ケーススタディ: 革新的なバイオメディカル診断を可能にする新興の 100GigE 高速カメラ

アムステルダム自由大学の研究者は、 光過渡現象 ホログラフィック イメージングは​​、生きた細胞に対する前例のない洞察を提供します。この進歩の中心となるのは、Emergent Vision Technologies の HZ-21000-G 100GigE カメラです。

Daan Wolters は、研究室の光過渡ホログラフィー研究に不可欠な Emergent HZ-21000-G 100GigE 高速カメラを調整しています。

100GigEテクノロジーで医療画像処理の限界を広げる

100GigE カメラは、超高フレーム レートで非常に詳細な画像を撮影することで、医療用画像処理に革命を起こしています。CPU オーバーヘッドを最小限に抑え、広い視野で高速画像処理を実現する能力により、高度な顕微鏡検査における新たな診断機能が実現します。

アムステルダム自由大学にて博士号を取得。ダーン・ウォルターズ候補が前進 光過渡現象 ホログラフィックイメージングは​​、もともと マツラブ 下 ガイダンス マッツ・リーベル博士のこの技術は、高速イメージングとストロボ励起を利用して、がんの可能性がある細胞の分析を強化します。ウォルターズ博士の研究は、生物学的サンプルへの適用性を実証し、それによって生物医学的診断の限界を押し広げることに重点を置いています。

XNUMXGigE Xtream シリーズの マツラブ チームは、バイオメディカルイメージング、病気の診断、医薬品の品質管理を専門としています。 光過渡現象 組織病理学へのホログラフィーの応用は、より正確で迅速な診断を促進することを目的としています。

がん組織分析の再定義

現在の癌診断は伝統的な組織学的手法に依存している。外科医が組織サンプルを採取し、それを薄くスライスして染色し、顕微鏡で検査する。これらの画像を分析して、組織が癌であるかどうか、そして その 開発の段階。

「この方法は、最高水準と考えられているにもかかわらず、半世紀以上にわたってほとんど変わっていません」とリーベル氏は指摘する。

対照的に、アムステルダム自由大学のチームのアプローチは、組織サンプルからより豊富な定量的画像データを抽出することで従来の診断を強化します。 光過渡現象 ホログラフィー技術は、 エマージェント HZ-21000-G 100GigE 高速カメラは、過渡的なダイナミクスと光誘起信号を捉え、細胞の構成と機能に関するより深い洞察を可能にします。

「生物が主に糖、脂肪、DNAなどの核酸、タンパク質、水で構成されていることを考えれば、私たちの目標はこれらの基本的な構成要素を定量化することです」とリーベル氏は説明します。「これは、代謝活動の変化が悪性腫瘍の特徴である癌研究に特に関連しています。これらの機能的差異を視覚化することで、診断に関する重要な洞察が得られます。」

光過渡ホログラフィック イメージングは​​、透明または半透明のサンプルを通過する際の光の位相シフトを測定する顕微鏡技術である定量位相イメージング (ここに表示) に基づいています。

どのようにp一時的な ホログラフィー作品

その中心に、 光過渡現象 ホログラフィーは、透明または半透明のサンプルを通過する光の位相シフトを測定する顕微鏡技術である定量位相イメージングに基づいています。これにより、光の伝播を分析することで細胞バイオマスを正確に評価できます。

ヘマトキシリン・エオシン（H&E）染色などの従来の染色法の代わりに、 光過渡現象 ホログラフィーは、サンプルと光の相互作用を利用して分子構成を視覚化します。この技術は、光の強度と位相の両方を捉えるホログラフィックイメージングを統合し、研究者にサンプルの厚さと構成に関する詳細な情報を提供します。

「これをさらに一歩進めると、細胞の質量分布を空間的に解明することができます」とリーベル氏は言います。「標準的な定量的位相イメージングでは質量情報は得られますが、化学組成は明らかになりません。 光過渡現象 ホログラフィーはこの制限に対処します。」

赤外線 (IR) または近赤外線をサンプルに照射すると、タンパク質、脂質、核酸などの特定の生体分子がエネルギーを選択的に吸収します。この局所的な吸収によって温度変化が誘発され、ホログラフィーで検出される位相シフトが変化します。

「ホログラフィーで温度変動が検出できる位相遅延効果を観察しました」とリーベル氏は説明します。「IR 照射前と照射後に撮影した画像を減算することで、タンパク質の分布を明らかにする分子固有のコントラスト画像を生成します。励起波長を調整することで、脂質などのさまざまな生体分子成分を区別することができます。」

ストロボ励起と高速イメージングを組み合わせることで、画像品質がさらに向上し、正確で再現性の高い測定が保証されます。

GPU アクセラレーションによるリアルタイム ホログラム処理

エマージェントカメラは、その画像化速度以外にも、グラフィックス処理装置（GPU）上でのリアルタイムのホログラム処理も可能にします。 カメラが接続されているコンピューター計算効率に不可欠な機能です。

「ホログラム処理は計算負荷が高く、広範囲にわたるフーリエ変換を必要とするため、これは私たちにとって非常に貴重です」とリーベル氏は言います。「Emergent カメラを使用すると、GPU で直接画像を取得し、位相情報を抽出し、加熱されたサンプルと加熱されていないサンプルの質量差を計算し、平均化を適用して、縮小されたデータのみをコンピューターにストリーミングできます。」

対照的に、従来の画像処理ワークフローでは生データのストリーミングが頻繁に行われ、ストレージのボトルネックや連続取得の制限につながる可能性があります。GPUでデータを処理することで、 マツラブ チームは効率を最適化し、スループットを最大化します。

最適化 LiGHT ピクセルあたりの収集

GPU 機能に加えて、Emergent カメラを選択する際のもう 1 つの決定的な要因は、その優れた光収集効率でした。

「2 × 2ピクセル 「ビニング ハードウェア オプションにより、フレーム レートを 21 倍にしながら、ピクセルあたりの光を 4 倍にすることができます」と Liebel 氏は言います。「4.5 メガピクセルの容量をフルに活用する代わりに、約 1,600 ～ XNUMX メガピクセルで操作しますが、フレーム レートは大幅に高く、XNUMX 秒あたり約 XNUMX フレームになります。」

この最適化により、カメラの解像度が顕微鏡の光学仕様に合うようになり、最適な画像性能が保証されます。

臨床応用に向けて

過去数年間、 マツラブ チームは概念実証実験を実施し、 統合する ホログラフィック全光学ロックイン検出と、その技術の分光および感知能力の実証。研究内容は以下のとおりです。 光過渡現象 自由に移動するサンプルの 3D 粒子追跡と時間分解イメージング。

開発の次の段階では、細菌、細胞、組織タイプの識別を含む生物医学的応用のための技術の改良に重点が置かれます。研究者は、今後 2 ～ 3 年以内に原理実証実験から臨床実装に移行することを目指しています。

将来を見据えて、リーベル氏は、より高速で感度の高いカメラが開発され、より微妙な生物学的変化の検出が可能になると予想しています。

「究極の目標は、 光過渡現象 「直接生体内の患者画像化のためのホログラフィー」と彼は結論付けている。「まだその段階には程遠いが、この技術は組織病理学を再定義し、医療診断に革命を起こす可能性を秘めている。」