Що таке технологія FusionOptics?

​​Фізика визначає межі оптичних характеристик мікроскопа: на жаль,  користувачі вимушені обирати між двома варіантами: 

• бачити більшу ділянку зразка з більшою глибиною різкості, але за рахунок зменшення роздільної здатності 

АБО

• бачити меншу ділянку з більшою роздільною здатністю, але меншою глибиною різкості. 

Таким чином, незалежно від того, чи це промисловий контроль, чи скринінг зразків в медико-біологічних дослідженнях, чи нейрохірургія – користувач вимушений витрачати час на постійне перефокусування або зміну збільшення. Технологія FusionOptics від Leica Microsystems долає цю межу звичайної стереомікроскопії, залучаючи можливості людського мозку.

Принцип FusionOptics використовує два окремі оптичні шляхи стереомікроскопа, по одному для кожного ока. Один оптичний канал забезпечує глибину різкості, а інший – високу роздільну здатність. Людський мозок об’єднує два різних зображення в одне, оптимальне 3D-зображення.

Порівняно зі звичайними стереомікроскопами, технологія FusionOptics дозволяє користувачам сприймати зображення з втричі більшою глибиною різкості. Це зменшує потребу у частому перефокусуванні, економить час і дозволяє повністю зосередитися на спостереженні, що особливо важливо для детального аналізу.

FusionOptics також має значні переваги у виробничих процесах під час інспекції та доопрацювання виробів. Завдяки більшій глибині різкості користувачі можуть бачити більше деталей та точніше оцінювати рельєф поверхні, що забезпечує кращі результати під час маніпуляції зразками за допомогою інструментів. Такі ж переваги мають вагоме значення і в мікроскопії у сфері природничих наук.

Крім того, зображення, створене за допомогою FusionOptics, має вищу роздільну здатність, ніж у традиційного стереомікроскопа. Це дозволяє користувачам бачити більше дрібних деталей, що є цінною перевагою як для промислових, так і для біологічних об’єктів.

Концепція FusionOptics заснована на наукових дослідженнях зорового сприйняття та проблем зору. Дослідження показали, що мозок може вибірково обробляти інформацію від кожного ока окремо та здатний ефективно компенсувати відмінності у гостроті зору між двома очима.

Дослідження виявили можливість, яку можна реалізувати тільки у стереомікроскопах, оскільки вони фактично працюють як продовження наших двох очей. Вони дозволяють нам спостерігати мікроструктури в 3D за допомогою двох різних оптичних каналів, кожен з яких створює окреме зображення для кожного ока.

Проблема зі стереомікроскопами полягала в тому, що ще з моменту винаходу першого приладу Гораціо С. Гріну він працював за оптичними принципами, що ґрунтувалися на дослідженнях Ернста Аббе. За більш ніж століття інженери в сфері оптики, здавалося б, довели збільшення, роздільну здатність та якість зображення до максимума, дозволеного фізичними властивостями оптики. Коли було винайдено FusionOptics, ситуація змінилася.

Обмеження оптики визначаються співвідношенням між роздільною здатністю, кутом конвергенції та робочою відстанню. Чим вища роздільна здатність мікроскопа, тим більший кут збіжності між лівим і правим променями і тим менша доступна робоча відстань. 

Однак збільшення відстані між оптичними осями призведе до спотворення тривимірного зображення, яке бачить спостерігач: наприклад куб в об’єкті буде виглядати як висока вежа (рис.1).

Рис. 1 Приклад візуального спотворення прямокутника, в залежності від кута спостереження.

Збільшення діапазону масштабування саме по собі мало що дає, оскільки при постійному збільшенні не завжди буде відбуватися супутнє збільшення оптичної роздільної здатності. Результатом буде так зване порожнє збільшення [1]. Це як намагатися наблизити зображення з поганою камерою телефона – картинка ніби ближча, але дрібні деталі однаково не видно.

Вищезгадані дослідження наштовхнули інженерів-розробників Leica Microsystems на просту, але геніальну ідею: 

Чому б не скористатися здібностями мозку і не використовувати кожну траєкторію променя мікроскопа для отримання різної інформації? 

