches the displacement of the current recording with respect to the preferred relative position of the recording area with respect to the sample.
  • This selection of a recording of the reference data record can take place by means of various methods of image processing and in particular based on a correlation method and / or an intensity comparison between the recordings.
  • the control unit can resort to the displacement vector associated with the selected recording of the reference data set.
  • the control device could be configured by data analysis from a recording of the reference data record corresponding to a preferred relative position of the recording area with respect to the sample, based on the data of the remaining recordings of the reference data record and the known displacement vectors between the two single images at several feature points to calculate three-dimensional intensity gradients. Based on the intensity gradients, local Taylor developments of intensity could be determined at the feature points.
  • control unit could minimize a difference between the local Taylor developments of the intensities at the feature points and the intensities of the respective current image at the feature points, for example by means of a least square method, and thus a global estimate for the current displacement vector is obtained.
  • the estimation of the current displacement vector by the control device may also be iterative.
  • the control device for this purpose include a graphics card.
  • the number and selection of feature points can be over the iterations be constant or can also be customized.
  • the image pyramid can be calculated in the currently analyzed image of the measurement data set and in the same way in the reference data set. The iteration can first take place within a magnification stage and then be continued step by step in higher magnification levels of the image pyramid.
  • both the recordings of the reference data record and the recordings of the measured data record are only calculated locally at the feature points. So the smoothing can be done within a short time.
  • the adjustment unit for varying the relative position between the recording area and the sample holder can be actuated to perform motion correction during the recording of the measurement data record.
  • the invention also relates to a method for time-resolved microscopy of a sample.
  • the device according to the invention is suitable for carrying out the method, designed and configured. Features described with respect to the device can be transferred to the process, and vice versa.
  • a sample is held with a sample holder.
  • a reference data record is recorded.
  • the reference data record is evaluated, in particular by means of a control device, for characterizing an environment of a preferred relative position of the recording region with respect to the sample.
  • step a) data is recorded by means of the data acquisition unit.
  • step b) a displacement vector between the preferred relative position of the recording area with respect to the sample and a current relative position of the recording area with respect to the sample is determined based on the data recorded in step a) and the evaluated reference data set.
  • step c) the relative position between the receiving area and the sample holder for at least partially compensating the current displacement vector is changed.
  • the invention is applicable, for example, to wide-field microscopy, in particular wide-field microscopy with high aperture, fluorescence microscopy, laser scanning microscopy, multiphoton micoscopy and light-sheet microscopy.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for time-resolved microscopy according to an embodiment with a camera-based determining unit
  • FIG. 2 shows a schematic illustration for explaining the recording of a reference data record according to an embodiment with a two-dimensional surface in the space as a receiving region;
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a device for time-resolved microscopy according to an embodiment in which the microscope is designed as a laser scanning microscope and the adjustment unit comprises a lens drive device;
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a device for time-resolved microscopy according to an embodiment in which the microscope is designed as a laser scanning microscope and the setting unit comprises a telescope;
  • Fig. 5 is a schematic representation of a device for time-resolved microscopy according to an embodiment in which the microscope as Laser scanning microscope is formed and the adjustment unit comprises an adaptive mirror;
  • Fig. 6 is a schematic diagram for explaining the recording of a reference data set according to an embodiment in which the recording area corresponds to a line or polygon scanning path in space;
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a device for time-resolved microscopy according to an embodiment in which the microscope is designed as a laser scanning microscope and a further receiving channel is provided.
  • FIG. 1 shows an apparatus for time-resolved microscopy of a sample 1 according to an embodiment.
  • the device comprises a sample holder 3 for receiving the sample 1.
  • the sample 1 can be fixed to the sample holder 3.
  • the device further comprises a microscope 5 with an objective 7.
  • the receiving region 9 is a two-dimensional surface in space Focus plane of the microscope 5 is located.
  • the microscope 5 comprises a data recording unit 11 for recording data from the recording area 9.
  • the apparatus further comprises a setting unit 13 for variably setting a relative position between the receiving area 9 and the sample holder 3.
  • the setting unit 13 comprises a sample holder setting unit 15 and a microscope setting unit 17.
  • the sample holder setting unit 15 is configured to to change the position of the sample holder 3 in the room.
  • the sample holder setting unit 15 may include, for example, a sample holder driving means for motorized changing the position of the sample holder 3.
  • the microscope setting unit 17 is designed to change the position of the receiving area 9 in space.
  • the microscope setting unit 17 comprises a piezo tripod 19 for changing the position of the objective 7 of the microscope 5.
  • the piezo tripod 19 may comprise three with respect to the optical axis 21 of the microscope 5 symmetrically arranged piezo elements 23, by means of which Lens 7 is variable in its position. Such a piezo tripod 19 allows precise adjustment of the position of the objective 7. By jointly driving the three piezo elements 23, the objective 7 can be displaced along the optical axis 21 of the microscope 5, whereby the receiving region 9 is likewise displaced along the optical axis 21 , By different activation of the piezo elements 23 or driving Only one or two of the piezo elements 23 can tilt the lens 7, resulting in a shift of the receiving area 9.
  • the microscope setting unit 17, for example, also a lens drive means for motorized change in the position of the lens 7 of the microscope 5 include. This could, for example, allow a displacement of the objective 7 along the optical axis 21 of the microscope 5.
  • the additional or alternative provision of a piezo-driven focus drive for changing the position of a focal plane of the microscope 5 would be conceivable.
  • the time-resolved microscopy apparatus further comprises a control device 25, which is configured to drive the setting unit 13 and the data acquisition unit 11.
  • the control device 25 may include a computing unit 27 and a memory unit 29 with suitable program instructions.
  • the control device 25 for adjusting the relative position between the receiving area 9 and the sample holder 3 can drive both the sample holder setting unit 15 and the microscope setting unit 17.
  • the setting of the relative position between the receiving area 9 and the sample holder 3 can thus be achieved by a combination of a change in the position of the sample holder 3 in the room and a change in the position of the receiving area 9 in the room. But it would also be conceivable that, for example, the sample holder 3 is held stationary and only the receiving area 9 is moved in space. It would also be conceivable to leave the receiving area 9 stationary in the room and to change only the position of the sample holder 3 in the room.
  • the controller 25 is configured to drive the setting unit 13 and the data acquisition unit 11 to receive a reference data set.
  • data are repeatedly taken from the receiving area 9 alternately alternately by the data recording unit 11, and then the relative position between the receiving area 9 and the sample holder 3 is changed by means of the setting unit 13.
  • the reference data set comprises more than 20, more than 50, more than 100, more than 150, more than 200 or more than 500 recordings thus obtained, each corresponding to different relative positions between the receiving area 9 and the sample holder 3.
  • the reference data set is used to suppress in a sequence data set movement of the sample 1, such as a movement due to a heartbeat or respiration, resulting motion artifacts. So that the reference data set itself is largely unaffected by such movements of the sample 1, For example, the measurement of the reference data set could take place within a time period which is small compared to the time scale relevant to the respective movement of the sample 1.
  • Figure 2 shows a schematic representation of an example of different relative positions between the sample holder 3 and the receiving area 9 for the individual recordings of a reference data set.
  • the respective receiving areas 9 are in this case areal areas of a focus plane of the microscope 5 whose relative position with respect to the sample holder 3 has been changed from recording to recording of the reference data record by means of the setting unit 13.
  • the reference data record is recorded sufficiently quickly that the position of the sample 1 with respect to the sample holder 3 can be regarded as constant during the recording of the reference data record. This is not necessarily the case.
  • FIG. 2 shows a group of relative positions of the receiving region 9 with respect to the sample holder 3, which is obtained by a linear displacement of the receiving region 9 relative to the sample holder 3 along the optical axis 21 of the microscope 5.
  • Other relative positions could also be provided, in which tilt positions are present between the receiving area 9 and the sample holder 3.
  • control device 25 After receiving the reference data record, the control device 25 is configured to evaluate the reference data record for characterizing an environment of a preferred relative position of the receiving region 9 with respect to the sample 1.
  • the control device 25 is configured to iteratively perform the steps a), b) and c) for recording a measurement data set several times after the evaluation of the reference data record.
  • step a) the data acquisition unit 11 is driven to receive data.
  • step b) a displacement vector between the preferred relative position of the receiving area 9 with respect to the sample 1 and a current relative position of the receiving area 9 with respect to the sample 1 is then determined based on the data recorded in step a) and the evaluated reference data record.
  • step c) the setting unit 13 for changing the relative position between the receiving area 9 and the sample holder 3 is actuated for at least partial compensation of the displacement vector determined in step b).
  • steps a), b) and c) during the recording of the measurement data set, movement artifacts resulting from a movement of the sample 1 can be suppressed by tracking the relative position between recording area 9 and sample 1.
  • the adjustment unit 13 can be controlled in step c) such that the displacement vector between the preferred and the current relative position of the receiving region 9 with respect to Sample 1 is at least substantially equalized to zero.
  • the invention can also be used for the stabilized recording of a time series in which a different image detail of the sample 1 is recorded from one image to another.
  • the setting unit 13 can be controlled in step c) so that the displacement vector between the preferred and the current relative position of the receiving area 9 with respect to the sample 1 is not compensated to zero but to a predetermined offset vector.
  • the offset vector may be different from shot to shot.
  • the offset vector can be changed from one recording to the next by one increment.
  • the evaluation of the reference data record by the control device 25 and the determination of the displacement vector between the preferred and the current relative position of the recording region 9 with respect to the sample 1 in step b) can be carried out in various ways.
  • the control device 25 for evaluating the reference data record from the recordings of the reference data record can select a preferred recording, which then corresponds to the preferred relative position between the recording region 9 and the sample 1. This selection could also be based on user input. It is not absolutely necessary to know which actual relative position exists between the receiving area 9 and the sample 1 during the recording of the corresponding recording of the reference data set. However, the associated relative position between receiving area 9 and sample holder 3 is known. The control device 25 can then determine displacement vectors between the preferred relative position of the receiving region 9 with respect to the sample 1 and the relative positions of the receiving region 9 associated with the remaining images of the reference data set with respect to the sample 1 and thus characterize the environment of the preferred relative position.
  • the control device 25 accesses the known relative movements between the receiving area 3 and the sample holder 1 during the recording of the reference data set.
  • the control device 25 can determine, for example by means of correlative methods by comparing the recorded in step a) recording with the recordings of the reference data record a record of the reference data set, which was made at a similar relative position between receiving area 9 and sample 1 like the picture taken in step a).
  • the displacement vector between the preferred relative position of a recording area 9 with respect to the sample 1 and the current relative position of the recording area 9 with respect to the sample 1 can then be considered as the displacement vector between the recording of the reference data record corresponding to the preferred relative position and the selected other recording of the reference data set are determined.
  • control device 25 could first also select from the recordings of the reference data record a preferred recording which corresponds to the preferred relative position between the recording area 9 and the sample 1.
  • control device 25 can be configured to analyze the reference data record by means of data analysis from the recording of the reference data record which corresponds to the preferred relative position of the recording area with respect to the sample, based on the data of the remaining recordings of the reference data record and the known data Displacement vectors between the individual images at several feature points to calculate three-dimensional intensity gradients. Based on the intensity gradients, local Taylor evolution of intensity could be determined at the feature points.
  • step b) during the acquisition of the measurement data set, a difference between the local Taylor developments of the intensities at the feature points and the intensities of the respectively current image at the feature points could be minimized by the control unit 25, for example by means of a least square method, and thus obtaining a global estimate for the current displacement vector.
  • the setting unit 13 Based on the current estimated displacement vector, the setting unit 13 could then be actuated in step c) for changing the relative position between the receiving area 9 and the sample holder 3 in order to perform a motion correction live.
  • the measurement data set itself represents a motion-stabilized, evaluable data record and can be used for later evaluation of the corresponding experiment. It is therefore in principle sufficient if the microscope 5 diglich has a single measuring channel, which is used for recording the reference data set and the measurement data set.
  • the data acquisition unit 1 1 may comprise, for example, a first CCD camera 31.
  • the measuring channel assigned to the reference data set and the measured data set is provided merely as a stabilization channel and an additional measuring channel (hereinafter: experimental channel) is provided for the actual experimental data or additional experimental data.
  • the stabilization channel can then be used for motion stabilization as described above.
  • further experimental data can be recorded via the experiment channel.
  • the experimental channel may be coupled to the stabilizing channel such that the relative position between the receiving region 9 and the sample 1 is identical for both channels.
  • the data acquisition unit 11 in addition to the first CCD camera 31 can have a second CCD camera 33 which is assigned to the experiment channel.
  • the stabilization channel and the experiment channel can be designed, for example, as different color channels.
  • the stabilization channel is preferably designed such that it primarily detects non-dynamic signals which originate exclusively from an intrinsic movement of the sample 1, but which are relatively insensitive to the dynamics actually to be investigated.
  • the experiment channel can be designed to primarily detect signals originating from a dynamic to be investigated. It would also be conceivable, for example, for a line scan or polygon scan to be performed in the sample 1 via the experiment channel, while two-dimensional images are recorded in the stabilization channel.
  • FIGS. 3, 4 and 5 show devices for time-resolved microscopy of a sample 1 according to further embodiments. These embodiments differ from the embodiment of FIG. 1 in that the microscope 5 is designed as a laser scanning microscope.
  • the microscope 5 here comprises a scanner 35 with which a scan path as a receiving region 9 can be scanned through the microscope 5.
  • the scanner 35 is preferably controlled by the control device 25 and may comprise one or more, in particular two, scanner mirrors 36.
  • the control device 25 may comprise one or more, in particular two, scanner mirrors 36.
  • the setting unit 13 for variably setting a relative position between the receiving area 9 and the sample holder 3 again comprises a microscope setting unit 17 and a sample holder setting unit 15.
  • the microscope setting unit 17 comprises an objective drive device 37 for displacing the objective 7 along the optical axis 21 of the microscope 5.
  • the lens drive device 37 may be provided, for example, as a motorized drive device or as a piezo-driven focus drive.
  • FIG. 4 shows an embodiment in which the objective 7 is stationary and the microscope setting unit 17 is instead provided as a motorized telescope 39.
  • the microscope setting unit 17 is instead provided as a motorized telescope 39.
  • a lens 41 of the motorized telescope 39 By moving a lens 41 of the motorized telescope 39, a focus of the microscope 5 along the optical axis 21 of the microscope 5 can be moved.
  • FIG. 5 shows a further possibility of how the microscope setting unit 17 can alternatively be formed.
  • an adaptive mirror 43 is provided with which a scanning deposit of the microscope 5, in particular along the optical axis 21 of the microscope 5 and / or laterally displaceable. Via a control signal from the control device 25, a mirror surface of the adaptive mirror 43 can be curved convexly or concavely. In this way, the focus of the excitation beam 45 can be changed in particular without astigmatism in its position.
  • the setting unit 25 is designed to add an offset to a control voltage of the scanner mirror 36 or the scanner mirror 36 in order to displace the receiving area
  • the microscopes 5 of the embodiments shown in FIGS. 3, 4 and 5 each have a data acquisition unit 11 in the form of a photomultiplier 47 for recording data from the respective recording area 9.
  • the control device 25 controls the scanner 35 in each case to scan a predefined scan path, which corresponds to the recording area 9. If the relative position between the receiving region 9 and the sample holder 3 is to be changed, a starting point of the scanning path is displaced relative to the sample holder 3, for example, by means of the microscope setting unit 17 and / or the sample holder setting unit 15.
  • the receiving area 9 similar to the embodiment shown in Figure 1, as a two-dimensional surface present in the room.
  • the control device 25 can control the scanner 35 to scan a two-dimensional surface when taking a picture of the reference data record and recording a picture of the measured data record.
  • the evaluation of the reference data set and the stabilization of the measured data set can be carried out analogously to the embodiment described in FIG.
  • the control device 25 controls the setting unit 13 and the data recording unit 1 1 to record a reference data set by repeating, alternately picking up data by the data recording unit 11 and changing the relative position between the recording area 9 and the sample holder 3.
  • the line or polygonal scanning path representing the recording area 9 is scanned by means of the scanner 35, the recording being recorded by means of the photomultiplier 47 in the meantime.
  • FIG. 6 shows, in a schematic perspective view, the relative positions between individual receiving areas 9, which are designed as line or polygonal scanning paths, and the sample holder 3, which are each assigned to a recording of the reference data record.
  • the receiving areas 9 are shifted relative to one another along the optical axis 21 of the microscope 5.
  • receiving areas 9 could also be traversed, which are displaced laterally, for example, with respect to the receiving areas 9 shown or are tilted with respect to them.
  • the control device 25 evaluates the reference data record for characterizing an environment of a preferred relative position of the recording region 9 with respect to the sample 1.
  • the components of the intensity gradients for each point of the line or Polygonscanpfads can be calculated, for example, based on a recording which corresponds to a preferred position of the receiving area 9 with respect to the sample 1, by simply subtraction with the other recordings of the reference data set.
  • feature points can then be determined from the line or polygonal scan path. For the selection of the feature points z. B.
  • the feature points are preferably selected can be that the global aperture problem is solved and no feature points are selected with strong image noise. In the simplest case, however, all points of the line or polygon scan path (or else of a two-dimensional image scan path) can also be included for the stabilization. Based on the intensity gradients, local Taylor evolutions of intensity could be determined at the feature points or at all points of the line or polygon scan path (or even a two-dimensional image scan path).
