論文の概要: Miniscope3D: optimized single-shot miniature 3D fluorescence microscopy

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2010.05382v1
• Date: Mon, 12 Oct 2020 01:19:31 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2022-10-08 08:11:22.521693
• Title: Miniscope3D: optimized single-shot miniature 3D fluorescence microscopy
• Title（参考訳）: Miniscope3D: 単一ショットの小型3D蛍光顕微鏡
• Authors: Kyrollos Yanny, Nick Antipa, William Liberti, Sam Dehaeck, Kristina Monakhova, Fanglin Linda Liu, Konlin Shen, Ren Ng and Laura Waller
• Abstract要約: 小型の蛍光顕微鏡は2D情報のみをキャプチャし、3D機能を実現する修正はサイズと重量を増大させる。 そこで本研究では,従来の2Dミニスコープのチューブレンズを,目標開口停止時に最適化された多焦点位相マスクに置き換えることで,3D機能を実現する。 我々は高さ17mm、重量2.5グラム、横方向2.76$mu$m、軸軸分解能15$mu$mで、900x700x390 $mu m3$を毎秒40巻で実証した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 8.3011168382078
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Miniature fluorescence microscopes are a standard tool in systems biology. However, widefield miniature microscopes capture only 2D information, and modifications that enable 3D capabilities increase the size and weight and have poor resolution outside a narrow depth range. Here, we achieve the 3D capability by replacing the tube lens of a conventional 2D Miniscope with an optimized multifocal phase mask at the objective's aperture stop. Placing the phase mask at the aperture stop significantly reduces the size of the device, and varying the focal lengths enables a uniform resolution across a wide depth range. The phase mask encodes the 3D fluorescence intensity into a single 2D measurement, and the 3D volume is recovered by solving a sparsity-constrained inverse problem. We provide methods for designing and fabricating the phase mask and an efficient forward model that accounts for the field-varying aberrations in miniature objectives. We demonstrate a prototype that is 17 mm tall and weighs 2.5 grams, achieving 2.76 $\mu$m lateral, and 15 $\mu$m axial resolution across most of the 900x700x390 $\mu m^3$ volume at 40 volumes per second. The performance is validated experimentally on resolution targets, dynamic biological samples, and mouse brain tissue. Compared with existing miniature single-shot volume-capture implementations, our system is smaller and lighter and achieves a more than 2x better lateral and axial resolution throughout a 10x larger usable depth range. Our microscope design provides single-shot 3D imaging for applications where a compact platform matters, such as volumetric neural imaging in freely moving animals and 3D motion studies of dynamic samples in incubators and lab-on-a-chip devices.
• Abstract（参考訳）: ミニチュア蛍光顕微鏡はシステム生物学の標準ツールである。 しかし、広視野小型顕微鏡は2D情報のみをキャプチャし、3D機能を実現する修正によってサイズと重量が増加し、狭い奥行き範囲の外側では解像度が低下する。 本稿では,従来の2dミニスコープのチューブレンズを対象物の開口停止時に最適化された多焦点位相マスクに置き換え,3d機能を実現する。 開口端に位相マスクを置くとデバイスのサイズが大幅に小さくなり、焦点長が変化することで、広い深度にわたって均一な解像度が得られる。 位相マスクは、3次元蛍光強度を1つの2次元計測に符号化し、スパーシティ制約された逆問題を解いて3次元ボリュームを回復する。 位相マスクの設計と製作を行う方法と、ミニチュア目的のフィールドバリアリング収差を考慮した効率的なフォワードモデルを提供する。 900x700x390$\mu m^3$ボリュームで毎秒40ボリュームの900x700x390$\mu m^3$ボリュームで、高さ17mm、重量2.5g、横方向2.76ドル、軸方向15ドルのプロトタイプを実証した。 性能は、解像度目標、動的生物学的サンプル、マウス脳組織で実験的に検証される。 従来のミニチュア・シングルショット・ボリュームキャプチャーシステムと比較すると,本システムは小型で軽量であり,最大10倍の深さ範囲で,横軸および軸方向の解像度が2倍以上向上している。 我々の顕微鏡設計は、自由に動く動物における体積型ニューラルイメージングや、インキュベーターやラボオンチップデバイスにおける動的サンプルの3次元運動研究など、コンパクトなプラットフォームが重要な用途に、単発3Dイメージングを提供する。

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