Microscopia holográfica digital

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Figura 1. DHM fase cambio la imagen de los detalles de la célula.

Microscopia holográfica digital (DHM) es holografía digital aplicado a microscopia. La microscopia holográfica digital se distingue de otros métodos de microscopía por no grabar la imagen proyectada del objeto. En cambio, la luz frente de onda información procedentes del objeto digital se registra como un holograma, desde donde un ordenador calcula la imagen del objeto mediante un numérico algoritmo de reconstrucción. La imagen formando lente en microscopía tradicional es así reemplazado por un algoritmo de computadora.

Otros métodos de microscopia estrechamente relacionados a la microscopía holográfica digital Microscopía interferométrica, tomografía de coherencia óptica y microscopía de fase de difracción. Común a todos los métodos es el uso de un frente de onda de referencia para obtener la amplitud (intensidad) y fase información. La información se graba en un sensor de imagen digital o por un detector de foto que una imagen del objeto se crea (reconstruida) de una computadora. En la microscopía tradicional, que no utilice un frente de onda de referencia, se registra solamente la información de intensidad y se pierde la información esencial sobre el objeto.

Holografía digital se ha aplicado principalmente para microscopía de luz. Sin embargo, la holografía digital también se ha aplicado a microscopia electrónica.[1] La holografía fue inventada por Dennis Gabor para mejorar el microscopio electrónico. Por diversas razones la holografía nunca lo hizo en el microscopio electrónico.

Contenido

  • 1 Principio de funcionamiento
  • 2 Ventajas
  • 3 Aplicaciones
  • 4 Historia
  • 5 Véase también
  • 6 Referencias
  • 7 Enlaces externos
  • 8 Lectura adicional
    • 8.1 Libros
    • 8.2 Comentarios
    • 8.3 Problemas de función

Principio de funcionamiento

Figura 2. Configuración óptica típica de DHM.

Para crear el necesario patrón de interferencia, es decir, el holograma, la iluminación debe ser una coherente fuente de luz (monocromática), un láser por ejemplo. Como puede verse en la figura 2, la luz láser se divide en una viga del objeto y un haz de referencia. La viga del objeto ampliado ilumina la muestra para crear el frente de onda del objeto. Después el objeto frente de onda es recogido por un objetivo de microscopio, los frentes de onda de referencia y objeto están Unidos por un divisor de haz interferir y crear el holograma. Usando el holograma grabado digitalmente, un ordenador actúa como un lente digital y calcula una imagen visible del frente de onda del objeto mediante un algoritmo de reconstrucción numérica.

Comúnmente, un objetivo de microscopio se usa para recoger el objeto frente de onda. Sin embargo, como el objetivo del microscopio sólo se utiliza para recoger la luz y no para formar una imagen, puede ser reemplazado por una lente simple. Si una resolución óptica ligeramente inferior es aceptable, puede eliminarse totalmente el objetivo del microscopio.

Holografía digital viene en diferentes sabores, tales como Fresnel de fuera del eje, Transformada de Fourier, plano de imagen, en línea, Gabor y desplazamiento de fase holografía digital,[2] dependiendo de la configuración óptica. El principio básico, sin embargo, es el mismo; se registra un holograma y una imagen es reconstruida por un equipo.

El lateral resolución óptica de microscopia holográfica digital es equivalente a la resolución de los tradicionales Microscopía de luz. DHM es difracción limitada por la apertura numérica, de la misma manera como microscopía óptica tradicional. Sin embargo, DHM ofrece una resolución excelente axial (profundidad). Una precisión axial de aproximadamente 5 nm se ha divulgado.[3]

Ventajas

Figura 3. Comparación de una imagen de cambio de fase DHM (izquierda) y un Microscopía de contraste de fase imagen (derecha).

Imágenes de cambio de fase
Además de lo ordinario campo brillante imagen, un desplazamiento de fase así se crea la imagen. La imagen de cambio de fase es única para microscopia holográfica digital y proporciona información cuantificable sobre distancia óptica. En la reflexión DHM, la fase de cambio de formas de imagen una topografía imagen del objeto.

