[論文レビュー] Pixelation with concentration-encoded effective photons for molecular optical sectioning microscopy

Geng Wang, Rishyashring R. Iyer+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2023

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、濃度符号化有効光子を用いた画素化手法を導入し、多様なシステムや条件下でも定量的分子光学断層顕微鏡法を標準化する。ボリュームフラウロクロム溶液からのポisson光子統計を活用することで、画素測定値を一つの絶対単位に統一し、客観的でモダリティを超えた性能比較を可能にするとともに、生体標本における低ノイズで穏やかなイメージングを実現する。

ABSTRACT

Quality control in molecular optical sectioning microscopy is indispensable for transforming acquired digital images from qualitative descriptions to quantitative data. Although numerous tools, metrics, and phantoms have been developed, accurate quantitative comparisons of data from different microscopy systems with diverse acquisition conditions remains a challenge. Here, we develop a simple tool based on an absolute measurement of bulk fluorophore solutions with related Poisson photon statistics, to overcome this obstacle. Demonstrated in a prototypical multiphoton microscope, our tool unifies the unit of pixelated measurement to enable objective comparison of imaging performance across different modalities, microscopes, components/settings, and molecular targets. The application of this tool in live specimens identifies an attractive methodology for quantitative imaging, which rapidly acquires low signal-to-noise frames with either gentle illumination or low-concentration fluorescence labeling.

研究の動機と目的

• 異なる取得条件を有する分子光学断層顕微鏡法システム間での標準化された定量的比較の欠如に対処すること。
• 異なる顕微鏡、モダリティ、部品、および分子標的間でのイメージング性能比較の課題を克服すること。
• フラウロクロム溶液とポアソン光子統計に基づく、簡単で絶対的な測定ツールを開発することによる性能ベンチマーク。
• 低信号・低照射条件下での客観的で定量的な生体標本のイメージングを可能にすること。

提案手法

• 既知の濃度を有するボリュームフラウロクロム溶液を用いて、ポアソン分布に従う光子数に基づく基準標準を確立する。
• 有効光子は、時間積分された蛍光強度をフラウロクロム濃度からの予想光子数で正規化することで計算される。
• 画素レベルの測定値が濃度符号化有効光子に変換され、画像取得システム全体で統一された定量的単位が作成される。
• 本手法は、代表的な2光子顕微鏡を用いて検証され、異なる設定や分子標的において一貫性を示した。
• 本手法により、穏やかな照射または低濃度標識下でも、低信号対ノイズ比のフレームを迅速に取得できる。
• 本手法は、システム固有のパrameterに依存しない直接的で絶対的な指標を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる顕微鏡や取得条件間で、分子光学断層顕微鏡法の定量的性能をどのように客観的に比較できるか？
• RQ2 フラウロクロム溶液と光子統計から、画素レベルのデータを統一する標準化単位を導出できるか？
• RQ3 本標準化単位を用いた場合、低照射および低濃度標識が、画像品質に及ぼす影響は何か？
• RQ4 濃度符号化有効光子法は、生体標本のイメージングの一貫性をどのように向上させるか？
• RQ5 本手法は、光学断層顕微鏡法におけるモダリティやシステムを超えたベンチマークに、どの程度寄与できるか？

主な発見

• 本手法は、濃度符号化有効光子に基づく単一の絶対単位に画素化測定値を統一することに成功した。
• 本手法により、異なる顕微鏡、部品、および分子標的間でのイメージング性能の客観的でクロスシステムな比較が可能になった。
• 穏やかな照射または低濃度標識下でも、低信号・低ノイズのフレームを迅速に取得でき、定量的信頼性を維持した。
• 本手法は代表的な2光子顕微鏡を用いて検証され、多様なイメージング条件下でも頑健であることが示された。
• ボリュームフラウロクロム溶液からのポアソン光子統計は、絶対的定量に信頼性の高い基盤を提供する。
• 本手法は、生体標本における迅速で定量的なイメージングを可能にし、動的生物学的研究への有用性を高めた。