Fallstudie: Neue 100GigE-Hochgeschwindigkeitskamera ermöglicht innovative biomedizinische Diagnose
Forscher der Vrije Universiteit Amsterdam sind Pioniere einer neuartigen Bildgebungstechnik namens phototransient Holografische Bildgebung, die beispiellose Einblicke in lebende Zellen ermöglicht. Im Mittelpunkt dieses Fortschritts steht die HZ-21000-G 100GigE-Kamera von Emergent Vision Technologies.
Daan Wolters justiert die Emergent HZ-21000-G 100GigE-Hochgeschwindigkeitskamera, die für die Arbeit des Labors mit phototransienter Holografie von grundlegender Bedeutung ist.
Erweiterung der Grenzen der medizinischen Bildgebung mit 100GigE-Technologie
100GigE-Kameras revolutionieren die medizinische Bildgebung durch die Erfassung detailreicher Bilder mit ultrahohen Bildraten. Ihre Fähigkeit, Hochgeschwindigkeitsbilder mit minimaler CPU-Belastung und großen Sichtfeldern zu liefern, eröffnet neue diagnostische Möglichkeiten in der fortgeschrittenen Mikroskopie.
An der Vrije Universiteit Amsterdam, Ph.D. Kandidat Daan Wolters rückt vor phototransient holografische Bildgebung, eine Technologie, die ursprünglich in der Matzlab unter dem Tipps und Tricks, von Matz Liebel. Diese Technik nutzt Hochgeschwindigkeitsbildgebung und stroboskopische Anregung, um die Analyse potenzieller Krebszellen zu verbessern. Wolters Forschung konzentriert sich darauf, die Anwendbarkeit auf biologische Proben zu demonstrieren und damit die Grenzen der biomedizinischen Diagnostik zu erweitern.
Die Matzlab Das Team ist spezialisiert auf biomedizinische Bildgebung, Krankheitsdiagnose und pharmazeutische Qualitätskontrolle. Ihre Anwendung von phototransient Die Anwendung der Holographie in der Histopathologie soll eine genauere und schnellere Diagnostik ermöglichen.
Neudefinition der Krebsgewebeanalyse
Die heutige Krebsdiagnostik basiert auf traditionellen histologischen Methoden: Ein Chirurg entnimmt eine Gewebeprobe, die dann in dünne Scheiben geschnitten, gefärbt und unter dem Mikroskop untersucht wird. Diese Bilder werden analysiert, um festzustellen, ob das Gewebe krebsartig ist und seine Entwicklungsstadium.
„Obwohl diese Methode als Goldstandard gilt, ist sie seit über einem halben Jahrhundert weitgehend unverändert geblieben“, bemerkt Liebel.
Im Gegensatz dazu verbessert der Ansatz des Teams der VU Amsterdam die konventionelle Diagnostik, indem er reichhaltigere, quantitative Bilddaten aus Gewebeproben extrahiert. Ihre phototransient Holographie-Technik, angetrieben durch die Emergent HZ-21000-G 100GigE Hochgeschwindigkeitskamera, erfasst vorübergehende Dynamiken und photoinduzierte Signale und ermöglicht so tiefere Einblicke in die Zusammensetzung und Funktion von Zellen.
„Wenn man bedenkt, dass biologische Organismen hauptsächlich aus Zucker, Fetten, Nukleinsäuren wie DNA, Proteinen und Wasser bestehen, ist es unser Ziel, diese grundlegenden Bausteine zu quantifizieren“, erklärt Liebel. „Dies ist besonders relevant in der Krebsforschung, wo veränderte Stoffwechselaktivität ein Kennzeichen von Krebs ist. Durch die Visualisierung dieser funktionellen Unterschiede gewinnen wir wichtige diagnostische Erkenntnisse.“
Die phototransiente holografische Bildgebung basiert auf der quantitativen Phasenbildgebung (hier gezeigt), einer Mikroskopietechnik, die Phasenverschiebungen von Licht misst, wenn es durch transparente oder halbtransparente Proben hindurchgeht.
