[論文レビュー] Smart-aggregation imaging for single molecule localization with SPAD cameras

István Gyöngy, A. Davies+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2016

Advanced Optical Sensing Technologies被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、単一分子局在顕微鏡（dSTORM/PALM）におけるSPADカメラの有効感度を向上させるスマート集約イメージングを提案する。SPADアレイからのバイナリ光子検出フレームを集約することで、光子検出効率が低いにもかかわらず信号回復を著しく改善し、高速動的撮影において将来のEMCCDおよびsCMOSを上回る可能性を示している。

ABSTRACT

SPAD cameras offer single photon detection sensitivity, high frame rates and zero readout noise. They are a core technology for widefield FLIM, but have further potential in ultra-fast imaging applications. However, in practice sensitivity falls behind that of EMCCD and sCMOS devices due to the lower photon detection efficiency of SPAD arrays. This paper considers the application of a binary SPAD camera to the capture of blinking molecules as part of a superresolution (dSTORM/PALM) experiment. Simulation and experimental studies demonstrate that the effective sensitivity of the camera can be improved significantly by aggregation of signal only binary frames. The simulations also indicate that with future advances in SPAD camera technology, SPAD devices could in time outperform existing scientific cameras when capturing fast temporal dynamics.

研究の動機と目的

• 単一分子局在顕微鏡におけるSPADカメラの光子検出効率がEMCCDおよびsCMOSに比べて低いという問題に対処する。
• ゼロのリードアウトノイズと高いフレームレートといった利点にもかかわらず、実用的な感度のギャップを克服する。
• 知的なバイナリフレーム集約を通じて有効感度を向上させる信号処理戦略を開発する。
• 高速時間的ダイナミクスを超高分解能イメージングで捉えるためのSPADカメラの実現可能性を示す。
• 将来的にSPAD技術が、超高速イメージング応用において現在の科学用カメラを上回る可能性を探索する。

提案手法

• 各ピクセルが光子の到着を1ビット信号として記録するSPADアレイのバイナリ出力を活用する。
• 連続するバイナリフレームの時間的集約により、時間経過に伴う光子イベントを蓄積する。
• 点滅する分子の空間局在を優先し保持するスマート集約アルゴリズムを実装する。
• さまざまな条件下でのSPADカメラの性能をシミュレーションし、感度向上を評価する。
• dSTORM/PALMイメージングにおけるSPADカメラの実験データを用いて結果を検証する。
• 局在精度および信号回復の観点から、集約されたSPAD性能をEMCCDおよびsCMOSと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スマート集約によるバイナリSPADフレーム処理は、単一分子局在におけるSPADカメラの有効感度を著しく向上させることができるか？
• RQ2 局在精度および信号回復の観点から、集約されたSPADイメージングの性能はEMCCDおよびsCMOSに比べてどの程度優れているか？
• RQ3 この集約手法を用いることで、SPADカメラは超高分解能顕微鏡においてどの程度の高速時間的ダイナミクスを捉えることができるか？
• RQ4 将来的にSPAD技術が、超高速イメージング応用において既存の科学用カメラを上回る可能性はどの程度か？
• RQ5 SPAD検出のバイナリ特性が、集約後に分子局在の忠実性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• バイナリSPADフレームのスマート集約は、有効感度を著しく向上させ、光子検出効率の低さを補っている。
• シミュレーションでは、光子数が少ない状況でも信頼性の高い単一分子局在が可能であることが示された。
• 実験結果により、集約処理を施したデータを用いたSPADカメラによるdSTORM/PALMイメージングが成功した。
• この手法は空間分解能を維持し、点滅する分子の正確な局在を可能にしている。
• 将来的なSPAD技術の進歩により、高速ダイナミクスイメージングにおいて現在のEMCCDおよびsCMOSカメラを上回る性能が実現可能となる可能性がある。
• この手法は、SPADアレイの低フィルファクターおよび限界のある量子効率の影響を、バイナリイベントの時間的統合によって効果的に軽減している。