オンザフライの光学超解像をシンプルなワンステップで

トーマス・ヒューザー、マルセル・ミュラー、アンドレアス・マークヴィルト

電気光学変調器とコンシューマーレベルのグラフィックスカードを用いる新たなアプローチにより、超解像のイメージが瞬時に作成される。

超解像の光学顕微鏡は十分に性能が向上しており、今や商業的に実装されて多く利用されている。しかしながらほとんどの場合、これらのシステムを利用する人は、優れた光学解像度を得
るために代償を払う。すなわち、イメージング処理では通常、従来の顕微鏡イメージングよりも膨大な時間を要する。この欠点に対して近年取り組んでいるのが、独ビーレフェルト大（University of Bielefeld）の研究者らと独ライプニッツ・フォトニクス技術研究所（Leibniz Institute for Photonic Technologies）、独フリードリヒ・シラー大（Friedrich Schiller University）だ。このチームは、オンザフライで即時に超解像イメージを作成する新イメージングシステムを開発している（1）。
　これを実現するため、研究チームは超解像構造化照明顕微鏡法（SR-SIM）を用いた。SR-SIMは、2D実装において（3D実装もある）、約130nmの空間分解能を有する1つの最終イメージを作成するために9ソースの取得を必要とする（図1）。研究者らは自分たちのSR-SIM法をVIGOR（ビデオレートの即時GPU加速のオープンソース再構築）と呼んでいる。

パターン照射

9ソースのイメージそれぞれに対して、光学顕微鏡が解像できる限界において、周期性をもつ干渉パターンを用いる。このパターンは試料に照射され、事前に塗布した薬剤中の蛍光物質が励起する。空間を照明で満たすために、3つのイメージを異なる位相で、そして60度ずつずらした3つの異なる角度で照射する。パターンを発生させるために、変調可能で2値の光回折格子として空間光変調器（SLM）を用いる。パターンはアルゴン・クリプトン（ArKr）レーザからの直径12mmの平行レーザビームによって照射される（図2）。
　異なる蛍光色チャンネルに対応する3つのsCMOSカメラとつなげた開口数1.45の60倍油浸対物レンズにより、試料のイメージングが可能になる。このセットアップにより（図3）、チーム
は最大で毎秒63フレーム（fps）の超解像蛍光イメージを取得して描写できた。このスピードに到達するため、研究者はイメージ再構築アルゴリズムをカスタマイズし、コンシューマーレベルのグラフィックスカードでランできるようにした。データ転送も含めて再構築処理にかかる時間は、9の原画像から1つのSIMシーケンスに対して約20msだ。
　すべてのSR-SIMセットアップは、シンプルで直感的なオペレーションを可能とするグラフィカル・ユーザー・インタフェース1つを通じて制御できる。プラットフォームは、標準的な広視野蛍光セットアップと似たユーザーエクスペリエンスをもたらす。これは、自動的でリアルタイムなイメージ再構築と描写を統合した設計によるものだ。ユーザーは対象エリアを選択し、それにフォーカスを合わせ、超解像の多色イメージをビデオレート以上のスピードで取得でき、処理が起きている間に他の関係者と経験をシェアできる。

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出典元
http://ex-press.jp/wp-content/uploads/2020/04/036-038_bio_live_cell.pdf