Wie pHeißtransient Holografie funktioniert
Im Kern, phototransient Die Holografie basiert auf der quantitativen Phasenbildgebung, einer Mikroskopietechnik, die Phasenverschiebungen von Licht beim Durchgang durch transparente oder halbtransparente Proben misst. Dies ermöglicht eine präzise Bestimmung der zellulären Biomasse durch Analyse der Lichtausbreitung.
Anstelle traditioneller Färbemethoden wie Hämatoxylin-Eosin-Färbung (H&E) phototransient Die Holografie nutzt die Wechselwirkung von Licht mit der Probe, um deren molekulare Zusammensetzung zu visualisieren. Die Technik integriert holografische Bildgebung, die sowohl Lichtintensität als auch -phase erfasst und Forschern detaillierte Informationen über Probendicke und -zusammensetzung liefert.
„Wenn wir noch einen Schritt weitergehen, können wir die Zellmassenverteilung räumlich auflösen“, sagt Liebel. „Die herkömmliche quantitative Phasenbildgebung liefert Masseninformationen, gibt aber keinen Aufschluss über die chemische Zusammensetzung.“ Phototransient Die Holografie behebt diese Einschränkung.“
Durch die Bestrahlung der Probe mit Infrarot- (IR) oder Nahinfrarotlicht absorbieren bestimmte Biomoleküle – wie Proteine, Lipide oder Nukleinsäuren – die Energie selektiv. Diese lokale Absorption führt zu einer Temperaturänderung, die wiederum die durch Holografie detektierte Phasenverschiebung verändert.
„Wir beobachten einen Phasenverzögerungseffekt, durch den Temperaturschwankungen mittels Holografie erkennbar werden“, erklärt Liebel. „Durch Subtraktion von Bildern, die vor und nach der IR-Bestrahlung aufgenommen wurden, erzeugen wir molekülspezifische Kontrastbilder, die die Proteinverteilung aufzeigen. Durch die Anpassung der Anregungswellenlängen können wir zwischen verschiedenen biomolekularen Komponenten, wie zum Beispiel Lipiden, unterscheiden.“
Durch die stroboskopische Anregung in Kombination mit der Hochgeschwindigkeitsbildgebung wird die Bildqualität weiter verbessert und präzise und reproduzierbare Messungen gewährleistet.
Die Rolle der 100GigE-Kamera
Die Matzlab Das Team setzt die Emergent HZ-21000-G 100GigE-Kamera aufgrund ihrer außergewöhnlichen Geschwindigkeit und ihres großen Sichtfelds ein. Dadurch können sie große Probenbereiche – wie beispielsweise ganze Gewebeschnitte – in schneller Folge erfassen, während sie gleichzeitig Lichtquellen ein- und ausschalten.
Geschwindigkeit ist besonders wichtig bei der Abbildung lebender Proben. Die schnelle Erfassung stroboskopischer Bilder minimiert Bewegungsartefakte und gewährleistet die Konsistenz zwischen erhitzten und nicht erhitzten Proben.
Im Vergleich zur konventionellen IR-Absorptionsbildgebung ist die phototransient Dieser Ansatz verbessert die räumliche Auflösung deutlich und enthüllt komplexe Zelldetails, anstatt unscharfe Strukturen zu erzeugen. Darüber hinaus minimiert der nicht-invasive Charakter dieser Technik die Probenanregung und Lichtschäden, ein wesentlicher Aspekt für zukünftige klinische Anwendungen.
„Unser Ziel ist es, Bilder mit minimaler Laserbestrahlung aufzunehmen und gleichzeitig ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu gewährleisten“, erklärt Liebel. „Eine Hochgeschwindigkeitskamera ermöglicht es uns, eine beträchtliche Anzahl von Photonen zu erfassen. pro Bild, ohne die Probe zu überhitzen oder zu beschädigen.“
Ein großer Vorteil dieser Methode zum transienten Auslesen ist die Möglichkeit, Beobachtungen mit großen Sichtfeldern und überragenden Signalpegeln durchzuführen.