  • control device 25 After the evaluation of the reference data record, the control device 25 carries out the steps a), b) and c) iteratively several times to record a measured data record.
  • step a the data acquisition unit 11 is driven to record data.
  • the line or polygonal scanning path representing the recording area 9 is traced by means of the scanner 35, the recording being recorded by means of the photomultiplier 47 in the meantime.
  • step b) a displacement vector between the preferred relative position of the receiving region 9 with respect to the sample 1 and a current relative position of the receiving region 9 with respect to the sample 1 is determined. This is done based on the data recorded in step a) and the evaluated reference data record.
  • the control unit could minimize a difference between the local Taylor developments of the intensities at the feature points and the intensities of the respective current image at the feature points, for example by means of a least square method, and thus a global estimate for the current displacement vector is obtained. This could, as explained above, also be iterative, for example by calculating a picture pyramid.
  • step c) the setting unit 13 for changing the relative position between the receiving area 9 and the sample holder 3 is actuated for at least partially compensating the displacement vector.
  • a recording area 9 could each correspond to a two-dimensional area in the room and then during recording of the measurement data set a recording area 9 correspond in each case to a line or polygon scanning path in the room. So could be used as a reference data set for stabilization even when recording a line or Polygonscanpfads as a measurement data set on two-dimensional areal recordings.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a device for time-resolved microscopy according to a further embodiment, in which the microscope 5 is designed as a laser scanning microscope.
  • the device according to this embodiment is identical except for the differences explained below or analogous to the embodiments of Figures 3, 4 and 5.
  • the microscope setting unit 17 is shown in Figure 7 as a piezo tripod 19 for moving the focal plane of the lens 7, but could for example also be designed as described with regard to FIGS. 3, 4 and 5.
  • the device according to FIG. 7 comprises, in addition to the measurement channel for recording the reference data set and the measurement data set (stabilization channel), a further measurement channel (experimental channel) for recording (additional) experimental data.
  • the stabilization channel may be used, for example, as described with reference to Figures 3, 4 and 5, for motion stabilization and the actual data of the experiment or additional data may be obtained via the experimental channel. Since the stabilization channel and the experiment channel are measurement channels of the same microscope 5, motion-stabilized measurement data are obtained via the experiment channel without additional effort if the measurement is performed simultaneously with the motion-stabilized recording of the measurement data set via the stabilization channel.
  • the microscope 5 comprises a further scanner 49 to which a split-off part of the excitation beam 45 is supplied.
  • the further scanner 49 can in turn have one or more, in particular two, scanner mirrors 51 with which it can scan a one-dimensional or a two-dimensional scan pattern independently of the scanner 35 of the stabilization channel.
  • the data acquisition unit 11 includes, in addition to the photomultiplier 47 assigned to the stabilization channel, a further photomultiplier 53, which is assigned to the experiment channel.
  • a spectral separation element in particular a dichroic mirror 55
  • the signal radiation from the specimen 1 can be spectrally spectrally transmitted to the photomultiplier 47 of the stabilization channel and the photomultiplier 53 of the experiment. be divided.
  • the spectral distribution can be such that the stabilization channel primarily detects non-dynamic signals, which mainly result from a movement of the sample, but is relatively insensitive to the dynamics actually to be investigated.
  • the experiment channel can primarily detect signals that originate from the dynamics to be investigated.

Abstract

The apparatus for time-resolved examination of a sample (1) by microscopy comprises a sample holder (3), a microscope (5) with a data recording unit (11) for recording data from a recording region (9) defined by the microscope (5), a setting unit (13) for changeably setting a relative position between the recording region (9) and the sample holder (3), and a control device (25) for actuating the setting unit (13) and the data recording unit (11). For the purposes of recording a reference data record, data are recorded in a repeated alternating fashion and the relative position between the recording region (9) and the sample holder (3) is changed. The reference data record is evaluated for characterizing surroundings of a preferred relative position of the recording region (9) in relation to the sample (1). Thereupon, the following steps are carried out multiple times in iterative fashion for the purposes of recording a measurement data record: a) recording data; b) determining a displacement vector between the preferred and a current relative position of the recording region (9) in relation to the sample (1) on the basis of the recorded data and the evaluated reference data record; and c) modifying the relative position between the recording region (9) and the sample holder (3) for the purposes of at least partly compensating the displacement vector.

Description

Zeitaufgelöstes Mikroskopieren einer Probe  Time-resolved microscopy of a sample
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der zeitaufgelösten Mikroskopie. Vorteilhafterweise kann die Erfindung auf die Mikroskopie einer lebenden Probe angewandt werden. The present invention relates to the field of time-resolved microscopy. Advantageously, the invention can be applied to the microscopy of a living sample.
Moderne Mikroskopietechniken werden zunehmend in-vivo eingesetzt. In-vivo Mikroskopie wird beispielsweise betrieben, um zeitliche Verläufe zu untersuchen. Beispielsweise in den Neurowissenschaften werden Experimente mit wachen Tieren durchgeführt, bei denen der Zusammenhang von Hirnaktivität und Verhalten untersucht wird. Problematisch ist hierbei, dass die zu untersuchenden Gewebe nicht ruhen. Zum Beispiel vom Herzschlag oder der Atmung des Versuchstiers oder von Muskelkontraktionen herrührende Bewegungsartefakte können die Auswertung aufgenommener zeitlicher Verläufe erschweren. Eine Bewegung des zu untersuchenden Gewebes kann in alle drei Raumdimensionen erfolgen. Modern microscopy techniques are increasingly being used in vivo. For example, in vivo microscopy is used to study temporal progressions. For example, in the neurosciences experiments are carried out with awake animals, in which the connection between brain activity and behavior is examined. The problem here is that the tissues to be examined do not rest. For example, motion artefacts resulting from the heartbeat or the respiration of the test animal or from muscle contractions may complicate the evaluation of recorded time courses. A movement of the tissue to be examined can take place in all three spatial dimensions.
Bei einigen Mikroskopieverfahren werden nicht nur zeitliche Verläufe aufgenommen, sondern die Probe wird auch lokal stimuliert. So wird zum Beispiel im Bereich der Optogenetik mit Licht stimuliert. Da die lokale Stimulation nur so genau wie die Relativposition zwischen Probe und Mikroskop sein kann, ist auch hier der Einfluss von Bewegungen des zu untersuchenden Gewebes abträglich. In some microscopy methods, not only temporal courses are recorded, but the sample is also locally stimulated. For example, in the field of optogenetics, light is stimulated. Since the local stimulation can only be as accurate as the relative position between sample and microscope, the influence of movements of the tissue to be examined is also detrimental here.
Eine grobe Unterdrückung von Bewegungsartefakten wird in der Praxis durch ein Fixieren der Probe erreicht. Ein vollständiges Unterdrücken der Bewegungen der Probe ist damit im Allgemeinen aber nicht möglich. Rough suppression of motion artifacts is achieved in practice by fixing the sample. However, a complete suppression of the movements of the sample is generally not possible.
Aus der Praxis ist es zudem bekannt, Kompensationsmethoden einzusetzen, bei denen aktiv eine Gegenbewegung erzeugt wird, um die Probe stabil zu halten. Bei solchen Kompensationsmethoden wird mittels eines externen Sensors die Bewegung der Probe erfasst und darauf basierend die Gegenbewegung erzeugt. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die sensorische Messung der Bewegung nur lokal erfolgt und somit nicht alle Komponenten der Bewegung des Gesamtsystems berücksichtigt werden. Zudem erfolgt die Messung der Bewegung nicht am Ort der Datenaufnahme, so dass Relativbewegungen zwischen dem Messpunkt des externen Sensors und dem Aufnahmebereich des Mikroskops nicht berücksichtigt werden. In practice, it is also known to use compensation methods in which a counter-movement is actively generated in order to keep the sample stable. With such compensation methods, the movement of the sample is detected by means of an external sensor and, based on this, the countermovement is generated. A disadvantage of this method is that the sensory measurement of the movement takes place only locally and thus not all components of the movement of the entire system are taken into account. In addition, the measurement of the movement does not take place at the location of the data acquisition, so that relative movements between the measuring point of the external sensor and the receiving area of the microscope are not taken into account.
Zudem ist es aus der Praxis bekannt, das Auftreten von Bewegungsartefakten durch Triggern der Aufnahmen zu unterdrücken. Als Triggersignal kann beispielsweise ein Elektrokardiogramm (EKG) oder ein Taktgeber eines Beatmungsgeräts herangezogen werden, welche jeweils im Wesentlichen mit einer entsprechenden Bewegung der Probe synchron laufen. Die Bildaufnahme wird dann immer mit einer festen relativen Phase zum Zyklus der Bewegung aufgenommen. Nachteilig hierbei ist, dass die Bildwiederholzeit auf die Periodizität des Bewegungsmusters beschränkt ist, was die erreichbare Zeitauflösung beschränkt. Zudem führen Bewegungen der Probe, die dem periodischen Muster nicht folgen, trotzdem zu Bewegungsartefakten in den Aufnahmen. In addition, it is known from practice to suppress the occurrence of motion artifacts by triggering the recordings. As a trigger signal, for example, an electrocardiogram (ECG) or a clock of a ventilator can be used, which each substantially synchronously with a corresponding movement of the sample. The image acquisition is then always recorded with a fixed relative phase to the cycle of the movement. The disadvantage here is that the image repetition time is limited to the periodicity of the movement pattern, which limits the achievable time resolution. In addition, movements of the sample that do not follow the periodic pattern still cause motion artifacts in the images.
Als post-processing-Verfahren ist es auch bekannt, nach dem Aufnehmen einer zeitaufgelösten Bilderserie ein Masterbild zu extrahieren. Bezüglich dieses Masterbilds wird durch Korrelationsverfahren für jedes Einzelbild der Bilderserie ein lateraler Verschiebungsvektor berechnet. Die Einzelbilder werden dann um diesen Vektor rückverschoben. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass eine Verschiebung senkrecht zur Bildebene nicht kompensiert werden kann. Zudem leidet die Bildqualität durch die Undefinierte Ausrichtung zwischen Probe und Mikroskop während der Messung. Da während der Messzeit keine stabile Relativlage zwischen Probe und Mikroskop vorhanden ist, ist es auch nicht möglich, Stimulationsprozesse in der Probe genau lokalisiert auszuführen. As a post-processing method, it is also known to extract a master image after taking a time-resolved image series. With respect to this master image, a lateral displacement vector is calculated by correlation methods for each frame of the image series. The frames are then shifted backward by this vector. A disadvantage of this method is that a shift perpendicular to the image plane can not be compensated. In addition, the image quality suffers due to the undefined orientation between sample and microscope during the measurement. Since there is no stable relative position between sample and microscope during the measurement time, it is also not possible to carry out stimulation processes in the sample precisely localized.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum zeitaufgelösten Mikroskopieren einer Probe bereitzustellen, welche das Aufnehmen von zeitaufgelösten Daten mit hoher Qualität auch dann erlauben, wenn die Probe nicht vollständig ortsfest oder bewegungslos vorliegt, so z. B. bei Anwendungen zur in-vivo Mikroskopie. It is an object of the invention to provide a device and a method for time-resolved microscopy of a sample, which allow the recording of time-resolved data with high quality, even if the sample is not completely stationary or motionless, such. In in vivo microscopy applications.
Diese Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung durch den Gegenstand von Anspruch 1 und bezüglich des Verfahrens durch den Gegenstand von Anspruch 1 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an. This object is achieved with respect to the device by the subject matter of claim 1 and with respect to the method by the subject matter of claim 11. The dependent claims indicate advantageous developments of the invention.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum zeitaufgelösten Mikroskopieren einer Probe um- fasst einen Probenhalter zur Aufnahme der Probe, ein Mikroskop, eine Einstelleinheit und eine Steuereinrichtung. Das Mikroskop weist eine Datenaufnahmeeinheit auf, die dazu ausgelegt ist, Daten aus einem von dem Mikroskop definierten Aufnahmebereich aufzunehmen. Die Datenaufnahmeeinheit kann beispielsweise eine CCD-Kamera oder einen Photomulti- plier aufweisen. Die Einstelleinheit ist zum veränderlichen Einstellen einer Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich und dem Probenhalter konfiguriert. Insbesondere kann die Einstelleinheit dazu ausgelegt sein, ausschließlich die Lage des Aufnahmebereichs oder ausschließlich die Lage des Probenhalters zu verändern. Alternativ kann die Einstelleinheit dazu ausgelegt sein, sowohl die Lage des Aufnahmebereichs als auch die Lage des Probenhalters einzustellen. Die Steuereinrichtung ist zum Ansteuern der Einstelleinheit und der Datenaufnahmeeinheit konfiguriert. Insbesondere kann die Steuereinrichtung eine Recheneinheit sowie eine Speichereinheit mit geeigneten Programminstruktionen umfassen. A device according to the invention for time-resolved microscopy of a sample comprises a sample holder for receiving the sample, a microscope, an adjustment unit and a control device. The microscope has a data acquisition unit which is designed to record data from a receiving area defined by the microscope. The data acquisition unit may comprise, for example, a CCD camera or a photomultiplier. The setting unit is configured to variably set a relative position between the receiving area and the sample holder. In particular, the setting unit can be designed to change only the position of the receiving area or only the position of the sample holder. Alternatively, the setting unit may be configured to adjust both the position of the receiving area and the position of the sample holder. The controller is configured to drive the setting unit and the data acquisition unit. In particular, the control device may comprise a computing unit and a memory unit with suitable program instructions.
Die Steuereinrichtung ist dazu konfiguriert, die Einstelleinheit und die Datenaufnahmeeinheit dazu anzusteuern, durch wiederholtes abwechselndes Aufnehmen von Daten durch die Datenaufnahmeeinheit und Verändern der Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich und dem Probenhalter einen Referenzdatensatz aufzunehmen. Zum Aufnehmen des Referenzdatensatzes steuert die Steuereinrichtung die Einstelleinheit und die Datenaufnahmeeinheit also derart an, dass mehrmals Daten aufgenommen werden, wobei zwischen den einzelnen Aufnahmen die Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich und dem Probenhalter kontrolliert verändert wird. Es ist dabei unerheblich, ob als erster Schritt Daten aufgenommen werden oder als erster Schritt die Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich und dem Probenhalter verändert wird. Es ist selbstverständlich möglich, dass zwischen zwei aufeinanderfolgenden Aufnahmen die Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich und dem Probenhalter in mehreren Schritten verändert wird. Zudem ist es denkbar, mehrere Aufnahmen zu tätigen, bevor die Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich und dem Probenhalter erneut verändert wird. Zusätzlich zu den aufgenommenen Daten kann jeweils die zugehörige Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich und dem Probenhalter gespeichert werden. Es kann auch ausreichend sein, jeweils die vor und/oder nach einer bestimmten Aufnahme durchgeführte Veränderung der Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich und dem Probenhalter zu speichern oder aus einem Programm zur Aufnahme des Referenzdatensatzes zu kennen, solange die Veränderungen der Relativlage nachträglich nachvollziehbar sind. The controller is configured to drive the adjustment unit and the data acquisition unit to acquire a reference data set by repeatedly alternately receiving data by the data acquisition unit and changing the relative position between the acquisition area and the sample holder. For recording the reference data record, the control device thus controls the setting unit and the data recording unit in such a way that data is recorded several times, wherein the relative position between the receiving area and the sample holder is changed in a controlled manner between the individual recordings. It is irrelevant whether as a first step data is recorded or as a first step, the relative position between the receiving area and the sample holder is changed. It is of course possible that between two successive shots, the relative position between the receiving area and the sample holder is changed in several steps. In addition, it is conceivable to take several shots before the relative position between the receiving area and the sample holder is changed again. In addition to the recorded data, in each case the associated relative position between the receiving area and the sample holder can be stored. It may also be sufficient to store in each case the change in the relative position between the receiving area and the sample holder carried out before and / or after a specific recording, or to know it from a program for recording the reference data set, as long as the changes in the relative position are subsequently comprehensible.
Die Steuereinrichtung ist des Weiteren dazu konfiguriert, nach der Aufnahme des Referenzdatensatzes den Referenzdatensatz zur Charakterisierung einer Umgebung einer bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe auszuwerten. Die bevorzugte Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe kann der Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe entsprechen, bei der eine Aufnahme des Referenzdatensatzes einen zu untersuchenden Bereich der Probe besonders gut darstellt. Die Auswahl der bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe kann manuell oder automatisch nach jeweils gewünschten Kriterien anhand des Referenzdatensatzes erfolgen, beispielsweise durch Auswahl einer Aufnahme des Referenzdatensatzes. Es ist nicht zwingend erforderlich, dass die entsprechende gegenseitige räumliche Relation zwischen dem Aufnahmebereich und der Probe der bevorzugten Relativlage tatsächlich bekannt ist. Um die Umgebung der bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe möglichst genau charakterisieren zu können, ist es vorteilhaft, wenn der Referenzdatensatz eine möglichst große Anzahl von Aufnahmen aufweist, die jeweils unterschiedlichen Relativlagen zwischen dem Aufnahmebereich und dem Probenhalter zugeordnet sind. Beispielsweise kann der Referenzdatensatz mehr als 20, mehr als 50, mehr als 100, mehr als 150, mehr als 200 oder mehr als 500 Aufnahmen aufweisen. The control device is further configured to evaluate the reference data set for characterizing an environment of a preferred relative position of the recording area with respect to the sample after the recording of the reference data record. The preferred relative position of the receiving area with respect to the sample may correspond to the relative position of the receiving area with respect to the sample, in which a recording of the reference data set particularly well represents a region of the sample to be examined. The selection of the preferred relative position of the receiving area with respect to the sample can be done manually or automatically according to respectively desired criteria based on the reference data set, for example by selecting a recording of the reference data set. It is not absolutely necessary that the corresponding mutual spatial relationship between the receiving area and the sample of the preferred relative position is actually known. In order to be able to characterize the environment of the preferred relative position of the recording area with respect to the sample as accurately as possible, it is advantageous if the reference data record has as large a number of recordings as possible which are assigned to different relative positions between the recording area and the sample holder. For example, the reference data set may have more than 20, more than 50, more than 100, more than 150, more than 200, or more than 500 shots.
