INHOLO czyli rozwój technik poosiowej mikroskopii holograficznej

Naukowcy z zespołu QCI Lab, działającej na Wydziale Mechatroniki PW, zrealizowali projekt INHOLO (in-line holography), którego celem był rozwój technik poosiowej mikroskopii holograficznej. W trakcie prac porównali dwie różne techniki poosiowej mikroskopii QPI (quantitative phase imaging) – DIHM oraz TIE. Efekty prac naszych naukowców będą przydatne głównie w biologii i biomedycynie – do lepszego obrazowania próbek. 

Badania podczas projektu prowadzone były ze szczególnym uwzględnieniem pracy na pograniczu dwóch różnych technik poosiowej mikroskopii QPI: DIHM (digital in-line holographic microscopy) oraz TIE (transport of intensity equation). Wyzwaniem dla naukowców była walka z głównymi problemami tych dwóch technik. W przypadku DIHM jest to odzyskiwanie niskich częstości fazy obrazu, a jeśli chodzi o TIE - odporność na szum. 

– Techniki wykorzystywane są w biologii i biomedycynie do obrazowania próbek – komórek, cienkich tkanek – w dużym polu widzenia i z wysokim kontrastem. Mikroskopy QPI pozwalają bowiem na obrazowanie "grubości" próbki, a więc dają kontrast nawet jeżeli komórka jest przezroczysta. Wyniki prac będą przydatne w dalekiej perspektywie w ogólnopojętej diagnostyce. Będzie ona szybsza i bardziej powtarzalna, bo nie będzie trzeba barwić preparatów mikroskopowych. Natomiast prace aplikacyjne stricte nie były prowadzone podczas projektu - zaznacza dr inż. Mikołaj Rogalski z Wydziału Mechatroniki PW. 

Projekt realizowany był jako odnoga prac Grupy QCI Lab nad mikroskopią fazową. Początkowo projekt miał być podzielony na 2 etapy - pierwszy porównujący obie techniki, a drugi łączący je. 

– W fazie pierwszej zauważyliśmy, że metoda DIHM jest bardziej odporna na szum niż TIE, ale i tak szum na nią wpływa. Zaproponowaliśmy więc nowy algorytm dla metody DIHM, który jeszcze bardziej minimalizuje wpływ szumu, pozwalając na obrazowanie komórek biologicznych przy bardzo niskich intensywnościach światła. To ważne, bo wtedy nie stresuje się ani nie niszczy komórek, co przekłada się na mniejszy wpływ pomiaru na wynik. W drugim etapie chcieliśmy połączyć obie te techniki, ale z badań wyszło nam, że dużo ciekawsze będzie połączenie metody FPM z TIE. Uzyskaliśmy w ten sposób obrazy mikroskopowe o bardzo wysokiej rozdzielczości, dużym polu widzenia (FPM) przy jednoczesnej czułości na niskoczęstotliwościowe zmiany fazy (dzięki TIE) - wyjaśnia dr Rogalski. 

W prace zaangażowani byli naukowcy z Wydziału Mechatroniki PW: dr hab. inż. Michał Józwik, prof. uczelni, dr inż. Mikołaj Rogalski, mgr inż. Piotr Arcab oraz dr hab. inż. Maciej Trusiak, prof. uczelni. Prof. Józwik był kierownikiem projektu przez większość czasu jego trwania, a dr Rogalski głównym wykonawcą (prace numeryczne), pod koniec przejmując kierownictwo (było to związanie z obroną doktoratu i wymogami regulaminu). Piotr Arcab był wykonawcą (prace eksperymentalne), a Prof. Trusiak był odpowiedzialny za szeroko pojęte konsultacje, burze mózgów oraz promotorstwo.

W ramach projektu powstały też 2 artykuły naukowe: Hybrid Iterating-Averaging Low Photon Budget Gabor Holographic Microscopy oraz Fourier ptychographic microscopy aided with transport of intensity equation for robust full phase spectrum reconstruction.