Так вони знайшли інноваційне рішення у вигляді технології FusionOptics, задіявши природні механізми сприйняття людського мозку. Цей підхід дозволив досягти одночасного збільшення роздільної здатності та глибини різкості без необхідності збільшувати кут конвергенції між двома оптичними каналами мікроскопа.

Реалізація технології FusionOptics вимагала оцінки з точки зору нейрофізіології. Було необхідно перевірити, чи може мозок обробляти сигнали з різною локальною роздільною здатністю від двох очей та формувати коректне тривимірне зображення. Попередні дослідження здебільшого зосереджувалися на двовимірних зображеннях [2,3].

Компанія Leica Microsystems представила цю ідею доктору Даніелю Кіперу з Інституту нейроінформатики при Цюріхському університеті та Швейцарському федеральному технологічному інституті [4], який спеціалізується на дослідженні обробки сигналів у мозку приматів. Він погодився провести відповідні експерименти.

Доктор Кіпер спільно з науковою асистенткою Корнелією Шультесс та доктором Гаральдом Шніцлером із Leica Microsystems розробили дослідницьку програму для перевірки цієї концепції.

Група з 36 осіб з нормальною гостротою зору пройшла психофізичні тести, які досліджували бінокулярну комбінацію зорових сигналів. Особливий інтерес представляло те, чи відбувається гасіння візуального сигналу, коли обидва ока піддаються впливу різних стимулів. Результатом цього тесту було б те, що зображення пригніченого ока сприймалося б або лише частково, або не сприймалося б зовсім.

Під час експерименту учасники спостерігали плями, розташовані навколо зафіксованої точки у центрі. На полях були ділянки з сітками або без них (рис. 2). Для створення відмінностей у сприйнятті обома очима необхідна бінокулярна диспропорція – обидва ока повинні отримувати різні стимули. Це було зроблено за допомогою спеціальних стереоокулярів, за допомогою яких на кожне око можна було проектувати окремі тестові зображення. 

Рис. 2 Схематичне зображення зорових подразників, які використовувалися під час експерименту. A: Чотири можливі варіанти сприйняття тестових зображень. Піддослідні уточнювали, де з’являються сітки та чи знаходяться вони перед червоною точкою в центрі чи позаду. B: Приклад із серії тестів для різної бінокулярної стимуляції (відповідає сприйнятому зображенню 3 з A). Сітчасті фрагменти відображалися або на тому самому оці, або на різних очах. Деякі фрагменти також демонструвалися зі зсувом в одному оці (білі стрілки).

У серії випробувань учасники експерименту почергово спостерігали різні приклади розташування  сітчастих фрагментів, що знаходилися  на різних рівнях глибини відносно площини центральної точки. Після кожного зображення, яке демонструвалося протягом 1 000 мс, випробувані повідомляли, де вони бачили сітчасті фрагменти та чи здавалися вони розташованими перед або позаду центральної точки.

Аналіз правильних і неправильних відповідей щодо розташування сітчастих фрагментів та їхньої роздільної здатності на різних площинах не виявив значущих відмінностей. У жодному з тестів не було зафіксовано пригнічення сигналу.

Цей результат означає, що людський мозок здатен використовувати найкращу інформацію від обох очей для формування оптимального 3D-зображення. Цей факт справедливий незалежно від того, чи передається в мозок одне і те ж зображення від обох очей, чи кожне око надає абсолютно різну інформацію. Результати дослідження ще раз доводять, наскільки адаптивним і потужним є наш мозок в обробці візуальних вражень.

На основі теоретичних даних, отриманих під час дослідження, компанія Leica Microsystems змогла реалізувати концепцію FusionOptics у стереомікроскопі з великим діапазоном зуму 20,5:1 та роздільною здатністю до 1 050 пар ліній (lp)/мм, що відповідає ширині видимої структури (однієї лінії) 476 нм.

Ще кілька років тому оптичні пристрої могли досягати максимуму зуму 16:1, або ж збільшувати масштаб зображення без підвищення роздільної здатності (порожнє збільшення).

Значне підвищення продуктивності, досягнуте завдяки FusionOptics, є надзвичайно цінним у повсякденній роботі з мікроскопом.

