PHAISCOPE

Okres realizacji: 01.07.2020 – 31.12.2021
Kierownik na PW: dr inż. Piotr Zdańkowski

Ilościowa mikroskopia fazowa (ang. Quantitative Phase Microscopy, QPM) wyróżnia się jako niezwykle wydajne podejście oferujące wysoki kontrast oraz dostęp do ilościowej informacji o badanych komórkach. QPM wykorzystuje współczynnik załamania światła jako naturalny wewnątrzkomórkowy środek kontrastowy, a następnie za pomocą przetwarzania numerycznego obrazu prążkowego (interferogramu, hologramu) odzyskiwane jest zakodowane zespolone pole optyczne zaburzone przez strukturę badanych obiektów. Dekodowanie tegoż zaburzenia pozwala na wizualizację i pomiar własności optycznych próbki z dużą czułością. QPM znalazło wiele zastosowań w badaniach biomedycznych, takich jak badania biologii komórki, diagnoza nowotworów czy badaniach nad układem nerwowym.

W projekcie PHAISCOPE rozwijany będzie autorski układ QPM wykorzystujący konfigurację interferometru wspólnej drogi z nisko-koherentnym źródłem światła. Układy w konfiguracji wspólnej drogi nie wymagają oddzielnej gałęzi z wydzieloną wiązką referencyjną. Atrakcyjność w interferometrii z siatkami dyfrakcyjnymi stosowanymi jako dzielniki i rekombinatory wiązek wynika ze zwartości układu optycznego, prostoty implementacji i architektury wspólnej drogi. Nowatorstwo zmodyfikowanego układu siatkowego transmisyjnego mikroskopu fazowego, proponowanego w projekcie PHAISCOPE zawiera się w:

  • Zastosowaniu sieci neuronowych do numerycznego demultipleksingu pola widzenia mikroskopu w celu eliminacji ograniczenia związanego ze specjalnym przygotowaniem próbki (konieczność zabezpieczenia obszaru wolnego od obiektu, a co za tym idzie ograniczenie obrazowania do małych, wyizolowanych obiektów) oraz uzyskaniu podwojonego efektywnego pola widzenia.
  • Zaprojektowaniu dopasowanych binarnych amplitudowych siatek dyfrakcyjnych jako dzielniki wiązki, nadrukowywaniu ich na szkiełko zabezpieczające matrycę kamery CMOS oraz wykorzystaniu specjalizowanych binarnych siatek amplitudowych o quasi-losowym rozkładzie transmitancji.
  • Zwiększeniu jakości obrazowania poprzez (1) zmniejszenie szumu koherentnego spowodowanego stosowaniem źródeł laserowych i umożliwienie stosowania nie-laserowych źródeł światła oraz (2) poprawę rozdzielczości stosując tzw. metodę pixel super-resolution, która numerycznie zmniejsza efektywne wymiary piksela korzystając z redundancji danych, rejestrując zestaw obrazów składowych przy poprzecznym przesuwie matrycy CMOS.
  • Zwiększeniu ogólnej dostępności mikroskopii fazowej poprzez zaprojektowanie prostego w budowie, możliwego do wydrukowania za pomocą drukarki 3D układu QPM.

Opracowane rozwiązania zostaną przetestowane i wykorzystane do badania komórek biologicznych. Próbki kalibracyjne (nanochipy fotoniczne) zostaną dostarczone przez University of Tromso (UiT), komórki biologiczne dostarczy Instytut Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej im. M. Mossakowskiego (wyizolowane z tłuszczu komórki mezenchymalne) oraz UiT (skrawki łożyska, spermatozoony czy bakterie odporne na antybiotyki).

