案例分析：100GigE高速相机的出现助力创新生物医学诊断

阿姆斯特丹自由大学的研究人员正在开创一种名为光瞬态全息成像的新型成像技术该技术能够以前所未有的精度深入观察活细胞。这一突破的核心是Emergent Vision Technologies公司生产的HZ-21000-G 100GigE相机。Daan Wolters 正在调试 Emergent HZ-21000-G 100GigE 高速相机该相机是该实验室开展光瞬态全息研究工作的核心设备。以100GigE技术拓展医学成像的前沿100GigE相机正以超高速帧率捕获高分辨率图像从而革新医学成像领域。它能够在低CPU负载下实现高速成像并提供宽广的视野这一能力正在为先进显微技术开启新的诊断应用空间。在阿姆斯特丹自由大学博士生Daan Wolters正在推进光瞬态全息成像技术的发展。该技术最初由Matz Liebel指导下的Matzlab实验室开发。该技术结合高速成像与频闪激发以增强对潜在癌变细胞的分析。Wolters的研究重点是证明该技术在生物样本中的适用性从而拓展生物医学诊断的边界。Matzlab团队专注于生物医学成像、疾病诊断和药品质量控制。他们将光瞬态全息技术应用于组织病理学旨在推动实现更精准、更快速的诊断。重新定义癌组织分析当前的癌症诊断依赖于传统的组织学方法外科医生提取组织样本然后将其切成薄片、染色并在显微镜下观察。通过分析这些图像来判断组织是否癌变及其发展阶段。“这种方法虽然被视为金标准但半个多世纪以来基本没有变化”Liebel指出。相比之下阿姆斯特丹自由大学团队的方法通过从组织样本中提取更丰富、可量化的成像数据来增强传统诊断手段。他们的光瞬态全息技术借助Emergent HZ-21000-G 100GigE高速相机捕获瞬态动力学和光致信号从而能够更深入地洞察细胞组成和功能。“如果你考虑到生物有机体主要由糖类、脂类、DNA等核酸、蛋白质和水构成我们的目标就是对这些基本组成成分进行量化”Liebel解释道。“这在癌症研究中尤为重要因为代谢活动改变是恶性肿瘤的一个标志。通过可视化这些功能差异我们能够获得关键的诊断信息。”光瞬态全息成像建立在定量相位成像如图所示的基础之上后者是一种显微技术通过测量光穿过透明或半透明样本时产生的相位偏移来获取信息。光瞬态全息成像的工作原理光瞬态全息成像的核心建立在定量相位成像的基础之上后者是一种显微技术通过测量光穿过透明或半透明样本时产生的相位偏移来获取信息。这使得通过分析光的传播来精确评估细胞生物量成为可能。与传统的染色方法如苏木精-伊红(HE)染色不同光瞬态全息成像依赖光与样本的相互作用来可视化其分子组成。该技术融合了全息成像既能捕获光强度也能捕获相位从而为研究人员提供关于样本厚度和组成的详细信息。“更进一步我们还能在空间上分辨细胞的质量分布”Liebel说。“标准的定量相位成像能提供质量信息但无法揭示化学成分。光瞬态全息成像则弥补了这一局限。”通过将红外(IR)或近红外光照射到样本上特定的生物分子——如蛋白质、脂质或核酸——会选择性地吸收能量。这种局部吸收会引起温度变化从而改变通过全息技术检测到的相位偏移。“我们观察到一种相位延迟效应即温度波动可以通过全息技术检测出来”Liebel解释道。“通过扣除红外照射前后采集的图像我们可以生成具有分子特异性对比度的图像从而揭示蛋白质的分布。调整激发波长还可以让我们区分不同的生物分子组分例如脂质。”频闪激发与高速成像相结合进一步提升了图像质量确保了测量的精确性和可重复性。100GigE相机的作用Matzlab团队选用Emergent HZ-21000-G 100GigE相机是因为其卓越的速度和宽广的视野。这使得他们能够在快速切换光源开关的同时连续捕获大范围的样本区域——例如完整的组织切片。速度对于活体样本成像尤为关键。快速采集频闪图像可以最大限度地减少运动伪影确保加热和未加热样本之间的一致性。与传统红外吸收成像相比光瞬态方法显著提高了空间分辨率能够揭示精细的细胞结构细节而非产生模糊不清的影像。此外该技术的非侵入性特点最大限度地减少了对样本的激发和光损伤这对于未来的临床应用至关重要。“我们的目标是在确保高信噪比的同时以最少的激光曝光捕获图像”Liebel表示。“高速相机使我们能够在每一帧中收集大量光子而不会使样本过热或受损。”这种瞬态读出方法的一大优势在于它能够在大视野观测下实现优异的信号水平。“在理想情况下我们会采集两组完全相同的图像——一组有加热一组无加热——这样观察到的任何差异都纯粹来自生化层面”Liebel解释道。“我们的成像速度越快捕获未变化样本的可能性就越高而在处理活体组织时这一点尤为关键。”Dennis van de Lockand左和Daan Wolters二人均从事光瞬态全息成像研究工作。利用GPU加速实现实时全息处理除了成像速度快之外Emergent相机还支持通过路由至计算机的图形处理器GPU进行实时全息处理这一特性对计算效率至关重要。“这对我们来说非常有价值因为全息处理计算量巨大需要大量的傅里叶变换”Liebel表示。“使用Emergent相机我们直接在GPU上采集图像、提取相位信息、计算加热与未加热样本之间的质量差异、进行平均处理然后只将精简后的数据流传输到计算机中。”相比之下传统成像工作流程通常需要流式传输原始数据这容易造成存储瓶颈并限制连续采集。通过在GPU上处理数据Matzlab团队优化了效率并最大限度地提高了吞吐量。优化每像素光收集效率除了GPU能力之外选择Emergent相机的另一个决定性因素是其卓越的光收集效率。“2×2像素合并binning硬件选项使我们可以将帧率提高一倍同时每像素的光量增加四倍”Liebel指出。“我们并未使用全部2100万像素的分辨率而是在大约400万至450万像素下工作但帧率显著提高——约为每秒1600帧。”这种优化使相机的分辨率与显微镜的光学规格相匹配确保了最佳的成像性能。迈向临床应用在过去几年中Matzlab团队已开展了概念验证实验集成了全息全光学锁相检测技术并展示了该技术的光谱学和传感能力。他们的研究还包括光瞬态3D粒子追踪和自由移动样本的时间分辨成像。下一阶段的发展重点是将该技术精进应用于生物医学领域包括细菌、细胞和组织类型的识别。研究人员的目标是在未来两到三年内从原理验证实验过渡到临床实施。展望未来Liebel期望未来的相机能够具备更高的速度和灵敏度从而能够检测更细微的生物学变化。“最终目标是开发出可直接用于患者体内成像的光瞬态全息技术”他总结道。“虽然我们距离那一步还很遥远但这项技术有潜力重新定义组织病理学并彻底改变医学诊断。”代理商北京盈美智北京盈美智科技发展有限公司是Emergent Vision Technologies在中国地区的正式代理商。本文介绍的阿姆斯特丹自由大学研究团队所使用的Emergent HZ-21000-G 100GigE高速相机正是Emergent旗下高速相机产品线的代表型号。作为Emergent中国区代理商北京盈美智可为国内客户提供该系列相机及相关产品的售前咨询、产品销售、技术支持等全方位服务。如需了解更多产品信息或咨询相关解决方案请可登录北京盈美智官方网站https://www.cnimage.com。