Ученые разработали новый метод для визуализации микроскопических объектов, основанный на принципе фантомных изображений. Метод может дополнить существующие решения в части комплексной визуализации образцов в биологических и медицинских исследованиях. Результаты исследования опубликованы в журнале Optics & Laser Technology.
Процесс съемки объекта в установке по фантомной микроскопии. Фото предоставлено авторами (Андрей Вьюнышев)
Оптическая микроскопия играет ключевую роль в различных областях науки и медицины, предоставляя возможность детального трехмерного исследования микроструктур. Эта технология применяется для анализа клеток, тканей, микроорганизмов и исследования физиологических процессов в них. Несмотря на многовековую историю развития оптической микроскопии, в последние годы предложены новые подходы для улучшения качества изображений и получения дополнительной информации об исследуемых объектах. В классической оптической микроскопии, если объектив сдвигается относительно области, где находится образец, то его изображение быстро становится нечетким, а детали размытыми. Масштаб этого эффекта характеризует так называемая «глубина резкости» — область, в пределах которой изменение положения объектива не ведет к серьезному ухудшению изображения, то есть изображение остается «в фокусе».
Ученые Красноярского научного центра СО РАН совместно с коллегами из Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова предложили новый подход для визуализации микроскопических объектов. Специалисты разработали метод на основе фантомного принципа, который позволяет преодолевать инструментальные ограничения, связанные с глубиной резкости оптической схемы микроскопа.
Фантомные изображения — метод визуализации, который использует коррелированные световые поля. Основу метода составляет применение двух световых полей, одно из которых взаимодействует с исследуемым объектом и регистрируется однопиксельным детектором, тогда как второй пучок, не несущий информацию об объекте, регистрируется матричным детектором. Изображение объекта формируется из взаимной пространственной корреляции этих пучков. Этот метод обладает рядом достоинств, позволяя существенно расширить глубину резкости оптической схемы микроскопа. Такой подход открывает новые возможности для трехмерной визуализации микроскопических объектов, таких как клетки и ткани, с высокой детализацией.
«В нашей работе реализована оптическая микроскопия на основе принципа фантомной визуализации. В основе подхода лежит анализ пространственных корреляций случайных световых полей. Предложенный нами метод микроскопии отличается тем, что при расфокусировке объектива – главного элемента микроскопа – изображения не размываются, как это происходит в стандартной оптической микроскопии», — комментирует полученные изображения Николай Давлетшин, один из авторов исследования, младший научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.
Изображения, полученные методом стандартной (верхняя строка) и фантомной (нижняя строка) микроскопии. Фото предоставлено авторами (Андрей Вьюнышев)
Одно из главных преимуществ микроскопии на фантомном принципе — работа без использования меток — специальных маркеров, которые добавляют в образец для визуализации его структуры. Это крайне важно для биологических исследований, где минимальное вмешательство в образцы имеет ключевое значение. Такой подход к визуализации сложных биологических образцов может значительно повысить эффективность диагностики и анализа.
«Универсального метода микроскопии не существует. Множество методов направлено на улучшение качества получаемых микроизображений. Наша работа позволяет преодолеть ограничения, связанные с глубиной резкости оптической схемы микроскопа. По нашему мнению, — полученные результаты открывают путь к визуализации объемных микроскопических структур в дополнение к существующим методам оптической когерентной томографии и спекл-контрастной визуализации. Недавно мы получили патент на изобретение “Фантомный микроскоп”. Несмотря на сдержанный оптимизм, впереди еще очень много работы, направленной на изучение различных аспектов, связанных с новым типом микроскопии. Развитие метода фантомной микроскопии является нашей приоритетной задачей, поскольку открывает новые возможности для биомедицинских приложений. С этой целью мы подали заявку в Российский научный фонд. Поддержка фондом даст нам ресурс, который необходим для развития и закрепления приоритета нашей страны в новом направлении микроскопии», — резюмирует Андрей Вьюнышев, один из авторов исследования, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.
Информация и фото предоставлены Федеральным исследовательским центром «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»