Незалежно від сфери застосування — інспекція чи контроль якості в електронній, автомобільній, аерокосмічній промисловості або при виробництві медичних приладів — технологія FusionOptics забезпечує переваги, яких неможливо досягти за допомогою традиційної стереомікроскопії.

Також від цієї технології виграють дослідники у сфері природничих наук та медицини. Як показують статті Science Lab, FusionOptics вже знайшла застосування у дослідженнях розвитку таких організмів, як Шпоркова жаба, рибки Да́нио-ре́рио  та Медака [5,6].

І, нарешті, нейрохірурги та офтальмологи, а разом із ними й їхні пацієнти, також отримують переваги: завдяки FusionOptics можна бачити дрібні деталі без необхідності постійного перефокусування або зміни збільшення [7]. 

Ця технологія реалізована в таких моделях як: Provido, Proveo та  Arveo.

Читайте також: Новітні технології в нейрохірургії: флуоресценція та доповнена реальність.

1. A. Schué, Beware of “Empty” Magnification, Science Lab (2008) Leica Microsystems.
2. Leopold, D., Logothetis, N., Activity changes in early visual cortex reflect monkeys’ percepts during binocular rivalry, Nature (1996) vol. 379, pp. 549–553, DOI: 10.1038/379549a0.
3. Polonsky, A., Blake, R., Braun, J., Heeger, D.J., Neuronal activity in human primary visual cortex correlates with perception during binocular rivalry, Nature Neuroscience (2000) vol. 3, pp. 1153–1159, DOI: 10.1038/80676.
4. Prof. Daniel Kiper, Institute of Neuroinformatics, University of Zurich, https://www.ini.uzh.ch/en/institute/people?uname=kiper, and Director of the Life Science Zurich Learning Center, Swiss Federal Institute of Technology in Zurich,
5. H. Bürgers, J. DeRose, Work More Efficiently In Developmental Biology With Stereo Microscopy: Fruit Flies (Drosophila Melanogaster), Science Lab (2016) Leica Microsystems.
6. J. DeRose, A. Felker, E. Chiavacci, G. D’Agati, C. Mosimann, J.P. Gabriel, H. Bürgers, A. Cliffe, Work More Efficiently in Developmental Biology With Stereo Microscopy: Zebrafish, Medaka, and Xenopus, Science Lab (2016) Leica Microsystems.
7. FusionOptics in Neurosurgery and Ophthalmology – for a Larger 3D Area in Focus: Innovative microscope technology combines high resolution with an increased depth of field, Science Lab (2014) Leica Microsystems.   

1. A. Schué, Beware of “Empty” Magnification, Science Lab (2008) Leica Microsystems.
2. Leopold, D., Logothetis, N., Activity changes in early visual cortex reflect monkeys’ percepts during binocular rivalry, Nature (1996) vol. 379, pp. 549–553, DOI: 10.1038/379549a0.
3. Polonsky, A., Blake, R., Braun, J., Heeger, D.J., Neuronal activity in human primary visual cortex correlates with perception during binocular rivalry, Nature Neuroscience (2000) vol. 3, pp. 1153–1159, DOI: 10.1038/80676.
4. Prof. Daniel Kiper, Institute of Neuroinformatics, University of Zurich, https://www.ini.uzh.ch/en/institute/people?uname=kiper, and Director of the Life Science Zurich Learning Center, Swiss Federal Institute of Technology in Zurich,
5. H. Bürgers, J. DeRose, Work More Efficiently In Developmental Biology With Stereo Microscopy: Fruit Flies (Drosophila Melanogaster), Science Lab (2016) Leica Microsystems.
6. J. DeRose, A. Felker, E. Chiavacci, G. D’Agati, C. Mosimann, J.P. Gabriel, H. Bürgers, A. Cliffe, Work More Efficiently in Developmental Biology With Stereo Microscopy: Zebrafish, Medaka, and Xenopus, Science Lab (2016) Leica Microsystems.
7. FusionOptics in Neurosurgery and Ophthalmology – for a Larger 3D Area in Focus: Innovative microscope technology combines high resolution with an increased depth of field, Science Lab (2014) Leica Microsystems.
   

З оригінальною статтею можна ознайомитися за посиланням