Objetos transparentes, como vida biológica células de, tradicionalmente son vistos en un microscopio de contraste de fase o en un microscopio de contraste de interferencia diferencial. Estos métodos de visualizan fase cambiando objetos transparentes por distorsionar la imagen de campo claro con información de cambio de fase. En lugar de distorsionar la imagen de campo claro, transmisión DHM crea una demostración de imagen de cambio de fase separada del espesor óptico del objeto. La microscopia holográfica digital así hace posible visualizar y cuantificar objetos transparentes y por lo tanto también se conoce como Microscopía de contraste de fase cuantitativa.

Contraste de la fase tradicional o de imágenes de campo claro de la vida sin mancha las células biológicas, la figura 3 (derecha), han probado ser muy difíciles de analizar con Análisis de imagen software. Por el contrario, imágenes de cambio de fase, figura 3 (izquierda), son fácilmente dividido en segmentos y analizados por el software de análisis de imagen basado en morfología matemática, tales como CellProfiler.[4]

Información 3-dimensional
Una imagen del objeto se calcula en un determinado distancia focal. Sin embargo, como el holograma grabado contiene toda la información de frente de onda del objeto sea necesario, es posible calcular el objeto en cualquier plano focal cambiando el parámetro de distancia focal en el algoritmo de reconstrucción. De hecho, el holograma contiene toda la información necesaria para calcular un total pila de imagen. En un sistema DHM, donde se registra el frente de onda objeto desde múltiples ángulos, es posible caracterizar las características ópticas del objeto y crear tomografía imágenes del objeto.[5][6]

Enfoque automático digital
Convencional enfoque automático se logra modificando la distancia focal verticalmente hasta encontrar un plano de la imagen enfocada. Como puede calcularse la pila completa de planos de imagen de un holograma único, es posible utilizar cualquier método de enfoque automático pasivo para seleccionar digitalmente el plano focal.[7] El auto digital enfoque capacidades de holografía digital abre la posibilidad de escanear y las superficies de la imagen extremadamente rápidamente, sin ningún movimiento mecánico vertical. Grabación con un solo holograma y luego coser las imágenes que se calculan en diferentes planos focales, puede crearse una imagen completa y enfocada del objeto.[8]

Corrección de aberración óptica
Como los sistemas DHM no tienen una imagen que forma la lente, tradicional aberraciones ópticas no se aplican a DHM. Aberraciones ópticas son "corregidas" por el diseño del algoritmo de reconstrucción. Un algoritmo de reconstrucción que realmente modela la configuración óptica no sufrirán aberraciones ópticas.[9] [10]

Bajo costo
En microscopía óptica sistemas, aberraciones ópticas son tradicionalmente corregido mediante la combinación de lentes en una imagen compleja y costosa formación objetivo del microscopio. Además, el estrecho profundidad focal a grandes aumentos requiere mecánicos de la precisión. Los componentes necesarios para un sistema DHM son barata óptica y componentes del semiconductor, tales como una diodo láser y un sensor de imagen. El costo del componente bajo en combinación con el auto enfoque capacidades de DHM, hacen posible fabricar sistemas DHM a muy bajo costo.[11] [12]

Aplicaciones

Figura 4. Imagen de cambio de fase DHM de humanos células de sangre rojas.

La microscopia holográfica digital se ha aplicado con éxito en una variedad de áreas de aplicación.[13] Sin embargo, debido a la capacidad de DHM de forma no invasiva visualizar y cuantificar el tejido biológico, aplicaciones biomédicas han recibido mayor atención.[14] Ejemplos de aplicaciones biomédicas son:

  • Celular libre de etiqueta cuenta en adherente cultivos celulares. Microscopia holográfica digital hace posible realizar conteo de células y para medir la viabilidad de las células directamente en el compartimiento de la cultura de célula.[15][16] Hoy en día, la célula más comúnmente utilizada métodos de conteo hemocitómetro o Contador de Coulter, sólo trabaja con las células que se encuentran en suspensión.
  • Análisis de viabilidad de etiqueta-libre de cultivos de células adherentes.[17][18] Holografía digital se ha utilizado para estudiar la apoptótica proceso en diferentes tipos celulares. Los cambios de índice de refracción que tienen lugar durante los procesos apoptóticos se miden fácilmente con DHM.
  • Etiqueta-libre ciclo celular Análisis. La fase de cambio inducido por las células se ha demostrado para ser correlacionado a la celda seca. La célula de masa seca puede combinarse con otros parámetros que se puede obtener por la holografía digital, como el volumen celular y el índice de refracción, para proporcionar una mejor comprensión del ciclo celular.[19]
  • Análisis de morfología etiqueta-libre de células. Holografía digital se ha utilizado en diferentes contextos para el estudio de la morfología celular mediante tinción ni etiquetado.[16] Esto puede usarse para seguir los procesos como el proceso de diferenciación donde cambian características de la célula. DHM también se ha utilizado para planta automatizada célula de vástago Monitoreo y de hecho es posible distinguir entre dos tipos de tallo las células midiendo parámetros morfológicos.[20]
  • Etiquetas gratis célula nerviosa estudios. La microscopia holográfica digital hace posible estudiar procesos inalterados en las células nerviosas ya no etiquetado se requiere.[21] La hinchazón y el cambio de forma de las células nerviosas causadas por desequilibrio celular fácilmente fue estudiado.
Figura 5. Time-lapse de dividir sin mancha y migración de las células.
  • Etiqueta-libre Análisis de contenido de alta. Análisis de contenido/proyección alta fluorescente tiene varios inconvenientes. Por lo tanto, se han propuesto alternativas sin etiqueta basados en imágenes de cambio de fase.[4] La capacidad de obtener imágenes en fase cambio rápidamente sobre grandes áreas de DHM abre nuevas posibilidades de caracterización cuantitativa muy rápido del ciclo celular y los efectos de agentes farmacológicos específicos.
  • Glóbulos rojos Análisis. Imágenes de cambio de fase se han utilizado para estudiar la dinámica de glóbulos rojos.[22][23] Concentración de hemoglobina y el volumen de eritrocitos ha sido medida mediante la combinación de información de absorción e imágenes de cambio de fase para facilitar la cuenta completa del glóbulo por microscopia holográfica.[24] Además se ha demostrado[25] que la información de cambio de fase discrimina glóbulos rojos inmaduros de maduro, facilitando sin mancha reticulocitos cuenta.
  • Citometría de flujo y rastreo de partículas y caracterización. Imágenes creadas por holografía digital se calculan a partir del holograma grabado en cualquier momento después de la grabación y en cualquier plano focal determinado. Combinando varias imágenes calculadas desde el mismo holograma, pero en diferentes planos focales, una mayor profundidad de campo puede obtenerse, que es muy superior a lo que puede lograrse con microscopía tradicional. La mayor profundidad de campo es posible a la imagen y a caracterizar la morfología de las células y partículas en suspensión. Observaciones pueden hacerse directamente en una microfluídicos canal o estáticamente en una cámara de observación.[26][27][28]
  • Microscopía de Time-lapse de división celular y la migración.[29] El cambio de fase y autoenfoque capacidades de microscopia holográfica digital de imágenes permite crear sin esfuerzo sin etiqueta y cuantificables Time-lapse video clips de células sin manchas para migración de la célula estudios.[30] Se muestra en la figura 5 una etiqueta libre de Time-lapse de división y migración de las células.
  • Tomografía estudios.[31] Microscopia holográfica digital permite el análisis libre de etiqueta y cuantificable del movimiento subcelular en tejido vivo.

Historia

Los primeros informes de sustituir el holograma fotográfico del clásico holografía por digitalmente la grabación del holograma y numéricamente la reconstrucción de la imagen en una computadora fue publicado a finales de 1960[32] y en la década de 1970.[33][34] Ideas similares fueron propuestos para el microscopio electrónico de en la década de 1980.[35] Pero, computadoras eran demasiado lentas y las capacidades de grabación eran demasiado pobres para holografía digital ser útil en la práctica. Después del entusiasmo inicial, holografía digital entró en una hibernación similar como holografía experimentada unas dos décadas antes.

A mediados de 1990, los equipos y sensores de imagen digital se habían convertido en lo suficientemente potentes como para reconstruir imágenes con algo de calidad.[36] En la década de 1960, holografía digital podría o media para calcular la imagen de un holograma o calcular un holograma de un modelo 3D. El último desarrollado en paralelo con la holografía clásica durante la hibernación de la holografía digital. Durante ese tiempo, era sinónima de lo que ahora se conoce como holografía digital holografía generada por ordenador.

