Что такое технология FusionOptics?

Физика определяет границы оптических характеристик микроскопа: к сожалению, пользователи вынуждены выбирать между двумя вариантами: 

• видеть больший участок образца с большей глубиной резкости, но за счет уменьшения разрешения 

ИЛИ

• видеть меньший участок с большим разрешением, но меньшей глубиной резкости. 

Таким образом, независимо от того, будь то промышленный контроль, или скрининг образцов в медико-биологических исследованиях, или нейрохирургия – пользователь вынужден тратить время на постоянную перефокусировку или изменение увеличения. Технология FusionOptics от Leica Microsystems преодолевает этот предел обычной стереомикроскопии, привлекая возможности человеческого мозга.

Принцип FusionOptics использует два отдельных оптических пути стереомикроскопа, по одному для каждого глаза. Один оптический канал обеспечивает глубину резкости, а другой – высокое разрешение. Человеческий мозг объединяет два разных изображения в одно, оптимальное 3D-изображение.

По сравнению с обычными стереомикроскопами, технология FusionOptics позволяет пользователям воспринимать изображения с втрое большей глубиной резкости. Это уменьшает потребность в частой перефокусировке, экономит время и позволяет полностью сосредоточиться на наблюдении, что особенно важно для детального анализа.

FusionOptics также имеет значительные преимущества в производственных процессах во время инспекции и доработки изделий. Благодаря большей глубине резкости пользователи могут видеть больше деталей и точнее оценивать рельеф поверхности, что обеспечивает лучшие результаты при манипуляции образцами с помощью инструментов. Такие же преимущества имеют большое значение и в микроскопии в сфере естественных наук.

Кроме того, изображение, созданное с помощью FusionOptics, имеет более высокое разрешение, чем у традиционного стереомикроскопа. Это позволяет пользователям видеть больше мелких деталей, что является ценным преимуществом как для промышленных, так и для биологических объектов.

Концепция FusionOptics основана на научных исследованиях зрительного восприятия и проблем зрения. Исследования показали, что мозг может избирательно обрабатывать информацию от каждого глаза отдельно и способен эффективно компенсировать различия в остроте зрения между двумя глазами.

Исследования обнаружили возможность, которую можно реализовать только в стереомикроскопах, поскольку они фактически работают как продолжение наших двух глаз. Они позволяют нам наблюдать микроструктуры в 3D с помощью двух разных оптических каналов, каждый из которых создает отдельное изображение для каждого глаза.

Проблема со стереомикроскопами заключалась в том, что еще с момента изобретения первого прибора Горацио С. Грину он работал по оптическим принципам, основанным на исследованиях Эрнста Аббе. За более чем столетие инженеры в сфере оптики, казалось бы, довели увеличение, разрешение и качество изображения до максимума, разрешенного физическими свойствами оптики. Когда было изобретено FusionOptics, ситуация изменилась

Ограничения оптики определяются соотношением между разрешением, углом конвергенции и рабочим расстоянием. Чем выше разрешающая способность микроскопа, тем больше угол сходимости между левым и правым лучами и тем меньше доступное рабочее расстояние. 

Однако увеличение расстояния между оптическими осями приведет к искажению трехмерного изображения, которое видит наблюдатель: например куб в объекте будет выглядеть как высокая башня (рис.1).

Рис. 1 Пример визуального искажения прямоугольника, в зависимости от угла наблюдения.

Увеличение диапазона масштабирования само по себе мало что дает, поскольку при постоянном увеличении не всегда будет происходить сопутствующее увеличение оптического разрешения. Результатом будет так называемое пустое увеличение [1]. Это как пытаться приблизить изображение с плохой камерой телефона – картинка вроде бы ближе, но мелкие детали все равно не видно.

Вышеупомянутые исследования натолкнули инженеров-разработчиков Leica Microsystems на простую, но гениальную идею: 

Почему бы не воспользоваться способностями мозга и не использовать каждую траекторию луча микроскопа для получения различной информации? 

Так они нашли инновационное решение в виде технологии FusionOptics, задействовав естественные механизмы восприятия человеческого мозга. Этот подход позволил достичь одновременного увеличения разрешения и глубины резкости без необходимости увеличивать угол конвергенции между двумя оптическими каналами микроскопа.