„Im Idealfall würden wir identische Bilder aufnehmen – eines mit und eines ohne Erwärmung –, sodass alle beobachteten Unterschiede rein biochemisch sind“, erklärt Liebel. „Je schneller unsere Bildgebung, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, eine unveränderte Probe zu erfassen, was bei der Arbeit mit lebendem Gewebe umso wichtiger ist.“
Dennis van de Lockand (links) und Daan Wolters, die an der Forschung zur phototransienten holografischen Bildgebung arbeiten.
Echtzeit-Hologrammverarbeitung mit GPU-Beschleunigung
Neben ihrer Bildgeschwindigkeit ermöglicht die Emergent-Kamera auch die Echtzeit-Hologrammverarbeitung auf einer Grafikverarbeitungseinheit (GPU). im Computer, an den die Kamera weitergeleitet wird, ein wesentliches Merkmal für die Rechenleistung.
„Das ist für uns von unschätzbarem Wert, da die Hologrammverarbeitung rechenintensiv ist und umfangreiche Fourier-Transformationen erfordert“, sagt Liebel. „Mit der Emergent-Kamera erfassen wir Bilder direkt auf der GPU, extrahieren Phaseninformationen, berechnen Massenunterschiede zwischen erhitzten und nicht erhitzten Proben, führen eine Mittelwertbildung durch und übertragen dann nur die reduzierten Daten an den Computer.“
Im Gegensatz dazu beinhalten herkömmliche Bildgebungs-Workflows oft das Streaming von Rohdaten, was zu Speicherengpässen führen und die kontinuierliche Erfassung einschränken kann. Durch die Verarbeitung der Daten auf der GPU Matzlab Das Team optimiert die Effizienz und maximiert den Durchsatz.
Optimiert Light Sammlung pro Pixel
Neben den GPU-Funktionen war die überlegene Lichtsammeleffizienz ein weiterer entscheidender Faktor bei der Auswahl der Emergent-Kamera.
„Die 2 × 2-Pixel „Mit der Binning-Hardware-Option können wir die Bildrate verdoppeln und gleichzeitig das Licht pro Pixel vervierfachen“, bemerkt Liebel. „Statt die volle Kapazität von 21 Megapixeln zu nutzen, arbeiten wir mit etwa 4 bis 4.5 Megapixeln, aber mit einer deutlich höheren Bildrate – etwa 1,600 Bildern pro Sekunde.“
Diese Optimierung passt die Auflösung der Kamera an die optischen Spezifikationen eines Mikroskops an und gewährleistet so eine optimale Bildleistung.
Auf dem Weg zur klinischen Anwendung
In den letzten Jahren hat die Matzlab Das Team hat Proof-of-Concept-Experimente durchgeführt, Integration holographische volloptische Lock-in-Detektion und Demonstration der spektroskopischen und sensorischen Fähigkeiten dieser Technik. Ihre Forschung umfasst phototransient 3D-Partikelverfolgung und zeitaufgelöste Bildgebung frei beweglicher Proben.
Die nächste Entwicklungsphase konzentriert sich auf die Verfeinerung der Technik für biomedizinische Anwendungen, einschließlich der Identifizierung von Bakterien, Zellen und Gewebetypen. Die Forscher wollen innerhalb der nächsten zwei bis drei Jahre von Machbarkeitsstudien zur klinischen Anwendung übergehen.
Für die Zukunft plant Liebel Kameras mit noch höherer Geschwindigkeit und Empfindlichkeit, die die Erkennung subtilerer biologischer Variationen ermöglichen.
„Das ultimative Ziel ist die Entwicklung phototransient „Holographie für die direkte In-vivo-Bildgebung von Patienten“, so sein Fazit. „Obwohl wir noch weit von diesem Punkt entfernt sind, hat diese Technologie das Potenzial, die Histopathologie neu zu definieren und die medizinische Diagnostik zu revolutionieren.“