Da mittels des Referenzdatensatzes die Umgebung der bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe charakterisiert wird, ist es vorteilhaft, wenn der Referenzdatensatz möglichst schnell aufgenommen wird. Vorzugsweise ist die Zeit, innerhalb der der Referenzdatensatz aufgenommen wird, klein gegenüber einer charakteristischen Zeit, innerhalb der eine relevante Bewegung der Probe abläuft. Insbesondere bei Anwendungen zur in-vivo Mikroskopie kann das Aufnehmen des Referenzdatensatzes gegenüber einer Periodizität eines Pulsschlags oder einer Atmung des Versuchsobjekts klein sein, beispielsweise um einen Faktor von zumindest 20, von zumindest 15, von zumindest 10, oder von zumindest 5 kleiner. Durch eine ausreichend schnelle Aufnahme des Referenzdatensatzes kann die Genauigkeit der Charakterisierung der Umgebung der bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe erhöht werden, da die Einflüsse der intrinsischen Bewegung der Probe auf den Referenzdatensatz minimiert werden. In der Praxis ist es im Allgemeinen nicht möglich, den Referenzdatensatz derart schnell aufzunehmen, dass von Bewegungen der Probe herrührende Effekte keinen Niederschlag in den Aufnahmen des Referenzdatensatzes finden. Die Charakterisierung der Umgebung der bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe kann daher in der Praxis von Bewegungsartefakten beeinflusst sein. Dennoch kann basierend auf dem ausgewerteten Referenzdatensatz, wie weiter unten beschrieben, eine Positionsstabilisierung bei einer nachfolgenden Aufnahme eines Messdatensatzes erfolgen, welche die Qualität der Aufnahmen des Messdatensatzes deutlich verbessert. Since the environment of the preferred relative position of the recording area in relation to the sample is characterized by means of the reference data record, it is advantageous if the reference data record is recorded as quickly as possible. Preferably, the time within which the reference data set is taken is small compared to a characteristic time within which a relevant movement of the sample takes place. In particular, in in vivo microscopy applications, the recording of the reference data set may be small with respect to a periodicity of a pulse beat or respiration of the test subject, for example a factor of at least 20, at least 15, at least 10, or at least 5 smaller. By recording the reference data set sufficiently fast, the accuracy of the characterization of the environment of the preferred relative position of the recording area with respect to the sample can be increased since the influences of the intrinsic movement of the sample on the reference data record are minimized. In practice, it is generally not possible to record the reference data set so fast that effects resulting from movements of the sample will not be reflected in the recordings of the reference data set. The characterization of the environment of the preferred relative position of the receiving area with respect to the sample can therefore be influenced in practice by motion artifacts. Nevertheless, based on the evaluated reference data set, as described below, a position stabilization can take place during a subsequent acquisition of a measurement data set which significantly improves the quality of the recordings of the measurement data set.
Gemäß einer Ausführungsform wäre es denkbar, die Aufnahmen des Referenzdatensatzes getriggert vorzunehmen, wobei das Triggersignal eine periodischen Bewegung der Probe abbildet, so beispielsweise einen Herzschlag oder eine Atmung eines Versuchstiers. Die Aufnahmen des Referenzdatensatzes könnten gemäß einer solchen Ausführungsform alle eine feste Phase in Bezug auf die periodische Bewegung der Probe haben, so dass Bewegungsartefakte in dem Referendatensatz weiter unterdrückt werden. Die mit einem getriggerten Aufnehmen einhergehende Verlangsamung der Messung kann bei der Aufnahme des Referenzdatensatzes hingenommen werden. Die Steuereinrichtung ist dazu konfiguriert, nach dem Auswerten des Referenzdatensatzes zum Aufnehmen eines Messdatensatzes mehrmals iterativ die nachfolgend beschriebenen Schritte a), b) und c) durchzuführen. According to one embodiment, it would be conceivable to make the recordings of the reference data record triggered, wherein the trigger signal depicts a periodic movement of the sample, for example a heartbeat or a respiration of a test animal. The recordings of the reference data set, according to such an embodiment, could all have a fixed phase with respect to the periodic movement of the sample, so that motion artifacts in the referendum record are further suppressed. The slowing down of the measurement associated with a triggered recording can be accepted when recording the reference data set. The control device is configured to iteratively perform the subsequently described steps a), b) and c) several times after the evaluation of the reference data record for recording a measurement data record.
Bei Schritt a) steuert die Steuereinrichtung die Datenaufnahmeeinheit zum Aufnehmen von Daten an. At step a), the controller controls the data acquisition unit to acquire data.
In Schritt b) wird ein Verschiebungsvektor zwischen der bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe und einer aktuellen Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe basierend auf den in Schritt a) aufgenommenen Daten und dem ausgewerteten Referenzdatensatz bestimmt. In step b), a displacement vector between the preferred relative position of the recording area with respect to the sample and a current relative position of the recording area with respect to the sample is determined based on the data recorded in step a) and the evaluated reference data set.
In Schritt c) wird die Einstelleinheit zum Verändern der Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich und dem Probenhalter derart angesteuert, dass der in Schritt b) bestimmte Verschiebungsvektor zumindest teilweise ausgeglichen wird. In step c), the setting unit for changing the relative position between the receiving area and the sample holder is controlled in such a way that the displacement vector determined in step b) is at least partially compensated.
Es erfolgt also live beim Aufnehmen des Messdatensatzes zwischen einzelnen Aufnahmen immer wieder eine Korrektur der Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich und dem Probenhalter. Somit kann eine Bewegung der Probe, welche zu einem unerwünschten Verschieben der Relativlage zwischen der Probe und dem Aufnahmebereich zwischen aufeinanderfolgenden Aufnahmen des Messdatensatzes führt, live während der Messung zumindest teilweise ausgeglichen werden. Daher werden Aufnahmen mit stark erhöhter Qualität erhalten. Ein Auswerten der erhaltenen Daten wird stark vereinfacht, da Bewegungsartefakte durch die Korrekturen der Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich und dem Probenhalter während der Messung bereits unterdrückt werden. Thus, there is always a correction of the relative position between the recording area and the sample holder during recording of the measurement data record between individual recordings. Thus, a movement of the sample, which leads to an undesired shifting of the relative position between the sample and the recording area between successive recordings of the measurement data set, can be at least partially compensated live during the measurement. Therefore, recordings are obtained with greatly increased quality. An evaluation of the data obtained is greatly simplified, since movement artefacts are already suppressed by the corrections of the relative position between the receiving area and the sample holder during the measurement.
Mit der Erfindung können gegenüber einem Vorgehen, bei dem ein externes Referenzsignal zur Bewegungskorrektur oder als Trigger für die Messaufnahmen genutzt wird, bessere Ergebnisse erreicht werden, da die Bewegungskorrektur aus den Aufnahmen berechnet wird und somit eine direkte Korrektur erfolgt, ohne dass weitere Annahmen zu einem Zusammenhang zwischen einem gewählten Sensormesswert oder einer gewählten Triggerbedingung und einer tatsächlichen Bewegung der Probe getroffen werden müssen. With the invention, better results can be achieved compared to a procedure in which an external reference signal is used for movement correction or as a trigger for the measurement recordings, since the motion correction is calculated from the recordings and thus a direct correction takes place without further assumptions on a Relationship between a selected sensor reading or a selected trigger condition and an actual movement of the sample must be made.
Es ist denkbar, aber nicht zwingend erforderlich, dass die Schritte a), b) und c) strikt getrennt zeitlich hintereinander ausgeführt werden. Beispielsweise wäre es möglich, dass das Aufnehmen von Daten in Schritt a) einer Iteration bereits vor Beendigung des Verstellens der Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich und dem Probenhalter in Schritt c) der vorheri- gen Iteration erfolgt, um bei einer langen Berechnungs- oder Verfahrdauer eine Bildaufnahmerate einhalten zu können. Es wäre also denkbar, dass eine Positionskorrektur erst in einem späteren Bild zum Tragen kommt, das Nachregeln der Relativlage zwischen Aufnahmebereich und Probe also gewissermaßen hinterherläuft. Dennoch erfolgt live während der Aufnahme des Messdatensatzes eine Bewegungskorrektur. It is conceivable, but not mandatory, for steps a), b) and c) to be executed strictly separately in chronological succession. For example, it would be possible for data to be recorded in step a) of an iteration before completion of the adjustment of the relative position between the receiving area and the sample holder in step c) of the preceding step. Iteration takes place in order to be able to comply with an image acquisition rate for a long calculation or traversing time. It would therefore be conceivable that a position correction comes into effect only in a later image, the readjustment of the relative position between the recording area and the sample, so to speak, runs after it. Nevertheless, a motion correction takes place live during the recording of the measurement data record.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu konfiguriert, bei dem Aufnehmen des Messdatensatzes in Schritt c) die Einstelleinheit derart anzusteuern, dass der Verschiebungsvektor zwischen der bevorzugten und der aktuellen Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe zumindest im Wesentlichen zu Null ausgeglichen wird. Hierdurch wird erreicht, dass die Relativlage zwischen Aufnahmebereich und Probe während der Aufnahme des Messdatensatzes möglichst konstant gehalten wird. Dies eignet sich besonders zum stabilisierten Aufnehmen einer Zeitserie, welche immer denselben Bildausschnitt der Probe zeigen soll. According to one embodiment, the control device is configured to control the setting unit when recording the measurement data set in step c) in such a way that the displacement vector between the preferred and the current relative position of the recording area is at least substantially equalized to zero with respect to the sample. This ensures that the relative position between receiving area and sample is kept as constant as possible during the recording of the measured data set. This is particularly suitable for the stabilized recording of a time series, which should always show the same image section of the sample.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dagegen dazu konfiguriert, bei dem Aufnehmen des Messdatensatzes in Schritt c) die Einstelleinheit derart anzusteuern, dass der Verschiebungsvektor zwischen der bevorzugten und der aktuellen Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe zumindest im Wesentlichen zu einem vorbestimmten Versatzvektor ausgeglichen wird. Der Versatzvektor kann von Aufnahme zu Aufnahme, also von Iteration zu Iteration der Schritte a), b) und c), verschieden sein. Insbesondere kann der Betrag des Versatzvektors von Aufnahme zu Aufnahme um einen festen Inkrementwert steigen, während die Richtung des Versatzvektors konstant bleiben kann. Eine solche Ausführungsform eignet sich besonders zum stabilisierten Aufnehmen einer Zeitserie, welche von Aufnahme zu Aufnahme einen unterschiedlichen Bildausschnitt der Probe zeigt. In contrast, according to another embodiment, the control device is configured to control the setting unit when recording the measurement data set in step c) in such a way that the displacement vector between the preferred and the current relative position of the recording area with respect to the sample is at least substantially equal to a predetermined offset vector becomes. The offset vector can be different from recording to recording, ie from iteration to iteration of steps a), b) and c). In particular, the amount of offset vector from frame to frame may increase by a fixed increment value while the direction of the offset vector may remain constant. Such an embodiment is particularly suitable for the stabilized recording of a time series, which shows a different image section of the sample from picture to picture.
Es sind auch Mischformen denkbar, zum Beispiel derart, dass in bestimmten Iterationen von Schritt c) der Verschiebungsvektor zu Null ausgeglichen wird und in anderen Iterationen von Schritt c) der Verschiebungsvektor zu einem von Null verschiedenen Versatzvektor ausgeglichen wird. Mixed forms are also conceivable, for example such that in certain iterations of step c) the displacement vector is compensated to zero and in other iterations of step c) the displacement vector is compensated for a non-zero offset vector.
Es ist insbesondere denkbar, dass aus der Folge der während der wiederholten Bildaufnahme ermittelten Verschiebungsvektoren ein Regelkreis gemäß eines aus dem Stand der Technik bekannten Regelverfahrens, zum Beispiel eines PID- Verfahrens, durchgeführt wird, was zur Folge hat, dass die Bewegungskorrektur besonders schnell bzw. besonders genau erfolgt und eine Neigung zu Regelschwingungen verringert wird. Es kann auch von Vorteil sein, ein modellbasiertes Regelverhalten zu verwenden, bei dem Kenntnisse über die Art des Bewegungsverlaufes mit in das Regelverhalten eingebracht werden. So kann es von Vorteil sein, dass das System aus den aus der Vergangenheit bekannten Verschiebungsvektoren eine Regelmäßigkeit selber erkennt und somit mit diesem a priori Wissen und dem aktuell berechneten Verschiebungsvektor eine verbesserte Korrektur der Bewegungsartefakte erreichbar wird. It is in particular conceivable that a control loop according to a control method known from the prior art, for example a PID method, is carried out from the sequence of the displacement vectors determined during the repeated image recording, with the result that the motion correction is particularly fast or is particularly accurate and a tendency to control vibrations is reduced. It can also be beneficial be to use a model-based control behavior, in which knowledge about the type of movement history are incorporated into the control behavior. Thus, it may be advantageous that the system itself recognizes a regularity from the displacement vectors known from the past, and thus an improved correction of the motion artifacts can be achieved with this a priori knowledge and the currently calculated displacement vector.
Gemäß einer einfachen Ausführungsform wird der Messdatensatz zur späteren Auswertung des Experiments herangezogen. Vorteilhaft hierbei ist, dass die Bewegungsstabilisierung bei einem solchen Vorgehen direkt auf der eigentlichen Messung beruht und somit besonders effizient ist. According to a simple embodiment, the measurement data set is used for later evaluation of the experiment. The advantage here is that the motion stabilization in such a procedure is based directly on the actual measurement and thus is particularly efficient.
Es wäre aber auch denkbar, dass neben dem dem Referenzdatensatz und dem Messdatensatz zugeordneten Messkanal (im Folgenden: Stabilisierungskanal) ein zusätzlicher Messkanal (im Folgenden: Experimentkanal) vorgesehen ist. Der Stabilisierungskanal kann dann zur Bewegungsstabilisierung verwendet werden und die eigentlichen Daten des Experiments können über den Experimentkanal erhalten werden. Es ist insbesondere bei einer solchen Ausführungsform nicht notwendigerweise erforderlich, dass die Aufnahmen des Messdatensatzes auch gespeichert werden. Dennoch ist ein Speichern des Messdatensatzes denkbar. Der Stabilisierungskanal und der Experimentkanal können Messkananäle desselben Mikroskops sein und beispielsweise als verschiedene Farbkanäle ausgebildet sein. Vorteilhaft hierbei ist, dass der Stabilisierungskanal derart ausgelegt sein kann, dass er vornehmlich nicht-dynamische Signale detektiert, die ausschließlich von einer Bewegung der Probe herrühren, aber gegenüber der eigentlich zu untersuchenden Dynamik relativ unempfindlich ist. Der Experimentkanal kann dagegen derart ausgelegt sein, dass er vornehmlich Signale detektiert, die von der zu untersuchenden Dynamik stammen. However, it would also be conceivable for an additional measuring channel (hereinafter: experimental channel) to be provided in addition to the measuring channel assigned to the reference data set and the measured data record (in the following: stabilizing channel). The stabilization channel can then be used for motion stabilization and the actual data of the experiment can be obtained via the experimental channel. In particular, in such an embodiment, it is not necessarily required that the recordings of the measurement data record are also stored. Nevertheless, storing the measurement data record is conceivable. The stabilization channel and the experiment channel may be measurement channels of the same microscope and may be formed, for example, as different color channels. It is advantageous here that the stabilization channel can be designed in such a way that it primarily detects non-dynamic signals which originate exclusively from a movement of the sample, but which are relatively insensitive to the dynamics actually to be investigated. By contrast, the experiment channel can be designed such that it primarily detects signals which originate from the dynamic to be investigated.