Por mediados de los 90, Computadoras y sensores de imagen digital habían mejorado enormemente, pero todavía careció el número de píxeles requeridos y la densidad de holografía digital ser algo más que una curiosidad. En el momento, el mercado de sensores de imagen digital de conducción era sobre todo vídeo de baja resolución y así esos sensores proporcionados sólo PAL, NTSC, o SECAM resolución. Esto pronto cambió a principios del siglo XXI con la introducción de cámaras digitales de imagen fija, que impulsó la demanda de sensores de número de píxeles de alto baratos. A partir de 2010, sensores de imagen asequible pueden tener hasta 60 megapíxeles. Además, el mercado de CD y reproductor de DVD ha impulsado el desarrollo de comprable láseres de diodo y la óptica.

Los primeros reportes del uso de la holografía digital para microscopía de luz vinieron a mediados de 1990.[37][38] Sin embargo, no fue hasta la década de 2000 que tecnología de sensor de imagen había progresado lo suficiente como para permitir imágenes de una calidad razonable. Durante este tiempo, las primeras empresas comerciales microscopia holográfica digital, Proyección de imagen de 4Deep en elagua, Lyncée tec, y Proyección de imagen olográfica de fase, fueron fundados. Con mayor poder de computación y uso de sensores de alta resolución baratos y láser, microscopía holográfica digital hoy es encontrar aplicaciones principalmente dentro de Ciencias de la vida, Oceanología y Metrología.

Véase también

  • holografía digital
  • Microscopía de contraste de fase cuantitativa
  • holografía
  • microscopia

Referencias

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Enlaces externos

  • Tres encuentro de la proyección de imagen tridimensional y holografía digital por la sociedad de óptica
  • Microscopio holográfica Digital en línea sumergible por proyección de imagen de 4Deep en elagua
  • Microscopia holográfica digital por LyncéeTec, pioneros en la holografía digital
  • Microscopia holográfica digital por proyección de imagen olográfica de fase

Lectura adicional

Libros

  • Métodos de holografía digital por L. P. Yaroslavskii y N. S. Merzlyakov, Springer (1980)
  • Holografía digital y Digital procesamiento de imágenes: principios, métodos, algoritmos por Leonid Yaroslavsky, Kluwer (2004)
  • Manual de interferometría holográfica: métodos ópticos y digitales por Thomas Kreis, Wiley (2004)
  • Holografía digital por Schnars U. y W. Jueptner, Springer (2005)
  • Holografía digital y visualización tridimensional: principios y aplicaciones por Poon Chung Ting (Editor), Springer (2006)
  • Aplicaciones de microscopia de holografía digital: tres Análisis Dimensional del objeto y el seguimiento por Cedric Schockaert, VDM Verlag (2009)
  • La microscopia holográfica de objetos microscópicos fase: teoría y práctica por Tatyana Tishko, Tishko Dmitry, Titar Vladimir, mundo científico (2010)
  • Imágenes de la fase cuantitativa de las células y los tejidos por Gabriel Popescu, McGraw-Hill (2011)
  • La microscopia holográfica digital: Principios, técnicas y aplicaciones por Myung K. Kim, Springer (2011)
  • Microscopía de luz coherente: La proyección de imagen y análisis de fase cuantitativo editado por Pietro Ferraro, Springer (2011)
  • Holografía, investigación y tecnologías editado por Joseph Rosen, InTech (2011)
  • Holografía digital para MEMS y microsistemas de Metrología editado por Erdal Cayirci, Wiley (2011)
  • Procesamiento de imagen para holografía Digital por Karen Molony, VDM Verlag (2011)
  • Holografía digital por Pascal Picart y Jun chang Li, Wiley (2012)

Comentarios

  • General: Principios y técnicas de la microscopia holográfica digital por Myung K. Kim, comentarios SPIE, Vol. 1, 018005 (2010)
  • Biología celular: Estudios celulares y holografía digital por Kersti Alm et al., InTech (2011)

Problemas de función

  • PROYECCIÓN DE IMAGEN TRIDIMENSIONAL Y HOLOGRAFÍA DIGITAL editado por Ting Chung Poon, óptica aplicada Vol. 50, Iss. 34 (2011)

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