단층 위상 현미경 기술의 정량적 정확성을 평가하기 위한 3D 산란 마이크로 팬텀 샘플

May 30, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 19586(2022) 이 기사 인용

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본 논문에서는 2광자 중합으로 제작된 구조적으로 복잡한 생체모방 산란 구조를 제시하고, 컴퓨터 이미징 시스템을 벤치마킹하기 위해 이 개체를 활용합니다. 팬텀은 자유도, 즉 굴절률 대비 및 산란층 크기를 수정하여 산란을 조정할 수 있으며 조직 내 단일 세포를 나타내는 3D 영상 품질 테스트를 통합합니다. 샘플은 여러 3D 현미경 기술과 함께 사용될 수 있지만 산란이 세 가지 단층 위상 현미경(TPM) 재구성 방법에 미치는 영향을 보여줍니다. 이러한 방법 중 하나는 샘플이 약한 산란이라고 가정하는 반면, 다른 두 가지 방법은 다중 산란을 고려합니다. 이 연구는 산란 현상에 대한 스케일링 인자 역할을 하는 두 가지 파장(가시광선 및 근적외선)에서 수행됩니다. 우리는 파장을 가시광선에서 근적외선으로 변경하면 TPM 재구성 방법의 적용 가능성에 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. 근적외선 영역에서 산란이 감소한 결과, 다중 산란 지향 기술은 실제로 약한 산란 샘플을 목표로 하는 방법보다 성능이 떨어집니다. 이는 물체와 빛의 상호 작용에 미묘한 변화가 있더라도 시료의 산란 특성에 따라 적절한 접근 방식을 선택해야 함을 의미합니다.

전산 광학 분야의 현대적인 과제 중 하나는 산란 샘플을 고해상도1로 이미지화하는 것입니다. 이는 타원체 또는 오가노이드와 같은 복잡한 생물학적 구조가 약물 발견과 같은 2D 세포 배양보다 더 관련성이 높은 모델인 경향이 있다는 사실에 기인할 수 있습니다2. 또한 대부분의 생체 내 이미징 기술에서는 프로빙 광이 조직의 복잡한 구조를 통과해야 하므로 다중 산란으로 인해 이미징 깊이가 크게 제한됩니다. 이러한 요구는 새로운 방법의 개발을 촉진하지만 분석된 표본의 산란 강도를 기반으로 적절한 방법을 선택하는 것은 어렵습니다. 이러한 이유로 물체의 산란 특성에 따라 적용 한계를 결정하려면 다양한 이미징 시스템과 알고리즘을 평가하기 위한 다용도, 반복 가능 및 정량적 방법이 필수적입니다. 한 가지 가능성은 보정된 마이크로 팬텀을 이미징 대상으로 사용하는 것입니다. 불행하게도 기존 마이크로팬텀은 일반적으로 다중 산란 방법이 의도하는 이질적으로 산란하는 다세포 샘플의 유형에 비해 약한 산란(예: 인덱스 일치 미세구) 또는 지나치게 단순합니다(예: 인덱스 불일치 미세구)6,7입니다. 이는 반복적 수렴이 에너지 환경의 복잡성에 따라 달라지고 샘플의 3D 복잡성과 직접적으로 연관되는 비볼록 솔버를 활용하는 계산 이미징 방법을 특성화할 때 중요한 제한 사항입니다8.

이 연구에서는 다중 산란 굴절률(RI) 분포를 갖춘 3D 프린팅 마이크로팬텀을 제시합니다. 이를 위해 우리는 직접 레이저 쓰기9,10,11,12를 통해 3D 프린팅의 최근 개발을 활용합니다. 사용 가능한 여러 3D 프린팅 기술13,14,15,16,17,18 중에서 우리는 알려진 기하학적 구조와 보정된 RI를 가진 마이크로 팬텀 샘플의 3D 프린팅을 가능하게 하는 2광자 중합을 선택했습니다. 직접 레이저 기록의 다른 구현과 비교할 때 (1) 상대적으로 높은 변조 범위로 RI를 제어하고, (2) 다른 침지 액체를 사용하여 제작 후 RI 대비 또는 산란 강도를 조정하고, (3) 처리 및 생물학적 시료와 동일한 방식으로 마이크로팬텀을 측정합니다. 다음으로, 우리는 이전 연구에서 인상적인 생물학적 이미징 결과를 입증한 기술인 단층 위상 현미경(TPM) 분야에서 팬텀의 적용을 제시합니다. 그러나 제안된 절차를 사용하여 모든 컴퓨터 이미징 방법을 평가할 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.