Die Einstelleinheit kann eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfassen: eine als motorisierte Antriebseinrichtung oder als piezogetriebener Fokustrieb ausgebildete Objektiv- Antriebseinrichtung zur Veränderung der Lage eines Objektivs des Mikroskops, eine Probenhalter-Antriebseinrichtung zur insbesondere motorisierten Veränderung der Lage des Probenhalters, eine Linse mit veränderlich einstellbarer Brennweite, einen adaptiven Spiegel im Strahlengang des Mikroskops, oder ein Piezo-Dreibein zur dreidimensionalen Verschiebung des Objektivs des Mikroskops. Grundsätzlich ist alle Maßnahmen als Teile der Einstelleinheit geeignet, die eine relative Verschiebung des Aufnahmebereiches gegenüber dem Objekt ermöglichen. Dem Fachmann stehen hier über die genannten Maßnahmen hinaus verschiedene weitere Maßnahmen zur Verfügung. Es sind beliebige Kombinationen der genannten Komponenten denkbar. Motorisierte Antriebseinrichtungen sind verhältnismäßig robust und können einfach integriert und angesteuert werden. Für besonders genaue Messergebnisse können bei bestimmten Anwendungen piezogetriebene Einstellelemente vorteilhaft sein, da diese besonders schnell einstellbar sind. Ist das Mikroskop als Laserscanningmikroskop ausgebildet, kann die Einstelleinheit auch dazu ausgelegt sein, ein Offset auf eine Steuerspannung des Scannerspiegels oder der Scannerspiegel zu addieren, um den Aufnahmebereich zu verschieben. Bei kamerabasierten Mikroskopen kann auch der Kamerachip oder die gesamte Kamera oder alternativ die Tubuslinse verschoben werden, um den Aufnahmebereich zu verschieben. The adjustment unit may comprise one or more of the following components: a lens drive device designed as a motorized drive device or a piezo-driven focus drive for changing the position of an objective of the microscope, a sample holder drive device for in particular motorized modification of the position of the sample holder, a lens with variably adjustable Focal length, an adaptive mirror in the beam path of the microscope, or a piezo tripod for three-dimensional displacement of the lens of the microscope. Basically, all measures are suitable as parts of the setting unit, which allow a relative displacement of the receiving area relative to the object. The skilled person is beyond the measures mentioned here various other measures available. There are any combinations of said components conceivable. Motorized drive devices are relatively robust and can be easily integrated and controlled. For particularly accurate measurement results may be advantageous in certain applications piezogetriebene adjustment because they are very fast adjustable. If the microscope is designed as a laser scanning microscope, the setting unit can also be designed to add an offset to a control voltage of the scanner mirror or the scanner mirror in order to shift the recording area. In the case of camera-based microscopes, the camera chip or the entire camera or, alternatively, the tube lens can be moved to move the recording area.
Gemäß einer einfachen Ausführungsform ist es ausreichend, wenn mittels der Einstelleinheit die Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich und dem Probenhalter durch eine relative Linearbewegung entlang einer optischen Achse des Mikroskops veränderlich ist. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass die einzelnen Aufnahmen des Messdatensatzes immer den gewünschten Probenausschnitt in guter Bildqualität zeigen. Um die Bewegungskorrektur noch zu verbessern, ist es allerdings vorteilhaft, wenn die Einstelleinheit mehr Freiheitsgrade aufweist, also die Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich und dem Probenhalter in mehreren Dimensionen veränderlich ist. Beispielsweise kann zusätzlich oder alternativ zu einer Relativverschiebung entlang der optischen Achse des Mikroskops eine laterale Verschiebung zwischen dem Aufnahmebereich und dem Probenhalter und/oder ein Verkippen oder Rotieren der Relativlage zwischen Aufnahmebereich und Probenhalter möglich sein. Hierdurch können auch Bewegungen der Probe ausgeglichen werden, welche nicht parallel zur optischen Achse des Mikroskops verlaufen. According to a simple embodiment, it is sufficient if, by means of the setting unit, the relative position between the receiving area and the sample holder is variable by a relative linear movement along an optical axis of the microscope. This ensures that the individual recordings of the measurement data set always show the desired sample detail in good image quality. However, in order to improve the movement correction, it is advantageous if the setting unit has more degrees of freedom, that is, the relative position between the receiving area and the sample holder is variable in several dimensions. For example, additionally or alternatively to a relative displacement along the optical axis of the microscope, a lateral displacement between the receiving area and the sample holder and / or a tilting or rotating of the relative position between receiving area and sample holder may be possible. As a result, movements of the sample can be compensated, which do not run parallel to the optical axis of the microscope.
Gemäß einer Ausführungsform entspricht ein Aufnahmebereich jeweils einer zweidimensionalen Fläche im Raum. Insbesondere kann der Aufnahmebereich in einer jeweiligen Fokusebene des Mikroskops liegen. In einer solchen Ausführungsform kann die Datenaufnahme- einheit beispielsweise eine CCD-Kamera zum Aufnehmen des Referenzdatensatzes und des Messdatensatzes aufweisen. Es wäre aber auch denkbar, dass das Mikroskop als Laserscanningmikroskop ausgebildet ist, bei dem ein Scanner zum Abscannen des zweidimensionalen Aufnahmebereichs mit Anregungslicht vorgesehen ist und die Datenaufnahme- einheit einen Photomultiplier zum Aufnehmen von entsprechendem Signallicht umfasst. Das Laserscanningmikroskop kann dabei z.B. ein konfokales Mikroskop oder ein Multiphotonen- mikroskop sein. Als Scanner können beispielsweise galvanometrische Scanner, resonante Scanner, Polygonscanner oder auch akustooptische Scanner eingesetzt werden. Im Fall des Einsatzes von akustooptischen Scannern kann eine Verschiebung des Aufnahmebereiches in allen drei Dimensionen mittels einer Anpassung der Ansteuerparameter des Scanners erfolgen. According to one embodiment, a receiving area corresponds in each case to a two-dimensional area in space. In particular, the receiving area can lie in a respective focal plane of the microscope. In such an embodiment, the data acquisition unit can have, for example, a CCD camera for recording the reference data record and the measurement data record. However, it would also be conceivable that the microscope is embodied as a laser scanning microscope in which a scanner for scanning the two-dimensional recording area with excitation light is provided and the data recording unit comprises a photomultiplier for recording corresponding signal light. The laser scanning microscope can be eg a confocal microscope or a multiphoton microscope. For example, galvanometric scanners, resonant scanners, polygon scanners or acousto-optical scanners can be used as scanners. In the case of Using acousto-optical scanners, a shift of the recording area in all three dimensions can take place by means of an adaptation of the control parameters of the scanner.
Alternativ kann ein Aufnahmebereich jeweils einem Linien- oder Polygonscanpfad im Raum entsprechen. Wenn hier über einen Linien- über Polygonscanpfad gesprochen wird, kann ein Abscannen einer Folge von einzelnen Punkten im Raum eingeschlossen sein. Eine Veränderung der Lage des Aufnahmebereichs im Raum kann durch ein lineares Verschieben des Linien- oder Polygonscanpfads erfolgen. Insbesondere kann das Mikroskop als Laserscanningmikroskop mit einem Scanner ausgebildet ist, der dazu konfiguriert ist, bei einer Aufnahme den Linien- oder Polygonscanpfad mit Anregungslicht abzufahren. Die Da- tenaufnahmeeinheit kann einen Photomultiplier zum Aufnehmen von entsprechendem Signallicht umfassen. Zum Verstellen des Aufnahmebereichs kann beispielsweise der Startpunkt, an dem der Scanner mit dem Abfahren des Scanpfads beginnt, verändert werden. Alternatively, a capture area may correspond to a line or polygon scan path in space, respectively. When talking about a line over polygon scan path, a scan of a sequence of individual points may be included in the space. A change in the position of the recording area in the room can be done by linear displacement of the line or Polygonskanpfads. In particular, the microscope can be embodied as a laser scanning microscope with a scanner that is configured to scan the line or polygon scanning path with excitation light during a recording. The data acquisition unit may comprise a photomultiplier for receiving corresponding signal light. To adjust the recording area, for example, the starting point at which the scanner begins to scan path to be changed.
Es sind auch Mischformen denkbar. Zum Beispiel kann bei der Aufnahme des Referenzdatensatzes ein Aufnahmebereich einer zweidimensionalen Fläche im Raum entsprechen und bei der Aufnahme des Messdatensatzes ein Aufnahmebereich einem Linien- oder Polygonscanpfad im Raum entsprechen. Mixed forms are also conceivable. For example, when recording the reference data set, a recording area may correspond to a two-dimensional area in space, and when recording the measurement data set, a recording area may correspond to a line or polygon scanning path in space.
Die Steuereinrichtung kann dazu konfiguriert sein, die Einstelleinheit derart anzusteuern, dass das Verändern der Relativlage zwischen Aufnahmebereich und Probenhalter beim Aufnehmen des Referenzdatensatzes jeweils einer linearen Verschiebung des Aufnahmebereichs relativ zu dem Probenhalter entlang einer optischen Achse des Mikroskops entspricht. In einer solchen Ausführungsform wird während der Aufnahme des Referenzdatensatzes eine Mehrzahl von Aufnahmen mit jeweils zueinander verschobener Schärfeebene getätigt. Anhand der so gewonnenen Informationen kann während dem nachfolgenden Aufnehmen des Messdatensatzes die Lage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe stabilisiert werden. The control device may be configured to control the setting unit such that changing the relative position between the receiving area and the sample holder during recording of the reference data set corresponds in each case to a linear displacement of the receiving area relative to the sample holder along an optical axis of the microscope. In such an embodiment, during the recording of the reference data record, a plurality of recordings are taken, each with a mutually shifted focal plane. On the basis of the information thus obtained, the position of the receiving area with respect to the sample can be stabilized during the subsequent recording of the measured data record.
Die Steuereinrichtung kann dazu konfiguriert sein, die Einstelleinheit und die Datenaufnah- meeinheit derart anzusteuern, dass als Referenzdatensatz eine Serie von gegeneinander verschobenen Linien- oder Polygonscans aufgenommen wird. Die Linien- oder Polygonscans können linear gegeneinander verschoben sein, insbesondere in lateraler Richtung und/oder entlang einer optischen Achse des Mikroskops. Die Steuereinrichtung kann dazu konfiguriert sein, die Einstelleinheit derart anzusteuern, dass das Verändern der Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich und dem Probenhalter beim Aufnehmen des Messdatensatzes zumindest eine Verschiebung des Aufnahmebereichs relativ zu dem Probenhalter entlang einer optischen Achse des Mikroskops umfasst. The control device can be configured to control the setting unit and the data recording unit in such a way that a series of line or polygon scans offset from one another is recorded as a reference data record. The line or polygon scans can be linearly offset from each other, in particular in the lateral direction and / or along an optical axis of the microscope. The control device may be configured to control the setting unit such that changing the relative position between the receiving area and the sample holder during recording of the measurement data set comprises at least one displacement of the recording area relative to the sample holder along an optical axis of the microscope.
Der Messdatensatz kann einer zeitaufgelösten zweidimensionalen Bilderserie entsprechen. The measurement data set can correspond to a time-resolved two-dimensional image series.
Der Messdatensatz kann einer zeitaufgelösten Serie von Linien oder Polygonscans entsprechen. Durch die Erfindungsgemäße Bewegungskorrektur können unerwünschte Bewegungsartefakte unterdrückt werden, die aus einer Veränderung der Lage des Linien- oder Polygonscanpfads in Bezug auf die Probe durch eine intrinsische Bewegung der Probe entstehen. The measurement data set may correspond to a time-resolved series of lines or polygon scans. The inventive movement correction can suppress unwanted motion artifacts resulting from a change in the position of the line or polygon scan path with respect to the sample due to an intrinsic motion of the sample.
Die Steuereinrichtung kann gemäß einer Ausführungsform dazu konfiguriert sein, beim Auswerten des Referenzdatensatzes mittels Datenanalyse für zumindest mehrere der den Referenzdatensatz bildenden Aufnahmen jeweils einen Verschiebungsvektor zwischen der bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe und einer der jeweiligen Aufnahme zugeordneten Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe zu ermitteln. In one embodiment, the control device may be configured to analyze the reference data set by data analysis for at least several of the recordings forming a reference data record between the preferred relative position of the recording area with respect to the sample and a relative position of the recording area associated with the respective recording to determine the sample.
Es kann beim Auswerten des Referenzdatensatzes beispielsweise zunächst eine Aufnahme ausgewählt werden, welche der bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe entspricht. Die Auswahl kann manuell oder automatisch nach prinzipiell beliebigen Gesichtspunkten erfolgen. Es kann beispielsweise die Aufnahme ausgewählt werden, auf der ein besonders interessanter Bereich der Probe möglichst scharf und vollständig abgebildet ist. Anschließend kann die Steuereinrichtung für zumindest mehrere der verbleibenden Aufnahmen des Referenzdatensatzes den Verschiebungsvektor zwischen der bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe und der der jeweiligen Aufnahme zugeordneten Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe ermitteln, da der Steuereinrichtung bekannt ist, auf welche Art und Weise die Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich und dem Probenhalter zwischen den einzelnen Aufnahmen des Referenzdatensatzes durch Ansteuern der Einstelleinheit verändert wurde. For example, when evaluating the reference data record, it is initially possible to select a recording which corresponds to the preferred relative position of the recording area with respect to the sample. The selection can be made manually or automatically according to basically any aspect. For example, the image can be selected on which a particularly interesting region of the sample is imaged as sharply and completely as possible. Subsequently, for at least several of the remaining recordings of the reference data record, the control device can determine the displacement vector between the preferred relative position of the recording area with respect to the sample and the relative position of the recording area associated with the respective recording with respect to the sample, since the control device knows in which way and the relative position between the receiving area and the sample holder has been changed between the individual recordings of the reference data record by driving the setting unit.
Wenn nach dem Aufnehmen einer Aufnahme des Messdatensatzes der Verschiebungsvektor zwischen der bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe und der aktuellen Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe bestimmt werden soll, kann die Steuereinrichtung die aktuelle Aufnahme mit den einzelnen Aufnahmen des Referenzdatensatzes vergleichen. When, after taking a picture of the measurement data set, the displacement vector between the preferred relative position of the recording area with respect to the sample and the current relative position of the recording area with respect to the sample are determined should, the controller can compare the current recording with the individual recordings of the reference data set.
Gemäß einer einfachen Ausführungsform bestimmt die Steuereinrichtung anhand von Auswertekriterien eine Aufnahme des Referenzdatensatzes, deren Verschiebung gegenüber der bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe am besten mit der Verschiebung der aktuellen Aufnahme gegenüber der bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe übereinstimmt. Diese Auswahl einer Aufnahme des Referenzdatensatzes kann mittels verschiedener Verfahren der Bildverarbeitung erfolgen und insbesondere auf einem Korrelationsverfahren und/oder einem Intensitätsvergleich zwischen den Aufnahmen basieren. Zum Ansteuern der Einstelleinheit zum Verändern der Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich und dem Probenhalter zum zumindest teilweisen Ausgleichen des aktuellen Verschiebungsvektors vor der nächsten Aufnahme kann die Steuereinheit auf den der ausgewählten Aufnahme des Referenzdatensatzes zugeordneten Verschiebevektor zurückgreifen. According to a simple embodiment, the control device determines, based on evaluation criteria, a recording of the reference data record whose displacement relative to the preferred relative position of the recording area with respect to the sample best matches the displacement of the current recording with respect to the preferred relative position of the recording area with respect to the sample. This selection of a recording of the reference data record can take place by means of various methods of image processing and in particular based on a correlation method and / or an intensity comparison between the recordings. For controlling the setting unit for changing the relative position between the receiving area and the sample holder for at least partially compensating the current displacement vector before the next recording, the control unit can resort to the displacement vector associated with the selected recording of the reference data set.
Durch Interpolieren zwischen den einzelnen Aufnahmen des Referenzdatensatzes und/oder Glätten des Referenzdatensatzes lässt sich gemäß einer weiterentwickelten Ausführungsform eine noch bessere Bewegungskompensation erreichen. Beispielsweise könnte die Steuereinrichtung dazu konfiguriert sein, beim Auswerten des Referenzdatensatzes mittels Datenanalyse von einer Aufnahme des Referenzdatensatzes ausgehend, die zu einer bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe korrespondiert, basierend auf den Daten der übrigen Aufnahmen des Referenzdatensatzes und den bekannten Verschiebungsvektoren zwischen den einzelnen Aufnahmen an mehreren Merkmalspunkten dreidimensionale Intensitätsgradienten zu berechnen. Basierend auf den Intensitätsgradienten könnten an den Merkmalspunkten lokale Taylor-Entwicklungen der Intensität bestimmt werden. By interpolating between the individual recordings of the reference data record and / or smoothing the reference data record, an even better motion compensation can be achieved according to a further developed embodiment. For example, in evaluating the reference data record, the control device could be configured by data analysis from a recording of the reference data record corresponding to a preferred relative position of the recording area with respect to the sample, based on the data of the remaining recordings of the reference data record and the known displacement vectors between the two single images at several feature points to calculate three-dimensional intensity gradients. Based on the intensity gradients, local Taylor developments of intensity could be determined at the feature points.
Während der Aufnahme des Messdatensatzes könnte durch die Steuereinheit eine Differenz zwischen den lokalen Taylor-Entwicklungen der Intensitäten an den Merkmalspunkten und den Intensitäten der jeweils aktuellen Aufnahme an den Merkmalspunkten minimiert werden, beispielsweise mittels eines Least-Square-Verfahrens, und so eine globale Schätzung für den aktuellen Verschiebungsvektor erhalten werden. During the acquisition of the measurement data set, the control unit could minimize a difference between the local Taylor developments of the intensities at the feature points and the intensities of the respective current image at the feature points, for example by means of a least square method, and thus a global estimate for the current displacement vector is obtained.
