Νέα τεχνική απεικόνισης βελτιώνει τη ζωντανή απεικόνιση κυττάρων σε εργαστηριακές ρυθμίσεις
Η οπτική διαθλαστική τομογραφία (ODT) έχει αναγνωριστεί εδώ και καιρό για την ικανότητά της στην μη επεμβατική, χωρίς ετικέτες απεικόνιση ζωντανών βιολογικών κυττάρων. Ωστόσο, ένα σημαντικό πρόβλημα προκύπτει όταν η ODT εφαρμόζεται σε τυπικές πλάκες κυτταρικής καλλιέργειας πολλαπλών κοιλωμάτων, οι οποίες είναι ένα κοινό εργαλείο που χρησιμοποιείται σε ρεαλιστικές εργαστηριακές συνθήκες για βιολογικές μελέτες. Η γεωμετρία αυτών των πλακών περιορίζει την γωνία κλίσης του φωτισμού, προκαλώντας απώλεια κρίσιμων χαμηλής συχνότητας πληροφοριών στις καταγεγραμμένες εικόνες έντασης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα θολές λεπτομέρειες, μειωμένο αντίκτυπο και υποβαθμισμένη ανάλυση στις τρισδιάστατες τομογραφικές ανακατασκευές, ειδικά όταν εργάζεστε σε συστήματα υψηλής αριθμητικής διάθλασης (NA). Παρά την σημαντική δυνατότητα της ODT για την απεικόνιση ζωντανών κυττάρων, αυτές οι προκλήσεις περιορίζουν την ευρεία εφαρμογή της σε ρεαλιστικά βιολογικά περιβάλλοντα. Η δυσκολία στην υπέρβαση της ασυμφωνίας φωτισμού είναι ιδιαίτερα προβληματική για την απεικόνιση ζωντανών κυττάρων σε ρυθμίσεις υψηλής απόδοσης, όπου οι πλάκες κυτταρικής καλλιέργειας πολλαπλών κοιλωμάτων είναι απαραίτητες. Αυτός ο περιορισμός εμποδίζει την ακριβή τομογραφική ανακατασκευή, η οποία είναι αναγκαία για την ανάλυση λεπτών κυτταρικών χαρακτηριστικών, επηρεάζοντας έτσι την συνολική αποτελεσματικότητα και αποδοτικότητα των συστημάτων απεικόνισης στην πραγματική βιολογική παρακολούθηση.
Νέα τεχνική DF-FPDT για βελτίωση της απεικόνισης
Για να ξεπεράσουν αυτές τις προκλήσεις, ερευνητές από το Εργαστήριο Έξυπνης Υπολογιστικής Απεικόνισης (SCILab) του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας της Ναντζίνγκ, υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Chao Zuo, ανέπτυξαν μια νέα τεχνική γνωστή ως σκοτεινής πεδίου Φουριέ πτυχιογραφική διαθλαστική τομογραφία (DF-FPDT). Η πρόσφατη εργασία τους δημοσιεύθηκε στο Volume 1, Issue 1 του iOptics στις 19 Αυγούστου 2025. Στη μελέτη αυτή, εισάγουν ένα καινοτόμο πλαίσιο απεικόνισης που αξιοποιεί τον μη ταιριαστό φωτισμό για να ενισχύσει την υψηλή αντίθεση στην απεικόνιση ζωντανών κυττάρων. Με την επιλεκτική ενημέρωση των υψηλών συχνοτήτων που είναι εγγενείς στις μετρήσεις έντασης και την αφαίρεση των χαμηλών συχνοτήτων, η DF-FPDT αντιμετωπίζει τους περιορισμούς της παραδοσιακής οπτικής διαθλαστικής τομογραφίας. Αυτή η τεχνική καινοτομία επιτρέπει υψηλής ανάλυσης και υψηλής αντίθεσης τρισδιάστατες ανακατασκευές, διατηρώντας ταυτόχρονα τα ποσοτικά και μη παρεμβατικά πλεονεκτήματα της παραδοσιακής πτυχιογραφικής διαθλαστικής τομογραφίας (FPDT).
Εφαρμογές και προοπτικές της DF-FPDT
Ο καθηγητής Zuo εξηγεί συνοπτικά τη σημασία αυτής της μεθόδου, δηλώνοντας: “Η DF-FPDT εκμεταλλεύεται μοναδικά τον μη ταιριαστό φωτισμό για να ενημερώνει επιλεκτικά μόνο τα υψηλά συχνά στοιχεία, ενισχύοντας τις λεπτομέρειες της δομής χωρίς την ανάγκη πρόσθετου εξοπλισμού ή επεξεργασίας. Αυτό παρέχει ένα ισχυρό εργαλείο για την απεικόνιση ζωντανών κυττάρων, διατηρώντας τα βασικά πλεονεκτήματα της FPDT ενώ αντιμετωπίζει τους περιορισμούς που επιβάλλουν οι τυπικές εργαστηριακές ρυθμίσεις.” Για να επικυρώσουν την απόδοση της DF-FPDT, τόσο οι προσομοιώσεις όσο και οι πειραματικές μετρήσεις απέδειξαν την ικανότητά της να ενισχύει την δομική αντίθεση και να βελτιώνει την ποιότητα εικόνας. Οι τρισδιάστατες ανακατασκευασμένες τομογραφίες που παράγονται με τη DF-FPDT δείχνουν ισχυρή δομική ομοιότητα μεταξύ των προσομοιωμένων και πειραματικών αποτελεσμάτων, τονίζοντας την ανώτερη αντίθεση και τις λεπτότερες λεπτομέρειες σε σύγκριση με αυτές που αποκτήθηκαν με τον παραδοσιακό αλγόριθμο FPDT. Στην απεικόνιση ζωντανών κυττάρων, η DF-FPDT κατάφερε να οπτικοποιήσει περίπλοκες υποκυτταρικές δομές και να καταγράψει δυναμικές κυτταρικές διαδικασίες, όπως η συγχώνευση και διαίρεση των μιτοχονδρίων, προσφέροντας πραγματική, υψηλής αντίθεσης και υψηλής ανάλυσης απεικόνιση. Αυτά τα ευρήματα υπογραμμίζουν την δυνατότητα της DF-FPDT να επιτύχει αντίθεση παρόμοια με αυτή του σκοτεινού πεδίου στην απεικόνιση ζωντανών κυττάρων και να διευκολύνει τη δυναμική παρακολούθηση κυττάρων υπό τυπικές εργαστηριακές συνθήκες.
Ο καθηγητής Zuo επισημαίνει την μετασχηματιστική δυνατότητα της DF-FPDT, δηλώνοντας: “Η DF-FPDT προσφέρει σημαντική δυνατότητα για ευρεία εφαρμογή σε ρεαλιστικές εργαστηριακές ρυθμίσεις, συμπεριλαμβανομένου του ελέγχου φαρμάκων, της κυτταρικής ανάλυσης και της δυναμικής υποκυτταρικής παρακολούθησης, ανοίγοντας νέες δυνατότητες στην βιοϊατρική έρευνα.” Κοιτώντας μπροστά, ο καθηγητής Zuo και η ομάδα του σχεδιάζουν να βελτιώσουν περαιτέρω τη DF-FPDT ενσωματώνοντας στρατηγικές προσαρμοσμένου φωτισμού και προσεγγίσεις που βασίζονται σε δεδομένα, όπως η ανακατασκευή με βάση την βαθιά μάθηση, οι οποίες θα μπορούσαν να βελτιώσουν περαιτέρω την απόδοση της τεχνικής.
