案例研究：新兴的 100GigE 高速摄像机实现创新的生物医学诊断
阿姆斯特丹自由大学的研究人员正在开创一种新颖的成像技术，称为 光瞬变 全息成像技术为活细胞提供了前所未有的洞察力。这项进步的核心是 Emergent Vision Technologies 的 HZ-21000-G 100GigE 相机。
Daan Wolters 调整了 Emergent HZ-21000-G 100GigE 高速摄像机，该摄像机是实验室进行光瞬变全息技术研究的基础。
利用 100GigE 技术拓展医学成像领域
100GigE 相机通过以超高帧速率捕捉高细节图像，彻底改变了医学成像。它们能够以最小的 CPU 开销和广阔的视野提供高速成像，从而为高级显微镜带来新的诊断功能。
阿姆斯特丹自由大学博士候选人达安·沃尔特斯（Daan Wolters）正在晋级 光瞬变 全息成像，这项技术最初是在 马兹拉布 在下面 指导 Matz Liebel 的这项技术。该技术利用高速成像和频闪激发来增强对潜在癌细胞的分析。Wolters 的研究重点是展示其对生物样本的适用性，从而突破生物医学诊断的界限。
此 马兹拉布 该团队专注于生物医学成像、疾病诊断和药品质量控制。他们的应用 光瞬变 全息摄影技术与组织病理学相结合旨在实现更准确、更快捷的诊断。
重新定义癌症组织分析
目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、染色并在显微镜下检查。分析这些图像以确定组织是否是癌性的，以及 它的 发展阶段。
“这种方法虽然被视为黄金标准，但半个多世纪以来基本保持不变，”利贝尔指出。
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的定量成像数据来增强传统诊断。他们的 光瞬变 全息技术，由 新兴HZ-21000-G 100GigE高速摄像机，捕捉瞬态动态和光诱导信号，从而能够更深入地了解细胞组成和功能。
“如果你认为生物体主要由糖、脂肪、DNA 等核酸、蛋白质和水组成，那么我们的目标是量化这些基本组成部分，”Liebel 解释道。“这在癌症研究中尤其重要，因为代谢活动改变是恶性肿瘤的标志。通过可视化这些功能差异，我们可以获得至关重要的诊断见解。”
光瞬变全息成像建立在定量相位成像（如图所示）的基础上，这是一种显微镜技术，可以测量光穿过透明或半透明样品时的相移。
如何热瞬变 全息作品
从本质上讲， 光瞬变 全息技术建立在定量相位成像的基础上，这是一种显微镜技术，可以测量光穿过透明或半透明样品时的相移。通过分析光的传播，可以精确评估细胞生物量。
与传统的染色方法（如苏木精和伊红 (H&E) 染色）不同， 光瞬变 全息技术依靠光与样品的相互作用来可视化其分子组成。该技术集成了全息成像，可以捕捉光强度和相位，为研究人员提供有关样品厚度和成分的详细信息。
“更进一步，我们可以从空间上解析细胞质量分布，”Liebel 说。“标准定量相位成像提供了质量信息，但并未揭示化学成分。 光瞬变 全息技术解决了这个限制。”
通过将红外 (IR) 或近红外光照射到样品上，特定生物分子（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，从而改变通过全息术检测到的相移。
“我们观察到相位延迟效应，温度波动可通过全息术检测到，”Liebel 解释道。“通过减去红外曝光前后拍摄的图像，我们生成了分子特异性对比图像，揭示了蛋白质的分布。调整激发波长使我们能够区分各种生物分子成分，例如脂质。”
频闪激发与高速成像相结合，进一步提高了图像质量，确保了测量的精确性和可重复性。
100GigE 相机的作用
此 马兹拉布 团队采用 Emergent HZ-21000-G 100GigE 相机，因为它速度快、视野广。这使他们能够在打开和关闭光源的同时快速连续地捕获大面积样本区域（例如整个组织切片）。
速度对于活体样本的成像尤为重要。快速获取频闪图像可确保最大程度减少运动伪影，从而保持加热和非加热样本之间的一致性。
与传统的红外吸收成像相比， 光瞬变 该方法显著提高了空间分辨率，揭示了复杂的细胞细节，而不是产生模糊不清的结构。此外，该技术的非侵入性特性最大限度地减少了样品激发和光损伤，这是未来临床应用的一个重要考虑因素。
“我们的目标是以最少的激光曝光捕捉图像，同时确保高信噪比，”Liebel 表示。“高速摄像机使我们能够收集大量光子 每帧都不会过热或损坏样品。”
这种瞬态读出方法的主要优点是它能够以卓越的信号水平进行大视野观察。
“在理想情况下，我们会获得相同的图像——一张加热，一张不加热——这样观察到的任何差异都纯粹是生化差异，”Liebel 解释道。“成像速度越快，捕获未发生改变的样本的可能性就越大，这在处理活体组织时更为重要。”
从事光瞬变全息成像研究的 Dennis van de Lockand（左）和 Daan Wolters。
利用 GPU 加速进行实时全息图处理
除了成像速度之外，Emergent 相机还支持在图形处理单元 (GPU) 上进行实时全息图处理 在连接摄像头的计算机中这是计算效率的一个基本特征。
“这对我们来说非常宝贵，因为全息图处理需要大量计算，需要进行大量的傅里叶变换，”Liebel 说。“使用 Emergent 相机，我们可以直接在 GPU 上获取图像，提取相位信息，计算加热和非加热样品之间的质量差异，应用平均值，然后仅将精简的数据传输到计算机。”
相比之下，传统的成像工作流程通常涉及流式传输原始数据，这可能导致存储瓶颈并限制连续采集。通过在 GPU 上处理数据， 马兹拉布 团队优化效率并最大化产量。
优化 LiGHT 每像素收集
除了GPU功能之外，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 “像素合并硬件选项让我们能够将帧速率提高一倍，同时将每像素的光线增加四倍，”Liebel 说道。“我们并没有充分利用 21 万像素的容量，而是以大约 4 到 4.5 万像素的分辨率运行，但帧速率却高得多——大约每秒 1,600 帧。”
这种优化使相机的分辨率与显微镜的光学规格保持一致，确保最佳成像性能。
走向临床应用
在过去的几年中， 马兹拉布 团队进行了概念验证实验， 综合 全息全光锁定检测并展示该技术的光谱和传感能力。他们的研究包括 光瞬变 自由移动样品的 3D 粒子跟踪和时间分辨成像。
下一阶段的开发重点是完善该技术以用于生物医学应用，包括识别细菌、细胞和组织类型。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，利贝尔设想未来的相机将具有更快的速度和灵敏度，从而能够检测到更细微的生物变异。
“最终目标是发展 光瞬变 “全息技术可以直接对活体患者进行成像，”他总结道。“尽管我们距离这一目标还很遥远，但这项技术有可能重新定义组织病理学并彻底改变医学诊断。”