Das Bestimmen bzw. Schätzen des aktuellen Verschiebungsvektors durch die Steuereinrichtung kann auch iterativ erfolgen. Optional kann die Steuereinrichtung hierzu eine Grafikkarte umfassen. Die Anzahl und Auswahl der Merkmalspunkte kann über die Iterationen hinweg konstant sein oder kann auch angepasst werden. Insbesondere besteht die Möglichkeit, die Iteration in verschiedenen Auflösungsstufen durchzuführen, wobei sich ein Vorgehen gemäß einer Bildpyramide anbietet. Die Bildpyramide kann in dem aktuell zu analysierenden Bild des Messdatensatzes berechnet werden und in gleicher Weise im Referenzdatensatz. Die Iteration kann zunächst innerhalb einer Vergrößerungsstufe erfolgen und dann schrittweise in höheren Vergrößerungsstufen der Bildpyramide fortgesetzt werden. The estimation of the current displacement vector by the control device may also be iterative. Optionally, the control device for this purpose include a graphics card. The number and selection of feature points can be over the iterations be constant or can also be customized. In particular, it is possible to perform the iteration in different resolution levels, offering a procedure according to a picture pyramid. The image pyramid can be calculated in the currently analyzed image of the measurement data set and in the same way in the reference data set. The iteration can first take place within a magnification stage and then be continued step by step in higher magnification levels of the image pyramid.
Weiterhin besteht die Möglichkeit der Unterdrückung von Bildrauschen und der Glättung, sowohl der Aufnahmen des Referenzdatensatzes als auch der Aufnahmen des Messdatensatzes. Vorzugsweise wird eine Glättung in beiden Datensätzen nur lokal an den Merkmalspunkten berechnet. So kann die Glättung innerhalb kurzer Zeit durchgeführt werden. Furthermore, there is the possibility of suppressing image noise and smoothing, both the recordings of the reference data record and the recordings of the measured data record. Preferably, smoothing in both data sets is only calculated locally at the feature points. So the smoothing can be done within a short time.
Auf dem aktuellen geschätzten Verschiebungsvektor basierend kann die Einstelleinheit zum Verändern der Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich und dem Probenhalter angesteuert werden, um während des Aufnehmens des Messdatensatzes live eine Bewegungskorrektur durchzuführen. Based on the current estimated displacement vector, the adjustment unit for varying the relative position between the recording area and the sample holder can be actuated to perform motion correction during the recording of the measurement data record.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum zeitaufgelösten Mikroskopieren einer Probe. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zum Durchführen des Verfahrens geeignet, ausgelegt und konfiguriert. In Bezug auf die Vorrichtung beschriebene Merkmale lassen sich auf das Verfahren übertragen, und umgekehrt. The invention also relates to a method for time-resolved microscopy of a sample. The device according to the invention is suitable for carrying out the method, designed and configured. Features described with respect to the device can be transferred to the process, and vice versa.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum zeitaufgelösten Mikroskopieren einer Probe wird die Probe mit einem Probenhalter gehalten. Durch wiederholtes abwechselndes Aufnehmen von Daten aus einem von einem Mikroskop definierten Datenaufnahmebereich mittels einer Datenaufnahmeeinheit des Mikroskops und Verändern der Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich und dem Probenhalter, insbesondere mittels einer Einstelleinheit, wird ein Referenzdatensatz aufgenommen. Nach Aufnahme des Referenzdatensatzes wird der Referenzdatensatz, insbesondere mittels einer Steuereinrichtung, zur Charakterisierung einer Umgebung einer bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe ausgewertet. Nach dem Auswerten des Referenzdatensatzes werden zum Aufnehmen eines Messdatensatzes mehrmals iterativ die nachfolgend beschriebenen Schritte a), b) und c) durchgeführt. In a method according to the invention for time-resolved microscopy of a sample, the sample is held with a sample holder. By repeated alternately recording data from a data acquisition range defined by a microscope by means of a data acquisition unit of the microscope and changing the relative position between the receiving area and the sample holder, in particular by means of a setting unit, a reference data record is recorded. After recording the reference data record, the reference data record is evaluated, in particular by means of a control device, for characterizing an environment of a preferred relative position of the recording region with respect to the sample. After the evaluation of the reference data set, the following steps a), b) and c) are carried out iteratively several times to record a measured data record.
Bei Schritt a) werden mittels der Datenaufnahmeeinheit Daten aufgenommen. In Schritt b) wird ein Verschiebungsvektor zwischen der bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe und einer aktuellen Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe basierend auf den in Schritt a) aufgenommenen Daten und dem ausgewerteten Referenzdatensatz bestimmt. In step a), data is recorded by means of the data acquisition unit. In step b), a displacement vector between the preferred relative position of the recording area with respect to the sample and a current relative position of the recording area with respect to the sample is determined based on the data recorded in step a) and the evaluated reference data set.
In Schritt c) wird die Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich und dem Probenhalter zum zumindest teilweisen Ausgleichen des aktuellen Verschiebungsvektors verändert. In step c), the relative position between the receiving area and the sample holder for at least partially compensating the current displacement vector is changed.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der obenstehenden Beschreibung der Vorrichtung sowie aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Advantageous developments of the method according to the invention will become apparent from the above description of the device and from the following description of the figures.
Die Erfindung ist beispielsweise auf Weitfeldmikroskopie, insbesondere Weitfeldmikroskopie mit hoher Apertur, Fluoreszenzmikroskopie, Laserscanning-Mikroskopie, Multiphotonenmik- roskopie und Lichtblattmikroskopie anwendbar. The invention is applicable, for example, to wide-field microscopy, in particular wide-field microscopy with high aperture, fluorescence microscopy, laser scanning microscopy, multiphoton micoscopy and light-sheet microscopy.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren weiter erläutert werden. Dabei zeigt: In the following, the invention will be explained with reference to embodiments with reference to the figures. Showing:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum zeitaufgelösten Mikroskopieren gemäß einer Ausführungsform mit einer kamerabasierten Datenaufnah- meeinheit; 1 shows a schematic representation of a device for time-resolved microscopy according to an embodiment with a camera-based Datenaufnahme unit;
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufnehmens eines Referenzdatensatzes gemäß einer Ausführungsform mit einer zweidimensionalen Fläche im Raum als Aufnahmebereich; FIG. 2 shows a schematic illustration for explaining the recording of a reference data record according to an embodiment with a two-dimensional surface in the space as a receiving region; FIG.
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum zeitaufgelösten Mikroskopieren gemäß einer Ausführungsform, in der das Mikroskop als Laserscanningmikroskop ausgebildet ist und die Einstelleinheit eine Objektiv- Antriebseinrichtung umfasst; 3 shows a schematic representation of a device for time-resolved microscopy according to an embodiment in which the microscope is designed as a laser scanning microscope and the adjustment unit comprises a lens drive device;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum zeitaufgelösten Mikroskopieren gemäß einer Ausführungsform, in der das Mikroskop als Laserscanningmikroskop ausgebildet ist und die Einstelleinheit ein Teleskop umfasst; 4 shows a schematic representation of a device for time-resolved microscopy according to an embodiment in which the microscope is designed as a laser scanning microscope and the setting unit comprises a telescope;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum zeitaufgelösten Mikroskopieren gemäß einer Ausführungsform, in der das Mikroskop als Laserscanningmikroskop ausgebildet ist und die Einstelleinheit einen adaptiven Spiegel umfasst; Fig. 5 is a schematic representation of a device for time-resolved microscopy according to an embodiment in which the microscope as Laser scanning microscope is formed and the adjustment unit comprises an adaptive mirror;
Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufnehmens eines Referenzdatensatzes gemäß einer Ausführungsform, bei der der Aufnahmebereich einem Linien- oder Polygonscanpfad im Raum entspricht; und Fig. 6 is a schematic diagram for explaining the recording of a reference data set according to an embodiment in which the recording area corresponds to a line or polygon scanning path in space; and
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum zeitaufgelösten Mikroskopieren gemäß einer Ausführungsform, in der das Mikroskop als Laserscanningmikroskop ausgebildet ist und ein weiterer Aufnahmekanal vorgesehen ist. 7 shows a schematic representation of a device for time-resolved microscopy according to an embodiment in which the microscope is designed as a laser scanning microscope and a further receiving channel is provided.
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zum zeitaufgelösten Mikroskopieren einer Probe 1 gemäß einer Ausführungsform. Die Vorrichtung umfasst einen Probenhalter 3 zur Aufnahme der Probe 1 . Vorzugsweise ist die Probe 1 an dem Probenhalter 3 fixierbar. Die Vorrichtung umfasst des Weiteren ein Mikroskop 5 mit einem Objektiv 7. Das Mikroskop 5, insbesondere dessen Objektiv 7, definiert einen Aufnahmebereich 9 des Mikroskops 5. In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform ist der Aufnahmebereich 9 eine zweidimensionale Fläche im Raum, welche in einer Fokusebene des Mikroskops 5 liegt. Das Mikroskop 5 umfasst eine Daten- aufnahmeeinheit 1 1 zum Aufnehmen von Daten aus dem Aufnahmebereich 9. FIG. 1 shows an apparatus for time-resolved microscopy of a sample 1 according to an embodiment. The device comprises a sample holder 3 for receiving the sample 1. Preferably, the sample 1 can be fixed to the sample holder 3. The device further comprises a microscope 5 with an objective 7. The microscope 5, in particular its objective 7, defines a receiving region 9 of the microscope 5. In the embodiment shown in FIG. 1, the receiving region 9 is a two-dimensional surface in space Focus plane of the microscope 5 is located. The microscope 5 comprises a data recording unit 11 for recording data from the recording area 9.
Die Vorrichtung umfasst ferner eine Einstelleinheit 13 zum veränderlichen Einstellen einer Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich 9 und dem Probenhalter 3. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Einstelleinheit 13 eine Probenhalter-Einstelleinheit 15 sowie eine Mikroskop-Einstelleinheit 17. Die Probenhalter-Einstelleinheit 15 ist dazu konfiguriert, die Lage des Probenhalters 3 im Raum zu verändern. Die Probenhalter-Einstelleinheit 15 kann beispielsweise eine Probenhalter-Antriebseinrichtung zur motorisierten Veränderung der Lage des Probenhalters 3 umfassen. Die Mikroskop-Einstelleinheit 17 ist dazu ausgelegt, die Lage des Aufnahmebereichs 9 im Raum zu verändern. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Mikroskop-Einstelleinheit 17 ein Piezo-Dreibein 19 zur Veränderung der Lage des Objektivs 7 des Mikroskops 5. Das Piezo-Dreibein 19 kann drei bezüglich der optischen Achse 21 des Mikroskops 5 symmetrisch angeordnete Piezoelemente 23 umfassen, mittels derer das Objektiv 7 in seiner Lage veränderlich ist. Ein solches Piezo-Dreibein 19 erlaubt ein genaues Einstellen der Lage des Objektivs 7. Durch gemeinsames Ansteuern der drei Piezoelemente 23 lässt sich das Objektiv 7 entlang der optischen Achse 21 des Mikroskops 5 verschieben, wodurch der Aufnahmebereich 9 ebenfalls entlang der optischen Achse 21 verschoben wird. Durch unterschiedliches Ansteuern der Piezoelemente 23 oder Ansteuern lediglich eines oder zweier der Piezoelemente 23 lässt sich das Objektiv 7 verkippen, was zu einer Verschiebung des Aufnahmebereichs 9 führt. Alternativ oder zusätzlich zu dem Piezo- Dreibein 19 kann die Mikroskop-Einstelleinheit 17 beispielsweise auch noch eine Objektiv- Antriebseinrichtung zur motorisierten Veränderung der Lage des Objektivs 7 des Mikroskops 5 umfassen. Diese könnte beispielsweise eine Verschiebung des Objektivs 7 entlang der optischen Achse 21 des Mikroskops 5 erlauben. Auch das zusätzliche oder alternative Vorsehen eines piezogetriebenen Fokustriebs zum Verändern der Lage einer Fokusebene des Mikroskops 5 wäre denkbar. The apparatus further comprises a setting unit 13 for variably setting a relative position between the receiving area 9 and the sample holder 3. In the illustrated embodiment, the setting unit 13 comprises a sample holder setting unit 15 and a microscope setting unit 17. The sample holder setting unit 15 is configured to to change the position of the sample holder 3 in the room. The sample holder setting unit 15 may include, for example, a sample holder driving means for motorized changing the position of the sample holder 3. The microscope setting unit 17 is designed to change the position of the receiving area 9 in space. In the embodiment shown, the microscope setting unit 17 comprises a piezo tripod 19 for changing the position of the objective 7 of the microscope 5. The piezo tripod 19 may comprise three with respect to the optical axis 21 of the microscope 5 symmetrically arranged piezo elements 23, by means of which Lens 7 is variable in its position. Such a piezo tripod 19 allows precise adjustment of the position of the objective 7. By jointly driving the three piezo elements 23, the objective 7 can be displaced along the optical axis 21 of the microscope 5, whereby the receiving region 9 is likewise displaced along the optical axis 21 , By different activation of the piezo elements 23 or driving Only one or two of the piezo elements 23 can tilt the lens 7, resulting in a shift of the receiving area 9. Alternatively or in addition to the piezo tripod 19, the microscope setting unit 17, for example, also a lens drive means for motorized change in the position of the lens 7 of the microscope 5 include. This could, for example, allow a displacement of the objective 7 along the optical axis 21 of the microscope 5. The additional or alternative provision of a piezo-driven focus drive for changing the position of a focal plane of the microscope 5 would be conceivable.
Die Vorrichtung zum zeitaufgelösten Mikroskopieren umfasst des Weiteren eine Steuereinrichtung 25, die zum Ansteuern der Einstelleinheit 13 und der Datenaufnahmeeinheit 1 1 konfiguriert ist. Die Steuereinrichtung 25 kann eine Recheneinheit 27 sowie eine Speichereinheit 29 mit geeigneten Programminstruktionen umfassen. In der gezeigten Ausführungsform kann die Steuereinrichtung 25 zum Einstellen der Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich 9 und dem Probenhalter 3 sowohl die Probenhalter-Einstelleinheit 15 als auch die Mikroskop-Einstelleinheit 17 ansteuern. Das Einstellen der Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich 9 und dem Probenhalter 3 kann also durch eine Kombination einer Veränderung der Lage des Probenhalters 3 im Raum und einer Veränderung der Lage des Aufnahmebereichs 9 im Raum erreicht werden. Es wäre aber auch denkbar, dass beispielsweise der Probenhalter 3 ortsfest gehalten wird und lediglich der Aufnahmebereich 9 im Raum verschoben wird. Auch wäre es denkbar, den Aufnahmebereich 9 ortsfest im Raum zu belassen und lediglich die Lage des Probenhalters 3 im Raum zu verändern. The time-resolved microscopy apparatus further comprises a control device 25, which is configured to drive the setting unit 13 and the data acquisition unit 11. The control device 25 may include a computing unit 27 and a memory unit 29 with suitable program instructions. In the embodiment shown, the control device 25 for adjusting the relative position between the receiving area 9 and the sample holder 3 can drive both the sample holder setting unit 15 and the microscope setting unit 17. The setting of the relative position between the receiving area 9 and the sample holder 3 can thus be achieved by a combination of a change in the position of the sample holder 3 in the room and a change in the position of the receiving area 9 in the room. But it would also be conceivable that, for example, the sample holder 3 is held stationary and only the receiving area 9 is moved in space. It would also be conceivable to leave the receiving area 9 stationary in the room and to change only the position of the sample holder 3 in the room.
Die Steuereinrichtung 25 ist dazu konfiguriert, die Einstelleinheit 13 und die Datenaufnahmeeinheit 1 1 dazu anzusteuern, einen Referenzdatensatz aufzunehmen. Hierzu werden wiederholt abwechselnd durch die Datenaufnahmeeinheit 1 1 Daten aus dem Aufnahmebereich 9 aufgenommen und anschließend die Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich 9 und dem Probenhalter 3 mittels der Einstelleinheit 13 verändert. Vorzugsweise umfasst der Referenzdatensatz mehr als 20, mehr als 50, mehr als 100, mehr als 150, mehr als 200 oder mehr als 500 so gewonnene Aufnahmen, die jeweils unterschiedlichen Relativlagen zwischen dem Aufnahmebereich 9 und dem Probenhalter 3 entsprechen. Wie nachfolgend erläutert, wird der Referenzdatensatz dazu verwendet, in einem Folgedatensatz von einer Bewegung der Probe 1 , wie beispielsweise einer Bewegung aufgrund eines Herzschlags oder aufgrund einer Atmung, herrührender Bewegungsartefakte zu unterdrücken. Damit der Referenzdatensatz selbst weitgehend unbeeinflusst von solchen Bewegungen der Probe 1 ist, könnte die Messung des Referenzdatensatzes innerhalb einer Zeitspanne ablaufen, welche klein gegenüber der für die jeweilige Bewegung der Probe 1 relevanten Zeitskala ist. The controller 25 is configured to drive the setting unit 13 and the data acquisition unit 11 to receive a reference data set. For this purpose, data are repeatedly taken from the receiving area 9 alternately alternately by the data recording unit 11, and then the relative position between the receiving area 9 and the sample holder 3 is changed by means of the setting unit 13. Preferably, the reference data set comprises more than 20, more than 50, more than 100, more than 150, more than 200 or more than 500 recordings thus obtained, each corresponding to different relative positions between the receiving area 9 and the sample holder 3. As explained below, the reference data set is used to suppress in a sequence data set movement of the sample 1, such as a movement due to a heartbeat or respiration, resulting motion artifacts. So that the reference data set itself is largely unaffected by such movements of the sample 1, For example, the measurement of the reference data set could take place within a time period which is small compared to the time scale relevant to the respective movement of the sample 1.
Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel für unterschiedliche Relativlagen zwischen dem Probenhalter 3 und dem Aufnahmebereich 9 für die einzelnen Aufnahmen eines Referenzdatensatzes. Die jeweiligen Aufnahmebereiche 9 sind hierbei flächige Bereiche einer Schärfeebene des Mikroskops 5, deren Relativlage in Bezug auf den Probenhalter 3 von Aufnahme zu Aufnahme des Referenzdatensatzes mittels der Einstelleinheit 13 verändert wurde. Für die Darstellung wird davon ausgegangen, dass der Referenzdatensatz ausreichend schnell aufgenommen wird, dass die Position der Probe 1 in Bezug auf den Probenhalter 3 während der Aufnahme des Referenzdatensatzes als konstant angesehen werden kann. Dies ist aber nicht notwendigerweise der Fall. Figur 2 zeigt eine Gruppe von Relativlagen des Aufnahmebereichs 9 in Bezug auf den Probenhalter 3, welche durch eine lineare Verschiebung des Aufnahmebereichs 9 relativ zu dem Probenhalter 3 entlang der optischen Achse 21 des Mikroskops 5 erhalten wird. Es könnten auch weitere Relativlagen vorgesehen sein, bei denen Verkippstellungen zwischen dem Aufnahmebereich 9 und dem Probenhalter 3 vorliegen. Figure 2 shows a schematic representation of an example of different relative positions between the sample holder 3 and the receiving area 9 for the individual recordings of a reference data set. The respective receiving areas 9 are in this case areal areas of a focus plane of the microscope 5 whose relative position with respect to the sample holder 3 has been changed from recording to recording of the reference data record by means of the setting unit 13. For the purposes of illustration, it is assumed that the reference data record is recorded sufficiently quickly that the position of the sample 1 with respect to the sample holder 3 can be regarded as constant during the recording of the reference data record. This is not necessarily the case. FIG. 2 shows a group of relative positions of the receiving region 9 with respect to the sample holder 3, which is obtained by a linear displacement of the receiving region 9 relative to the sample holder 3 along the optical axis 21 of the microscope 5. Other relative positions could also be provided, in which tilt positions are present between the receiving area 9 and the sample holder 3.
Die Steuereinrichtung 25 ist dazu konfiguriert, nach Aufnahme des Referenzdatensatzes den Referenzdatensatz zur Charakterisierung einer Umgebung einer bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs 9 in Bezug auf die Probe 1 auszuwerten. After receiving the reference data record, the control device 25 is configured to evaluate the reference data record for characterizing an environment of a preferred relative position of the receiving region 9 with respect to the sample 1.
Die Steuereinrichtung 25 ist dazu konfiguriert, nach dem Auswerten des Referenzdatensatzes mehrmals iterativ die Schritte a), b) und c) zum Aufnehmen eines Messdatensatzes durchzuführen. Bei Schritt a) wird die Datenaufnahmeeinheit 1 1 zum Aufnehmen von Daten angesteuert. Bei Schritt b) wird anschließend ein Verschiebungsvektor zwischen der bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs 9 im Bezug auf die Probe 1 und einer aktuellen Relativlage des Aufnahmebereichs 9 in Bezug auf die Probe 1 basierend auf den in Schritt a) aufgenommenen Daten und dem ausgewerteten Referenzdatensatz bestimmt. The control device 25 is configured to iteratively perform the steps a), b) and c) for recording a measurement data set several times after the evaluation of the reference data record. In step a), the data acquisition unit 11 is driven to receive data. In step b), a displacement vector between the preferred relative position of the receiving area 9 with respect to the sample 1 and a current relative position of the receiving area 9 with respect to the sample 1 is then determined based on the data recorded in step a) and the evaluated reference data record.
In Schritt c) wird die Einstelleinheit 13 zum Verändern der Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich 9 und dem Probenhalter 3 zum zumindest teilweisen Ausgleichen des in Schritt b) bestimmten Verschiebungsvektors angesteuert. Durch iteratives Durchführen der Schritte a), b) und c) können während dem Aufnehmen des Messdatensatzes Bewegungsartefakte, die von einer Bewegung der Probe 1 herrühren, durch ein Nachführen der Relativlage zwischen Aufnahmebereich 9 und Probe 1 unterdrückt werden. Für Anwendungen, bei denen eine stabilisierte Zeitserie aufgenommen werden soll, welche immer denselben Bildausschnitt der Probe 1 zeigt, kann die Einstelleinheit 13 in Schritt c) so angesteuert werden, dass der Verschiebungsvektor zwischen der bevorzugten und der Aktuellen Relativlage des Aufnahmebereichs 9 im Bezug auf die Probe 1 zumindest im Wesentlichen zu Null ausgeglichen wird. Die Erfindung kann aber auch zum stabilisierten Aufnehmen einer Zeitserie genutzt werden, bei der von Aufnahme zu Aufnahme ein unterschiedlicher Bildausschnitt der Probe 1 aufgenommen wird. Beispielsweise kann so durch die Probe 1 gescannt werden. Hierzu kann die Einstelleinheit 13 in Schritt c) so angesteuert werden, dass der Verschiebungsvektor zwischen der bevorzugten und der aktuellen Relativlage des Aufnahmebereichs 9 in Bezug auf die Probe 1 nicht zu Null sondern zu einem vorbestimmten Versatzvektor ausgeglichen wird. Der Versatzvektor kann von Aufnahme zu Aufnahme verschieden sein. Insbesondere kann der Versatzvektor von Aufnahme zu Aufnahme um ein Inkrement verändert werden. In step c), the setting unit 13 for changing the relative position between the receiving area 9 and the sample holder 3 is actuated for at least partial compensation of the displacement vector determined in step b). By iteratively carrying out steps a), b) and c), during the recording of the measurement data set, movement artifacts resulting from a movement of the sample 1 can be suppressed by tracking the relative position between recording area 9 and sample 1. For applications in which a stabilized time series is to be recorded, which always shows the same image section of the sample 1, the adjustment unit 13 can be controlled in step c) such that the displacement vector between the preferred and the current relative position of the receiving region 9 with respect to Sample 1 is at least substantially equalized to zero. However, the invention can also be used for the stabilized recording of a time series in which a different image detail of the sample 1 is recorded from one image to another. For example, it is possible to scan through sample 1 in this way. For this purpose, the setting unit 13 can be controlled in step c) so that the displacement vector between the preferred and the current relative position of the receiving area 9 with respect to the sample 1 is not compensated to zero but to a predetermined offset vector. The offset vector may be different from shot to shot. In particular, the offset vector can be changed from one recording to the next by one increment.
Das Auswerten des Referenzdatensatzes durch die Steuereinrichtung 25 und das Bestimmen des Verschiebungsvektors zwischen der bevorzugten und der aktuellen Relativlage des Aufnahmebereichs 9 in Bezug auf die Probe 1 in Schritt b) kann auf verschiedene Arten erfolgen. The evaluation of the reference data record by the control device 25 and the determination of the displacement vector between the preferred and the current relative position of the recording region 9 with respect to the sample 1 in step b) can be carried out in various ways.
Gemäß einer einfachen Ausführungsform kann die Steuereinrichtung 25 zum Auswerten des Referenzdatensatzes aus den Aufnahmen des Referenzdatensatzes eine bevorzugte Aufnahme auswählen, welche dann der bevorzugten Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich 9 und der Probe 1 entspricht. Diese Auswahl könnte auch basierend auf einer Benutzereingabe erfolgen. Es ist nicht zwingend erforderlich, dass bekannt ist, welche tatsächliche Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich 9 und der Probe 1 während dem Aufnehmen der entsprechenden Aufnahme des Referenzdatensatzes vorgelegen ist. Die zugehörige Relativlage zwischen Aufnahmebereich 9 und Probenhalter 3 ist jedoch bekannt. Die Steuereinrichtung 25 kann dann Verschiebungsvektoren zwischen der bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs 9 im Bezug auf die Probe 1 und den den verbleibenden Aufnahmen des Referenzdatensatzes zugeordneten Relativlagen des Aufnahmebereichs 9 in Bezug auf die Probe 1 ermitteln und so die Umgebung der bevorzugten Relativlage charakterisieren. Hierzu greift die Steuereinrichtung 25 auf die bekannten Relativbewegungen zwischen Aufnahmebereich 3 und Probenhalter 1 während der Aufnahme des Referenzdatensatzes zurück. In Schritt b) beim Aufnehmen des Messdatensatzes kann die Steuereinrichtung 25 beispielsweise mittels korrelativer Methoden durch Vergleich der im vorausgegangenen Schritt a) aufgenommenen Aufnahme mit den Aufnahmen des Referenzdatensatzes eine Aufnahme des Referenzdatensatzes bestimmen, welche bei einer ähnlichen Relativlage zwischen Aufnahmebereich 9 und Probe 1 gemacht wurde, wie die in Schritt a) gemachte Aufnahme. Der Verschiebungsvektor zwischen der bevorzugten Relativlage eines Aufnahmebereichs 9 in Bezug auf die Probe 1 und der aktuellen Relativlage des Aufnahmebereichs 9 in Bezug auf die Probe 1 kann dann als der Verschiebungsvektor zwischen der Aufnahme des Referenzdatensatzes, welche der bevorzugten Relativlage entspricht, und der ausgewählten anderen Aufnahme des Referenzdatensatzes bestimmt werden. According to a simple embodiment, the control device 25 for evaluating the reference data record from the recordings of the reference data record can select a preferred recording, which then corresponds to the preferred relative position between the recording region 9 and the sample 1. This selection could also be based on user input. It is not absolutely necessary to know which actual relative position exists between the receiving area 9 and the sample 1 during the recording of the corresponding recording of the reference data set. However, the associated relative position between receiving area 9 and sample holder 3 is known. The control device 25 can then determine displacement vectors between the preferred relative position of the receiving region 9 with respect to the sample 1 and the relative positions of the receiving region 9 associated with the remaining images of the reference data set with respect to the sample 1 and thus characterize the environment of the preferred relative position. For this purpose, the control device 25 accesses the known relative movements between the receiving area 3 and the sample holder 1 during the recording of the reference data set. In step b) when recording the measured data set, the control device 25 can determine, for example by means of correlative methods by comparing the recorded in step a) recording with the recordings of the reference data record a record of the reference data set, which was made at a similar relative position between receiving area 9 and sample 1 like the picture taken in step a). The displacement vector between the preferred relative position of a recording area 9 with respect to the sample 1 and the current relative position of the recording area 9 with respect to the sample 1 can then be considered as the displacement vector between the recording of the reference data record corresponding to the preferred relative position and the selected other recording of the reference data set are determined.
Gemäß einer anderen Variante könnte die Steuereinrichtung 25 zunächst ebenfalls aus den Aufnahmen des Referenzdatensatzes eine bevorzugte Aufnahme auswählen, welche der bevorzugten Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich 9 und der Probe 1 entspricht. Die Steuereinrichtung 25 kann gemäß dieser Variante dazu konfiguriert sein, beim Auswerten des Referenzdatensatzes mittels Datenanalyse von der Aufnahme des Referenzdatensatzes ausgehend, die zu der bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs in Bezug auf die Probe korrespondiert, basierend auf den Daten der übrigen Aufnahmen des Referenzdatensatzes und den bekannten Verschiebungsvektoren zwischen den einzelnen Aufnahmen an mehreren Merkmalspunkten dreidimensionale Intensitätsgradienten zu berechnen. Basierend auf den Intensitätsgradienten könnten an den Merkmalspunkten lokale Taylor- Entwicklungen der Intensität bestimmt werden. According to another variant, the control device 25 could first also select from the recordings of the reference data record a preferred recording which corresponds to the preferred relative position between the recording area 9 and the sample 1. According to this variant, the control device 25 can be configured to analyze the reference data record by means of data analysis from the recording of the reference data record which corresponds to the preferred relative position of the recording area with respect to the sample, based on the data of the remaining recordings of the reference data record and the known data Displacement vectors between the individual images at several feature points to calculate three-dimensional intensity gradients. Based on the intensity gradients, local Taylor evolution of intensity could be determined at the feature points.
In Schritt b) bei der Aufnahme des Messdatensatzes könnte durch die Steuereinheit 25 eine Differenz zwischen den lokalen Taylor-Entwicklungen der Intensitäten an den Merkmalspunkten und den Intensitäten der jeweils aktuellen Aufnahme an den Merkmalspunkten minimiert werden, beispielsweise mittels eines Least-Square-Verfahrens, und so eine globale Schätzung für den aktuellen Verschiebungsvektor erhalten werden. Auf dem aktuellen geschätzten Verschiebungsvektor basierend könnte dann die Einstelleinheit 13 in Schritt c) zum Verändern der Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich 9 und dem Probenhalter 3 angesteuert werden, um live eine Bewegungskorrektur durchzuführen. In step b) during the acquisition of the measurement data set, a difference between the local Taylor developments of the intensities at the feature points and the intensities of the respectively current image at the feature points could be minimized by the control unit 25, for example by means of a least square method, and thus obtaining a global estimate for the current displacement vector. Based on the current estimated displacement vector, the setting unit 13 could then be actuated in step c) for changing the relative position between the receiving area 9 and the sample holder 3 in order to perform a motion correction live.
Da erfindungsgemäß während des Aufnehmens des Messdatensatzes eine Bewegungskompensation erfolgt, stellt der Messdatensatz selbst einen bewegungsstabilisierten, auswertbaren Datensatz dar und kann zur späteren Auswertung des entsprechenden Experiments herangezogen werden. Es ist also prinzipiell ausreichend, wenn das Mikroskop 5 le- diglich einen einzigen Messkanal aufweist, welcher für die Aufnahme des Referenzdatensatzes und des Messdatensatzes verwendet wird. Hierzu kann die Datenaufnahmeeinheit 1 1 beispielsweise eine erste CCD-Kamera 31 umfassen. Since, according to the invention, motion compensation takes place while the measurement data record is being recorded, the measurement data set itself represents a motion-stabilized, evaluable data record and can be used for later evaluation of the corresponding experiment. It is therefore in principle sufficient if the microscope 5 diglich has a single measuring channel, which is used for recording the reference data set and the measurement data set. For this purpose, the data acquisition unit 1 1 may comprise, for example, a first CCD camera 31.
Es wäre aber auch denkbar, dass der dem Referenzdatensatz und dem Messdatensatz zugeordnete Messkanal lediglich als Stabilisierungskanal vorgesehen ist und für die eigentlichen Experimentdaten oder zusätzliche Experimentdaten ein zusätzlicher Messkanal (im Folgenden: Experimentkanal) vorgesehen ist. Der Stabilisierungskanal kann dann wie oben beschrieben zur Bewegungsstabilisierung verwendet werden. Über den Experimentkanal können während der Aufnahme des Messdatensatzes in dem Stabilisierungskanal weitere Experimentdaten aufgenommen werden. Der Experimentkanal kann derart an den Stabilisierungskanal gekoppelt sein, dass die Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich 9 und der Probe 1 für beide Kanäle identisch ist. Beispielsweise kann das die Datenaufnahmeeinheit 1 1 zusätzlich der ersten CCD-Kamera 31 eine zweite CCD-Kamera 33 aufweisen, die dem Experimentkanal zugeordnet ist. Es wäre beispielsweise aber auch denkbar, dass die Datenaufnahmeeinheit 1 1 einen Photomultiplier aufweist, der dem Experimentkanal zugeordnet ist. Der Stabilisierungskanal und der Experimentkanal können beispielsweise als verschiedene Farbkanäle ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der Stabilisierungskanal dazu ausgelegt, dass er vornehmlich nicht-dynamische Signale detektiert, die ausschließlich von einer intrinsischen Bewegung der Probe 1 herrühren, aber gegenüber der eigentlich zu untersuchenden Dynamik relativ unempfindlich ist. Der Experimentkanal kann dagegen so ausgelegt sein, dass er vornehmlich Signale detektiert, die von einer zu untersuchenden Dynamik stammen. Es wäre beispielsweise auch denkbar, dass über den Experimentkanal ein Linienoder Polygonscan in der Probe 1 durchgeführt wird, während in dem Stabilisierungskanal zweidimensionale Aufnahmen aufgenommen werden. However, it would also be conceivable that the measuring channel assigned to the reference data set and the measured data set is provided merely as a stabilization channel and an additional measuring channel (hereinafter: experimental channel) is provided for the actual experimental data or additional experimental data. The stabilization channel can then be used for motion stabilization as described above. During the acquisition of the measurement data set in the stabilization channel, further experimental data can be recorded via the experiment channel. The experimental channel may be coupled to the stabilizing channel such that the relative position between the receiving region 9 and the sample 1 is identical for both channels. By way of example, the data acquisition unit 11 in addition to the first CCD camera 31 can have a second CCD camera 33 which is assigned to the experiment channel. It would also be conceivable, for example, for the data acquisition unit 11 to have a photomultiplier associated with the experiment channel. The stabilization channel and the experiment channel can be designed, for example, as different color channels. The stabilization channel is preferably designed such that it primarily detects non-dynamic signals which originate exclusively from an intrinsic movement of the sample 1, but which are relatively insensitive to the dynamics actually to be investigated. In contrast, the experiment channel can be designed to primarily detect signals originating from a dynamic to be investigated. It would also be conceivable, for example, for a line scan or polygon scan to be performed in the sample 1 via the experiment channel, while two-dimensional images are recorded in the stabilization channel.
