CAREER: Hybrid adaptive optics: a new paradigm for faster, deeper, volumetric microscopy in scattering media

职业:混合自适应光学:散射介质中更快、更深入的体积显微镜的新范例

基本信息

  • 批准号:
    1752405
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 50万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-06-01 至 2023-05-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Optical microscopy has played a key role in biomedical discoveries for clinical management of disease, but significant challenges remain for applications that require rapid, non-invasive imaging over large volumes, particularly when imaging deep into optically dense biological media. This proposal addresses these limitations by developing new ways of splitting up, and sharing the work of image formation between state-of-the-art computational and hardware approaches. These methods will be demonstrated by imaging biological phenomena that cannot be studied with existing methods. The accompanying education and outreach activities will foster a broader appreciation for biomedical optics and imaging, and train scientists and engineers to effectively interact with, and engage the public. Outreach aspects of this proposal will create experiential and interactive inquiry-based workshops for middle and high school students, develop interactive demonstrations for the Ithaca Sciencenter and train graduate students to effectively communicate their science with the public. High-throughput volumetric microscopy deep in biological media is important for the study of dynamic biological processes, such as the biophysical interactions associated with collective cell migration, or neural network activity in the mouse brain. Optical coherence microscopy (OCM) and three-photon microscopy (3PM) are currently the modalities that enable the deepest microscopic imaging in scattering biological samples. However, their volumetric imaging speed and penetration depth is currently limited by depth-dependent photon collection, or by wavefront distortions due to aberrations and multiple scattering. This proposal will synergistically combine hardware adaptive optics (AO) and computational adaptive optics (CAO), to dramatically improve the speed and imaging depth range of volumetric OCM and 3PM.This hybrid AO approach will be used to launch new avenues of investigation, including studies on inter-cell coordination of cell traction forces during 3D migration, and investigations on the connection between behavior and spatiotemporal patterns of neural network activity deep in the mouse brain.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
光学显微镜在疾病临床管理的生物医学发现中发挥了关键作用,但对于需要快速、非侵入性大体积成像的应用仍然存在重大挑战,特别是在深入光学致密生物介质成像时。该提案通过开发新的分裂方式来解决这些限制,并在最先进的计算和硬件方法之间共享图像形成的工作。这些方法将通过对现有方法无法研究的生物现象进行成像来证明。伴随的教育和宣传活动将促进对生物医学光学和成像的更广泛的理解,并培训科学家和工程师与公众有效互动和参与。该提案的推广方面将为初中和高中学生创建体验式和互动式的基于调查的研讨会,为伊萨卡科学中心开发互动式演示,并培训研究生有效地与公众交流他们的科学。生物介质深处的高通量体积显微镜对于动态生物过程的研究非常重要,例如与集体细胞迁移相关的生物物理相互作用或小鼠大脑中的神经网络活动。光学相干显微镜(OCM)和三光子显微镜(3PM)是目前能够在散射生物样品中实现最深显微成像的模式。然而,它们的体积成像速度和穿透深度目前受到深度相关光子收集或由于像差和多次散射引起的波前失真的限制。该方案将联合收割机硬件自适应光学(AO)和计算自适应光学(CAO)相结合,极大地提高了体积OCM和3PM的速度和成像深度范围。这种混合AO方法将用于开展新的研究途径,包括研究三维迁移过程中细胞间牵引力的协调,以及对小鼠大脑深处神经网络活动的行为和时空模式之间联系的研究。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的知识产权进行评估,被认为值得支持。优点和更广泛的影响审查标准。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Aberration-diverse optical coherence tomography for suppression of multiple scattering and speckle
  • DOI:
    10.1364/boe.9.004919
  • 发表时间:
    2018-10-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Liu, Siyang;Lamont, Michael R. E.;Adie, Steven G.
  • 通讯作者:
    Adie, Steven G.
Computed optical coherence microscopy of mouse brain ex vivo
离体小鼠大脑的计算光学相干显微镜
  • DOI:
    10.1117/1.jbo.24.11.116002
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.5
  • 作者:
    Wu, Meiqi;Small, David M.;Nishimura, Nozomi;Adie, Steven G.
  • 通讯作者:
    Adie, Steven G.
Investigation of multiple scattering in space and spatial-frequency domains: with application to the analysis of aberration-diverse optical coherence tomography
空间和空间频率域中多重散射的研究:应用于像差多样化光学相干断层扫描分析
  • DOI:
    10.1364/boe.439395
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Wu, Meiqi;Liu, Siyang;Leartprapun, Nichaluk;Adie, Steven
  • 通讯作者:
    Adie, Steven
Volumetric optical coherence microscopy with a high space-bandwidth-time product enabled by hybrid adaptive optics
  • DOI:
    10.1364/boe.9.003137
  • 发表时间:
    2018-07-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Liu, Siyang;Mulligan, Jeffrey A.;Adie, Steven G.
  • 通讯作者:
    Adie, Steven G.
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  • 资助金额:
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知道了