Wynikiem projektu PHAISCOPE będzie:

  • przygotowanie i zgłoszenie do redakcji czasopism z pierwszego decyla czterech publikacji naukowych raportujących rozwój nowego mikroskopu,
  • zaaplikowanie wniosku o międzynarodowy grant europejski (FETOpen i/lub ICT) wraz z grupą Optical Nanoscopy z UiT (lider grupy: prof. Balpreet Ahluwalia, trzy granty European Research Council). Tematyka projektu dotyczyć będzie mikroskopii fazowej i fluorescencyjnej,
  • przygotowanie prototypu mikroskopu wydrukowanego za pomocą drukarki 3D.Ilościowa mikroskopia fazowa (ang. Quantitative Phase Microscopy, QPM) wyróżnia się jako niezwykle wydajne podejście oferujące wysoki kontrast oraz dostęp do ilościowej informacji o badanych komórkach. QPM wykorzystuje współczynnik załamania światła jako naturalny wewnątrzkomórkowy środek kontrastowy, a następnie za pomocą przetwarzania numerycznego obrazu prążkowego (interferogramu, hologramu) odzyskiwane jest zakodowane zespolone pole optyczne zaburzone przez strukturę badanych obiektów. Dekodowanie tegoż zaburzenia pozwala na wizualizację i pomiar własności optycznych próbki z dużą czułością. QPM znalazło wiele zastosowań w badaniach biomedycznych, takich jak badania biologii komórki, diagnoza nowotworów czy badaniach nad układem nerwowym.W projekcie PHAISCOPE rozwijany będzie autorski układ QPM wykorzystujący konfigurację interferometru wspólnej drogi z nisko-koherentnym źródłem światła. Układy w konfiguracji wspólnej drogi nie wymagają oddzielnej gałęzi z wydzieloną wiązką referencyjną. Atrakcyjność w interferometrii z siatkami dyfrakcyjnymi stosowanymi jako dzielniki i rekombinatory wiązek wynika ze zwartości układu optycznego, prostoty implementacji i architektury wspólnej drogi. Nowatorstwo zmodyfikowanego układu siatkowego transmisyjnego mikroskopu fazowego, proponowanego w projekcie PHAISCOPE zawiera się w:
    • Zastosowaniu sieci neuronowych do numerycznego demultipleksingu pola widzenia mikroskopu w celu eliminacji ograniczenia związanego ze specjalnym przygotowaniem próbki (konieczność zabezpieczenia obszaru wolnego od obiektu, a co za tym idzie ograniczenie obrazowania do małych, wyizolowanych obiektów) oraz uzyskaniu podwojonego efektywnego pola widzenia.
    • Zaprojektowaniu dopasowanych binarnych amplitudowych siatek dyfrakcyjnych jako dzielniki wiązki, nadrukowywaniu ich na szkiełko zabezpieczające matrycę kamery CMOS oraz wykorzystaniu specjalizowanych binarnych siatek amplitudowych o quasi-losowym rozkładzie transmitancji.
    • Zwiększeniu jakości obrazowania poprzez (1) zmniejszenie szumu koherentnego spowodowanego stosowaniem źródeł laserowych i umożliwienie stosowania nie-laserowych źródeł światła oraz (2) poprawę rozdzielczości stosując tzw. metodę pixel super-resolution, która numerycznie zmniejsza efektywne wymiary piksela korzystając z redundancji danych, rejestrując zestaw obrazów składowych przy poprzecznym przesuwie matrycy CMOS.
    • Zwiększeniu ogólnej dostępności mikroskopii fazowej poprzez zaprojektowanie prostego w budowie, możliwego do wydrukowania za pomocą drukarki 3D układu QPM.

    Opracowane rozwiązania zostaną przetestowane i wykorzystane do badania komórek biologicznych. Próbki kalibracyjne (nanochipy fotoniczne) zostaną dostarczone przez University of Tromso (UiT), komórki biologiczne dostarczy Instytut Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej im. M. Mossakowskiego (wyizolowane z tłuszczu komórki mezenchymalne) oraz UiT (skrawki łożyska, spermatozoony czy bakterie odporne na antybiotyki).

    Wynikiem projektu PHAISCOPE będzie:

    • przygotowanie i zgłoszenie do redakcji czasopism z pierwszego decyla czterech publikacji naukowych raportujących rozwój nowego mikroskopu,
    • zaaplikowanie wniosku o międzynarodowy grant europejski (FETOpen i/lub ICT) wraz z grupą Optical Nanoscopy z UiT (lider grupy: prof. Balpreet Ahluwalia, trzy granty European Research Council). Tematyka projektu dotyczyć będzie mikroskopii fazowej i fluorescencyjnej,
    • przygotowanie prototypu mikroskopu wydrukowanego za pomocą drukarki 3D.