Die Figuren 3, 4 und 5 zeigen Vorrichtungen zum zeitaufgelösten Mikroskopieren einer Probe 1 gemäß weiteren Ausführungsformen. Diese Ausführungsformen unterscheiden sich von der Ausführungsform aus Figur 1 dadurch, dass das Mikroskop 5 als Laserscanningmikroskop ausgebildet ist. Das Mikroskop 5 umfasst hier einen Scanner 35 mit dem durch das Mikroskop 5 hindurch ein Scanpfad als Aufnahmebereich 9 abgescannt werden kann. Der Scanner 35 wird hierzu vorzugsweise von der Steuereinrichtung 25 angesteuert und kann einen oder mehrere, insbesondere zwei, Scannerspiegel 36 umfassen. Bezüglich der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform beschriebene Merkmale und Modifikationen lassen sich auf die Ausführungsformen der Figuren 3, 4 und 5 übertragen, und umgekehrt. Gemäß den Ausführungsformen der Figuren 3, 4 und 5 umfasst die Einstelleinheit 13 zum veränderlichen Einstellen einer Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich 9 und dem Probenhalter 3 wiederum eine Mikroskop-Einstelleinheit 17 und eine Probenhalter-Einstelleinheit 15. Es wäre aber auch denkbar, lediglich die Mikroskop-Einstelleinheit 17 oder die Probenhalter-Einstelleinheit 15 vorzusehen. Die in den Figuren 3, 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen unterscheiden sich untereinander durch die Ausgestaltung der Mikroskop- Einstelleinheit 17. In der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform umfasst die Mikroskop- Einstelleinheit 17 eine Objektiv-Antriebseinrichtung 37 zum Verschieben des Objektivs 7 entlang der optischen Achse 21 des Mikroskops 5. Die Objektiv-Antriebseinrichtung 37 kann beispielsweise als motorisierte Antriebseinrichtung oder als piezogetriebener Fokustrieb vorgesehen sein. Figur 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Objektiv 7 ortsfest vorgesehen ist und die Mikroskop-Einstelleinheit 17 stattdessen als motorisiertes Teleskop 39 vorgesehen ist. Durch Verschieben einer Linse 41 des motorisierten Teleskops 39 kann ein Fokus des Mikroskops 5 entlang der optischen Achse 21 des Mikroskops 5 verschoben werden. Figur 5 zeigt eine weitere Möglichkeit, wie die Mikroskop-Einstelleinheit 17 alternativ ausgebildet werden kann. In dieser Ausführungsform ist ein adaptiver Spiegel 43 vorgesehen, mit dem ein Scanpfand des Mikroskops 5 insbesondere entlang der optischen Achse 21 des Mikroskops 5 und/oder lateral verschiebbar ist. Über ein Steuersignal von der Steuereinrichtung 25 kann eine Spiegelfläche des adaptiven Spiegels 43 konvex oder konkav gewölbt werden. Hierdurch kann der Fokus des Anregungsstrahls 45 insbesondere astigmatismusfrei in seiner Position verändert werden. Zusätzlich oder alternativ zu den gezeigten Varianten der Mikroskop-Einstelleinheit 17 wäre es auch denkbar, dass die Einstelleinheit 25 dazu ausgelegt ist, ein Offset auf eine Steuerspannung des Scannerspiegels 36 oder der Scannerspiegel 36 zu addieren, um den Aufnahmebereich 9 zu verschieben. FIGS. 3, 4 and 5 show devices for time-resolved microscopy of a sample 1 according to further embodiments. These embodiments differ from the embodiment of FIG. 1 in that the microscope 5 is designed as a laser scanning microscope. The microscope 5 here comprises a scanner 35 with which a scan path as a receiving region 9 can be scanned through the microscope 5. For this purpose, the scanner 35 is preferably controlled by the control device 25 and may comprise one or more, in particular two, scanner mirrors 36. With regard to the features and modifications described in FIG. 1, it is possible to transfer to the embodiments of FIGS. 3, 4 and 5, and vice versa. According to the embodiments of FIGS. 3, 4 and 5, the setting unit 13 for variably setting a relative position between the receiving area 9 and the sample holder 3 again comprises a microscope setting unit 17 and a sample holder setting unit 15. However, it would also be conceivable to use only the microscope Adjustment unit 17 or the sample holder setting unit 15 provide. The embodiments illustrated in FIGS. 3, 4 and 5 differ from one another in terms of the configuration of the microscope setting unit 17. In the embodiment shown in FIG. 3, the microscope setting unit 17 comprises an objective drive device 37 for displacing the objective 7 along the optical axis 21 of the microscope 5. The lens drive device 37 may be provided, for example, as a motorized drive device or as a piezo-driven focus drive. FIG. 4 shows an embodiment in which the objective 7 is stationary and the microscope setting unit 17 is instead provided as a motorized telescope 39. By moving a lens 41 of the motorized telescope 39, a focus of the microscope 5 along the optical axis 21 of the microscope 5 can be moved. FIG. 5 shows a further possibility of how the microscope setting unit 17 can alternatively be formed. In this embodiment, an adaptive mirror 43 is provided with which a scanning deposit of the microscope 5, in particular along the optical axis 21 of the microscope 5 and / or laterally displaceable. Via a control signal from the control device 25, a mirror surface of the adaptive mirror 43 can be curved convexly or concavely. In this way, the focus of the excitation beam 45 can be changed in particular without astigmatism in its position. In addition or as an alternative to the variants of the microscope setting unit 17 shown, it would also be conceivable that the setting unit 25 is designed to add an offset to a control voltage of the scanner mirror 36 or the scanner mirror 36 in order to displace the receiving area 9.
Die Mikroskope 5 der in den Figuren 3, 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen weisen jeweils eine Datenaufnahmeeinheit 1 1 in Form eines Photomultipliers 47zur Aufnahme von Daten aus dem jeweiligen Aufnahmebereich 9 auf. Für eine Aufnahme steuert die Steuereinrichtung 25 den Scanner 35 jeweils dazu an, einen vordefinierten Scanpfad, welcher dem Aufnahmebereich 9 entspricht, abzuscannen. Soll die Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich 9 und dem Probenhalter 3 verändert werden, wird mittels der Mikroskop-Einstelleinheit 17 und/oder der Probenhalter-Einstelleinheit 15 beispielsweise ein Anfangspunkt des Scanpfads relativ zu dem Probenhalter 3 verschoben. The microscopes 5 of the embodiments shown in FIGS. 3, 4 and 5 each have a data acquisition unit 11 in the form of a photomultiplier 47 for recording data from the respective recording area 9. For a recording, the control device 25 controls the scanner 35 in each case to scan a predefined scan path, which corresponds to the recording area 9. If the relative position between the receiving region 9 and the sample holder 3 is to be changed, a starting point of the scanning path is displaced relative to the sample holder 3, for example, by means of the microscope setting unit 17 and / or the sample holder setting unit 15.
Auch in den in den Figuren 3, 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen kann der Aufnahmebereich 9, ähnlich zu der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform, als zweidimensionale Fläche im Raum vorliegen. Hierzu kann die Steuereinrichtung 25 den Scanner 35 dazu ansteuern, beim Aufnehmen einer Aufnahme des Referenzdatensatzes und beim Aufnehmen einer Aufnahme des Messdatensatzes eine zweidimensionale Fläche abzuscannen. Die Auswertung des Referenzdatensatzes und das Stabilisieren des Messdatensatzes kann analog zu der in Figur 1 beschriebenen Ausführungsform erfolgen. Also in the embodiments shown in Figures 3, 4 and 5, the receiving area 9, similar to the embodiment shown in Figure 1, as a two-dimensional surface present in the room. For this purpose, the control device 25 can control the scanner 35 to scan a two-dimensional surface when taking a picture of the reference data record and recording a picture of the measured data record. The evaluation of the reference data set and the stabilization of the measured data set can be carried out analogously to the embodiment described in FIG.
Gemäß den Ausführungsformen der Figuren 3, 4 und 5 ist es aber auch denkbar, jeweils einen Linien- oder Polygonscanpfadais Aufnahmebereich 9 zu wählen. Auch in diesem Fall steuert die Steuereinrichtung 25 die Einstelleinheit 13 und die Datenaufnahmeeinheit 1 1 dazu an, durch wiederholtes, abwechselndes Aufnehmen von Daten durch die Datenaufnahmeeinheit 1 1 und Verändern der Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich 9 und dem Probenhalter 3 einen Referenzdatensatz aufzunehmen. Zum Aufnehmen einer Aufnahme des Referenzdatensatzes wird mittels des Scanners 35 jeweils der den Aufnahmebereich 9 darstellende Linien- oder Polygonscanpfad abgefahren, wobei währenddessen mittels des Photomultipliers 47 die Aufnahme aufgezeichnet wird. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden solchen Aufnahmen des Referenzdatensatzes wird mittels der Einstelleinheit 13 jeweils die Lage des Anfangspunktes des Linien- oder Polygonscanpfads in Bezug auf den Probenhalter 3 verändert, also die Relativlage zwischen Aufnahmebereich 9 und Probenhalter 3 verändert. Figur 6 zeigt in schematischer Perspektivansicht die Relativlagen zwischen einzelnen als Linien- oder Polygonscanpfaden ausgebildeten Aufnahmebereichen 9 und dem Probenhalter 3, welche jeweils einer Aufnahme des Referenzdatensatzes zugeordnet sind. In der gezeigten Darstellung sind die Aufnahmebereiche 9 entlang der optischen Achse 21 des Mikroskops 5 gegeneinander verschoben. Es könnten zusätzlich oder alternativ auch Aufnahmebereiche 9 abgefahren werden, die beispielsweise lateral gegenüber den gezeigten Aufnahmebereichen 9 verschoben sind oder gegenüber diesen verkippt sind. However, according to the embodiments of FIGS. 3, 4 and 5, it is also conceivable to select a line or polygonal scanning path in each case. Also in this case, the control device 25 controls the setting unit 13 and the data recording unit 1 1 to record a reference data set by repeating, alternately picking up data by the data recording unit 11 and changing the relative position between the recording area 9 and the sample holder 3. To record a recording of the reference data set, the line or polygonal scanning path representing the recording area 9 is scanned by means of the scanner 35, the recording being recorded by means of the photomultiplier 47 in the meantime. Between two successive such recordings of the reference data record, the position of the starting point of the line or polygonal scanning path with respect to the sample holder 3 is changed by means of the setting unit 13, that is to say the relative position between receiving area 9 and sample holder 3 is changed. FIG. 6 shows, in a schematic perspective view, the relative positions between individual receiving areas 9, which are designed as line or polygonal scanning paths, and the sample holder 3, which are each assigned to a recording of the reference data record. In the illustration shown, the receiving areas 9 are shifted relative to one another along the optical axis 21 of the microscope 5. In addition or alternatively, receiving areas 9 could also be traversed, which are displaced laterally, for example, with respect to the receiving areas 9 shown or are tilted with respect to them.
Nach der Aufnahme des Referenzdatensatzes wertet die Steuereinrichtung 25 den Referenzdatensatz zur Charakterisierung einer Umgebung einer bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs 9 im Bezug auf die Probe 1 aus. Hierzu können beispielsweise basierend auf einer Aufnahme, welche einer bevorzugten Lage des Aufnahmebereichs 9 in Bezug auf die Probe 1 entspricht, durch einfache Differenzbildung mit den übrigen Aufnahmen des Referenzdatensatzes die Komponenten der Intensitätsgradienten für jeden Punkt des Linienoder Polygonscanpfads berechnet werden. Unter Kenntnis der Intensitätsgradienten können dann aus dem Linien- oder Polygonscanpfad Merkmalspunkte ermittelt werden. Für die Auswahl der Merkmalspunkte kann z. B. jeweils ein Histogramm über die Komponenten der Intensitätsgradienten analysiert werden, wobei die Merkmalspunkte vorzugsweise so gewählt werden können, dass das globale Aperturproblem gelöst ist und keine Merkmalspunkte mit starkem Bildrauschen ausgewählt werden. Im einfachsten Fall können aber auch alle Punkte des Linien- oder Polygonscanpfads (oder auch eines zweidimensionalen Bildscanpfads) für die Stabilisierung einbezogen werden. Basierend auf den Intensitätsgradienten könnten an den Merkmalspunkten oder an allen Punkten des Linien- oder Polygonscanpfads (oder auch eines zweidimensionalen Bildscanpfads) lokale Taylor-Entwicklungen der Intensität bestimmt werden. After the recording of the reference data set, the control device 25 evaluates the reference data record for characterizing an environment of a preferred relative position of the recording region 9 with respect to the sample 1. For this purpose, the components of the intensity gradients for each point of the line or Polygonscanpfads can be calculated, for example, based on a recording which corresponds to a preferred position of the receiving area 9 with respect to the sample 1, by simply subtraction with the other recordings of the reference data set. With knowledge of the intensity gradients, feature points can then be determined from the line or polygonal scan path. For the selection of the feature points z. B. a histogram of the components of the intensity gradients are analyzed, the feature points are preferably selected can be that the global aperture problem is solved and no feature points are selected with strong image noise. In the simplest case, however, all points of the line or polygon scan path (or else of a two-dimensional image scan path) can also be included for the stabilization. Based on the intensity gradients, local Taylor evolutions of intensity could be determined at the feature points or at all points of the line or polygon scan path (or even a two-dimensional image scan path).
Nach dem Auswerten des Referenzdatensatzes führt die Steuereinrichtung 25 zum Aufnehmen eines Messdatensatzes mehrmals iterativ die Schritte a), b) und c) durch. After the evaluation of the reference data record, the control device 25 carries out the steps a), b) and c) iteratively several times to record a measured data record.
In Schritt a) wird die Datenaufnahmeeinheit 1 1 zum Aufnehmen von Daten angesteuert. Hierbei wird mittels des Scanners 35 der den Aufnahmebereich 9 darstellende Linien- oder Polygonscanpfad abgefahren, wobei währenddessen mittels des Photomultipliers 47 die Aufnahme aufgezeichnet wird. In step a), the data acquisition unit 11 is driven to record data. In this case, the line or polygonal scanning path representing the recording area 9 is traced by means of the scanner 35, the recording being recorded by means of the photomultiplier 47 in the meantime.
In Schritt b) wird ein Verschiebungsvektor zwischen der bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs 9 in Bezug auf die Probe 1 und einer aktuellen Relativlage des Aufnahmebereichs 9 in Bezug auf die Probe 1 bestimmt. Dies erfolgt basierend auf den in Schritt a) aufgenommenen Daten und dem ausgewerteten Referenzdatensatz. Während der Aufnahme des Messdatensatzes könnte durch die Steuereinheit eine Differenz zwischen den lokalen Taylor-Entwicklungen der Intensitäten an den Merkmalspunkten und den Intensitäten der jeweils aktuellen Aufnahme an den Merkmalspunkten minimiert werden, beispielsweise mittels eines Least-Square-Verfahrens, und so eine globale Schätzung für den aktuellen Verschiebungsvektor erhalten werden. Die könnte, wie weiter oben erläutert, auch iterativ erfolgen, beispielsweise durch Berechnen einer Bildpyramide. In step b), a displacement vector between the preferred relative position of the receiving region 9 with respect to the sample 1 and a current relative position of the receiving region 9 with respect to the sample 1 is determined. This is done based on the data recorded in step a) and the evaluated reference data record. During the acquisition of the measurement data set, the control unit could minimize a difference between the local Taylor developments of the intensities at the feature points and the intensities of the respective current image at the feature points, for example by means of a least square method, and thus a global estimate for the current displacement vector is obtained. This could, as explained above, also be iterative, for example by calculating a picture pyramid.
In Schritt c) wird die Einstelleinheit 13 zum Verändern der Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich 9 und dem Probenhalter 3 zum zumindest teilweisen Ausgleichen des Verschiebungsvektors angesteuert. In step c), the setting unit 13 for changing the relative position between the receiving area 9 and the sample holder 3 is actuated for at least partially compensating the displacement vector.
Es wären auch Mischformen zwischen Ausführungsformen, bei denen der Aufnahmebereich 9 immer eine zweidimensionale Fläche ist, und Ausführungsformen, bei denen der Aufnahmebereich 9 immer ein Linien- oder Polygonscanpfad ist, denkbar. Beispielsweise könnte bei der Aufnahme des Referenzdatensatzes ein Aufnahmebereich 9 jeweils einer zweidimensionalen Fläche im Raum entsprechen und dann bei der Aufnahme des Messdatensatzes ein Aufnahmebereich 9 jeweils einem Linien- oder Polygonscanpfad im Raum entsprechen. So könnte auch bei Aufnahme eines Linien- oder Polygonscanpfads als Messdatensatz auf zweidimensionale flächige Aufnahmen als Referenzdatensatz zur Stabilisierung zurückgegriffen werden. It would also be hybrid forms between embodiments in which the receiving area 9 is always a two-dimensional surface, and embodiments in which the receiving area 9 is always a line or Polygonscanpfad conceivable. For example, during the recording of the reference data record, a recording area 9 could each correspond to a two-dimensional area in the room and then during recording of the measurement data set a recording area 9 correspond in each case to a line or polygon scanning path in the room. So could be used as a reference data set for stabilization even when recording a line or Polygonscanpfads as a measurement data set on two-dimensional areal recordings.
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum zeitaufgelösten Mikroskopieren gemäß einer weiteren Ausführungsform, in der das Mikroskop 5 als Laserscanningmikroskop ausgebildet ist. In seinem prinzipiellen Aufbau ist die Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform bis auf die nachfolgend erläuterten Unterschiede identisch oder analog zu den Ausführungsformen der Figuren 3, 4 und 5. Die Mikroskop-Einstelleinheit 17 ist in Figur 7 als Piezo-Dreibein 19 zum Verschieben der Fokusebene des Objektivs 7 eingezeichnet, aber könnte beispielsweise auch wie im Hinblick auf die Figuren 3, 4 und 5 beschrieben ausgebildet sein. FIG. 7 shows a schematic representation of a device for time-resolved microscopy according to a further embodiment, in which the microscope 5 is designed as a laser scanning microscope. In its basic structure, the device according to this embodiment is identical except for the differences explained below or analogous to the embodiments of Figures 3, 4 and 5. The microscope setting unit 17 is shown in Figure 7 as a piezo tripod 19 for moving the focal plane of the lens 7, but could for example also be designed as described with regard to FIGS. 3, 4 and 5.
Im Gegensatz zu den in den Figuren 3, 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung nach Figur 7 zusätzlich zu dem Messkanal zur Aufnahme des Referenzdatensatzes und des Messdatensatzes (Stabilisierungskanal) einen weiteren Messkanal (Experimentkanal) zur Aufnahme von (zusätzlichen) Experimentdaten. Der Stabilisierungskanal kann, beispielsweise wie mit Bezug auf die Figuren 3, 4 und 5 beschrieben, zur Bewegungsstabilisierung verwendet werden und die eigentlichen Daten des Experiments oder zusätzliche Daten können über den Experimentkanal erhalten werden. Da der Stabilisierungskanal und der Experimentkanal Messkananäle desselben Mikroskops 5 sind, werden über den Experimentkanal ohne zusätzlichen Aufwand bewegungsstabilisierte Messdaten erhalten, wenn die Messung gleichzeitg zu der bewegungsstabilisierten Aufnahme des Messdatensatzes über den Stabilisierungskanal durchgeführt wird. In contrast to the embodiments shown in FIGS. 3, 4 and 5, the device according to FIG. 7 comprises, in addition to the measurement channel for recording the reference data set and the measurement data set (stabilization channel), a further measurement channel (experimental channel) for recording (additional) experimental data. The stabilization channel may be used, for example, as described with reference to Figures 3, 4 and 5, for motion stabilization and the actual data of the experiment or additional data may be obtained via the experimental channel. Since the stabilization channel and the experiment channel are measurement channels of the same microscope 5, motion-stabilized measurement data are obtained via the experiment channel without additional effort if the measurement is performed simultaneously with the motion-stabilized recording of the measurement data set via the stabilization channel.
Außer dem Scanner 35 des Stabilisierungskanals umfasst in der Anordnung gemäß Figur 7 das Mikroskop 5 einen weiteren Scanner 49, welchem ein abgespaltener Teil des Anregungsstrahls 45 zugeführt wird. Der weitere Scanner 49 kann wiederum einen oder mehrere, insbesondere zwei, Scannerspiegel 51 aufweisen, mit denen er unabhängig von dem Scanner 35 des Stabilisierungskanals ein eindimensionales oder ein zweidimensionales Scanmuster abtasten kann. In addition to the scanner 35 of the stabilization channel, in the arrangement according to FIG. 7 the microscope 5 comprises a further scanner 49 to which a split-off part of the excitation beam 45 is supplied. The further scanner 49 can in turn have one or more, in particular two, scanner mirrors 51 with which it can scan a one-dimensional or a two-dimensional scan pattern independently of the scanner 35 of the stabilization channel.
Die Datenaufnahmeeinheit 1 1 umfasst in dieser Ausführungsform außer dem dem Stabilisierungskanal zugeordneten Photomultiplier 47 einen weiteren Photomultiplier 53, welcher dem Experimentkanal zugeordnet ist. Mittels eines Elements zur spektralen Trennung, insbesondere einem dichriotischen Spiegel 55, kann die Signalstrahlung von der Probe 1 spektral auf den Photomultiplier 47 des Stabilisierungskanals und den Photomultiplier 53 des Experi- mentkanals aufgeteilt werden. Die spektrale Aufteilung kann derart erfolgen, dass der Stabilisierungskanal vornehmlich nicht-dynamische Signale detektiert, die hauptsächlich von einer Bewegung der Probe herrühren, aber gegenüber der eigentlich zu untersuchenden Dynamik relativ unempfindlich ist. Der Experimentkanal kann dagegen vornehmlich Signale detektie- ren, die von der zu untersuchenden Dynamik stammen. In this embodiment, the data acquisition unit 11 includes, in addition to the photomultiplier 47 assigned to the stabilization channel, a further photomultiplier 53, which is assigned to the experiment channel. By means of a spectral separation element, in particular a dichroic mirror 55, the signal radiation from the specimen 1 can be spectrally spectrally transmitted to the photomultiplier 47 of the stabilization channel and the photomultiplier 53 of the experiment. be divided. The spectral distribution can be such that the stabilization channel primarily detects non-dynamic signals, which mainly result from a movement of the sample, but is relatively insensitive to the dynamics actually to be investigated. By contrast, the experiment channel can primarily detect signals that originate from the dynamics to be investigated.

Claims

Ansprüche claims
1. Vorrichtung zum zeitaufgelösten Mikroskopieren einer Probe (1 ), umfassend: einen Probenhalter (3) zur Aufnahme der Probe (1 ); ein Mikroskop (5) mit einer Datenaufnahmeeinheit (1 1 ), welche dazu ausgelegt ist, Daten aus einem von dem Mikroskop (5) definierten Aufnahmebereich (9) aufzunehmen; eine Einstelleinheit (13) zum veränderlichen Einstellen einer Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich (9) und dem Probenhalter (3); und eine Steuereinrichtung (25), die zum Ansteuern der Einstelleinheit (13) und der Datenaufnahmeeinheit (11 ) konfiguriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (25) dazu konfiguriert ist, die Einstelleinheit (13) und die Datenaufnahmeeinheit (11 ) dazu anzusteuern, durch wiederholtes abwechselndes Aufnehmen von Daten durch die Datenaufnahmeeinheit (11 ) und Verändern der Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich (9) und dem Probenhalter (3) einen Referenzdatensatz aufzunehmen, die Steuereinrichtung (25) dazu konfiguriert ist, nach Aufnahme des Referenzdatensatzes den Referenzdatensatz zur Charakterisierung einer Umgebung einer bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs (9) in Bezug auf die Probe (1 ) auszuwerten; und die Steuereinrichtung (25) dazu konfiguriert ist, nach dem Auswerten des Referenzdatensatzes mehrmals iterativ folgende Schritte zum Aufnehmen eines Messdatensatzes durchzuführen: An apparatus for time-resolved microscopy of a sample (1), comprising: a sample holder (3) for receiving the sample (1); a microscope (5) having a data acquisition unit (1 1) which is adapted to receive data from a receiving area (9) defined by the microscope (5); an adjusting unit (13) for variably setting a relative position between the receiving area (9) and the sample holder (3); and control means (25) configured to drive the setting unit (13) and the data receiving unit (11), characterized in that the control means (25) is configured to drive the setting unit (13) and the data receiving unit (11) thereto to record a reference data set by repeatedly alternately receiving data by the data acquisition unit (11) and changing the relative position between the receiving area (9) and the sample holder (3), the control device (25) being configured to record the reference data record for characterization after the reference data set has been acquired an environment of a preferred relative position of the receiving area (9) with respect to the sample (1) to evaluate; and the control device (25) is configured, after the evaluation of the reference data record, to iteratively perform the following steps several times to record a measurement data record:
Ansteuern der Datenaufnahmeeinheit (1 1 ) zum Aufnehmen von Daten; Driving the data acquisition unit (11) to record data;
Bestimmen eines Verschiebungsvektors zwischen der bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs (9) in Bezug auf die Probe (1 ) und einer aktuellen Relativlage des Aufnahmebereichs (9) in Bezug auf die Probe (1 ) basierend auf den aufgenommenen Daten und dem ausgewerteten Referenzdatensatz; und Determining a displacement vector between the preferred relative position of the imaging region (9) with respect to the sample (1) and a current relative position of the imaging region (9) relative to the sample (1) based on the acquired data and the evaluated reference data set; and
Ansteuern der Einstelleinheit (13) zum Verändern der Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich (9) und dem Probenhalter (3) zum zumindest teilweisen Ausgleichen des Verschiebungsvektors. Activating the setting unit (13) for changing the relative position between the receiving area (9) and the sample holder (3) for at least partially compensating the displacement vector.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Einstelleinheit (13) eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfasst: eine als motorisierte Antriebseinrichtung oder als piezogetriebener Fokustrieb ausgebildete Objektiv-Antriebseinrichtung (37) zur Veränderung der Lage eines Objektivs (7) des Mikroskops (5), eine Probenhalter-Antriebseinrichtung (15) zur motorisierten Veränderung der Lage des Probenhalters (3), eine Linse (41 ) mit veränderlich einstellbarer Brennweite, einen adaptiven Spiegel (43) im Strahlengang des Mikroskops (5) oder ein Piezo-Dreibein (19) zur Verschiebung des Objektives (7) des Mikroskops (5). 2. Device according to claim 1, wherein the setting unit (13) comprises one or more of the following components: a lens drive device (37) designed as a motorized drive device or as a piezo-driven focusing drive for changing the position of an objective (7) of the microscope (5). a sample holder drive device (15) for motorized modification of the position of the sample holder (3), a lens (41) with variably adjustable focal length, an adaptive mirror (43) in the beam path of the microscope (5) or a piezo tripod (19) for displacement of the objective (7) of the microscope (5).
3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Aufnahmebereich (9) jeweils einer zweidimensionalen Fläche im Raum entspricht. 3. Device according to one of the preceding claims, wherein a receiving area (9) each corresponds to a two-dimensional surface in space.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Aufnahmebereich (9) jeweils einem Linien- oder Polygonscanpfad im Raum entspricht. 4. Device according to one of the preceding claims, wherein a receiving area (9) each corresponds to a line or Polygonscanpfad in space.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (25) dazu konfiguriert ist, die Einstelleinheit (13) derart anzusteuern, dass das Verändern der Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich (9) und dem Probenhalter (3) beim Aufnehmen des Referenzdatensatzes jeweils einer linearen Verschiebung des Aufnahmebereichs (9) relativ zu dem Probenhalter (3) entlang einer optischen Achse (21 ) des Mikroskops (5) entspricht. 5. Device according to one of the preceding claims, wherein the control device (25) is configured to control the setting unit (13) such that changing the relative position between the receiving area (9) and the sample holder (3) when receiving the reference data set one each linear displacement of the receiving area (9) relative to the sample holder (3) along an optical axis (21) of the microscope (5).
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (25) dazu konfiguriert ist, die Einstelleinheit (13) und die Datenaufnahmeeinheit (1 1 ) derart anzusteuern, dass als Referenzdatensatz eine Serie von gegeneinander verschobenen Linien- oder Polygonscans aufgenommen wird. 6. Device according to one of the preceding claims, wherein the control device (25) is configured to control the setting unit (13) and the data acquisition unit (1 1) such that a series of mutually displaced line or polygon scans is recorded as a reference data record.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (25) dazu konfiguriert ist, die Einstelleinheit (13) derart anzusteuern, dass das Verändern der Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich (9) und dem Probenhalter (3) beim Aufnehmen des Messdatensatzes zumindest eine Verschiebung des Aufnahmebereichs (9) relativ zu dem Probenhalter (3) entlang einer optischen Achse (21 ) des Mikroskops (5) umfasst. 7. Device according to one of the preceding claims, wherein the control device (25) is configured to control the setting unit (13) such that the changing of the relative position between the receiving area (9) and the sample holder (3) when recording the measured data set at least one Displacement of the receiving area (9) relative to the sample holder (3) along an optical axis (21) of the microscope (5).
8. Vorrichtung nach einer der vorangehenden Ansprüche, wobei der Messdatensatz einer zeitaufgelösten zweidimensionalen Bilderserie entspricht. 8. Device according to one of the preceding claims, wherein the measurement data set corresponds to a time-resolved two-dimensional image series.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Messdatensatz einer zeitaufgelöste Serie von Linien- oder Polygonscans entspricht. 9. Device according to one of the preceding claims, wherein the measurement data set corresponds to a time-resolved series of line or polygon scans.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (25) dazu konfiguriert ist, beim Auswerten des Referenzdatensatzes mittels Datenanalyse von einer Aufnahme des Referenzdatensatzes ausgehend, die zu der bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs (9) in Bezug auf die Probe (1 ) korrespondiert, basierend auf den Daten der übrigen Aufnahmen des Referenzdatensatzes und bekannten Verschiebungsvektoren zwischen den einzelnen Aufnahmen des Referenzdatensatzes an mehreren Merkmalspunkten dreidimensionale Intensitätsgradienten zu berechnen. 10. Device according to one of the preceding claims, wherein the control device (25) is configured, when evaluating the reference data record by means of data analysis, starting from a recording of the reference data record which corresponds to the preferred relative position of the receiving region (9) with respect to the sample (1). corresponds to calculate three-dimensional intensity gradients at several feature points based on the data of the other recordings of the reference data set and known displacement vectors between the individual recordings of the reference data record.
11. Verfahren zum zeitaufgelösten Mikroskopieren einer Probe (1 ), umfassend: Halten der Probe (1 ) mit einem Probenhalter (3); A method of time-resolved microscopy of a sample (1) comprising: holding the sample (1) with a sample holder (3);
Aufnehmen eines Referenzdatensatzes durch wiederholtes abwechselndes Aufnehmen von Daten aus einem von einem Mikroskop (5) definierten Aufnahmebereich (9) mittels einer Datenaufnahmeeinheit (11 ) des Mikroskops (5) und Verändern der Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich (9) und dem Probenhalter (3); nach der Aufnahme des Referenzdatensatzes Auswerten des Referenzdatensatz zur Charakterisierung einer Umgebung einer bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs (9) in Bezug auf die Probe (1 ); und nach dem Auswerten des Referenzdatensatzes mehrmaliges iteratives Durchführen folgender Schritte zum Aufnehmen eines Messdatensatzes: Recording a reference data set by repeatedly alternately picking up data from a receiving area (9) defined by a microscope (5) by means of a data acquisition unit (11) of the microscope (5) and changing the relative position between the receiving area (9) and the sample holder (3); after recording the reference data record, evaluating the reference data record to characterize an environment of a preferred relative position of the recording area (9) with respect to the sample (1); and after evaluating the reference data set, iteratively performing the following steps to record a measurement data set:
Aufnehmen von Daten durch die Datenaufnahmeeinheit (11 ); Receiving data by the data acquisition unit (11);
Bestimmen eines Verschiebungsvektors zwischen der bevorzugten Relativlage des Aufnahmebereichs (9) in Bezug auf die Probe (1 ) und einer aktuellen Relativlage des Aufnahmebereichs (9) in Bezug auf die Probe (1 ) basierend auf den aufgenommenen Daten und dem ausgewerteten Referenzdatensatz; und Determining a displacement vector between the preferred relative position of the imaging region (9) with respect to the sample (1) and a current relative position of the imaging region (9) relative to the sample (1) based on the acquired data and the evaluated reference data set; and
Verändern der Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich (9) und dem Probenhalter (3) zum zumindest teilweisen Ausgleichen des Verschiebungsvektors. Changing the relative position between the receiving area (9) and the sample holder (3) for at least partially compensating the displacement vector.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , wobei das Verändern der Relativlage zwischen dem Aufnahmebereich (9) und dem Probenhalter (3) beim Aufnehmen des Referenzdatensatzes jeweils einer linearen Verschiebung des Aufnahmebereichs (9) relativ zu dem Probenhalter (3) entlang einer optischen Achse (21 ) des Mikroskops (5) entspricht, so dass der Referenzdatensatz als Bildstapel aufgenommen wird. 12. The method of claim 1 1, wherein changing the relative position between the receiving area (9) and the sample holder (3) when recording the reference data set in each case a linear displacement of the receiving area (9) relative to the sample holder (3) along an optical axis ( 21) of the microscope (5), so that the reference data set is recorded as a picture stack.
13. Verfahren nach Anspruch 1 1 oder 12, wobei als Referenzdatensatz eine Serie von gegeneinander verschobenen Linien- oder Polygonscans aufgenommen wird. 13. The method of claim 1 1 or 12, wherein a series of mutually displaced line or Polygonscans is recorded as a reference data record.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei ein Aufnahmebereich (9) jeweils einer zweidimensionalen Fläche im Raum oder einem Linien- oder Polygonscanpfad im Raum entspricht. 14. The method according to any one of claims 11 to 13, wherein a receiving area (9) each corresponds to a two-dimensional area in space or a line or Polygonscanpfad in space.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei beim Auswerten des Referenzdatensatzes mittels Datenanalyse für zumindest mehrere der den Referenzdatensatz bildenden Aufnahmen jeweils ein Verschiebungsvektor zwischen der bevorzugten Lage des Aufnahmebereichs (9) in Bezug auf die Probe (1 ) und einer der Aufnahme zugeordneten Relativlage des Aufnahmebereichs (9) in Bezug auf die Probe (1 ) ermittelt wird. 15. The method according to claim 11, wherein during the evaluation of the reference data record by means of data analysis for each of a plurality of recordings forming the reference data record a displacement vector between the preferred position of the recording area (9) with respect to the sample (1) and one of the recordings associated relative position of the receiving area (9) with respect to the sample (1) is determined.
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