Реализация технологии FusionOptics требовала оценки с точки зрения нейрофизиологии. Было необходимо проверить, может ли мозг обрабатывать сигналы с разным локальным разрешением от двух глаз и формировать корректное трехмерное изображение. Предыдущие исследования в основном сосредотачивались на двумерных изображениях [2,3].

Компания Leica Microsystems представила эту идею доктору Даниэлю Киперу из Института нейроинформатики при Цюрихском университете и Швейцарском федеральном технологическом институте [4], который специализируется на исследовании обработки сигналов в мозге приматов. Он согласился провести соответствующие эксперименты.

Доктор Кипер совместно с научной ассистенткой Корнелией Шультесс и доктором Харальдом Шницлером из Leica Microsystems разработали исследовательскую программу для проверки этой концепции.

Группа из 36 человек с нормальной остротой зрения прошла психофизические тесты, которые исследовали бинокулярную комбинацию зрительных сигналов. Особый интерес представляло то, происходит ли гашение визуального сигнала, когда оба глаза подвергаются воздействию различных стимулов. Результатом этого теста было бы то, что изображение подавленного глаза воспринималось бы либо лишь частично, либо не воспринималось бы вовсе.

Во время эксперимента участники наблюдали пятна, расположенные вокруг зафиксированной точки в центре. На полях были участки с сетками или без них (рис. 2). Для создания различий в восприятии обоими глазами необходима бинокулярная диспропорция – оба глаза должны получать разные стимулы. Это было сделано с помощью специальных стереоокуляров, с помощью которых на каждый глаз можно было проецировать отдельные тестовые изображения. 

Рис. 2 Схематическое изображение зрительных раздражителей, которые использовались во время эксперимента. A: Четыре возможных варианта восприятия тестовых изображений. Испытуемые уточняли, где появляются сетки и находятся ли они перед красной точкой в центре или позади. B: Пример из серии тестов для различной бинокулярной стимуляции (соответствует воспринятому изображению 3 из A). Сетчатые фрагменты отображались либо на том же глазу, либо на разных глазах. Некоторые фрагменты также демонстрировались со сдвигом в одном глазу (белые стрелки).

В серии испытаний участники эксперимента поочередно наблюдали различные примеры расположения сетчатых фрагментов, которые находились на разных уровнях глубины относительно плоскости центральной точки. После каждого изображения, которое демонстрировалось в течение 1 000 мс, испытуемые сообщали, где они видели сетчатые фрагменты и казались ли они расположенными перед или позади центральной точки.

Анализ правильных и неправильных ответов относительно расположения сетчатых фрагментов и их разрешения на разных плоскостях не выявил значимых различий. Ни в одном из тестов не было зафиксировано подавление сигнала.

Этот результат означает, что человеческий мозг способен использовать лучшую информацию от обоих глаз для формирования оптимального 3D-изображения. Этот факт справедлив независимо от того, передается ли в мозг одно и то же изображение от обоих глаз или каждый глаз предоставляет совершенно разную информацию. Результаты исследования еще раз доказывают, насколько адаптивным и мощным является наш мозг в обработке визуальных впечатлений.

На основе теоретических данных, полученных в ходе исследования, компания Leica Microsystems смогла реализовать концепцию FusionOptics в стереомикроскопе с большим диапазоном зума 20,5:1 и разрешением до 1 050 пар линий (lp)/мм, что соответствует ширине видимой структуры (одной линии) 476 нм.

Еще несколько лет назад оптические устройства могли достигать максимума зума 16:1, или же увеличивать масштаб изображения без повышения разрешения (пустое увеличение).

Значительное повышение производительности, достигнутое благодаря FusionOptics, является чрезвычайно ценным в повседневной работе с микроскопом.

Независимо от сферы применения – инспекция или контроль качества в электронной, автомобильной, аэрокосмической промышленности или при производстве медицинских приборов – технология FusionOptics обеспечивает преимущества, которых невозможно достичь с помощью традиционной стереомикроскопии.

Также от этой технологии выиграют исследователи в сфере естественных наук и медицины. Как показывают статьи Science Lab, FusionOptics уже нашла применение в исследованиях развития таких организмов, как Шпорковая лягушка, рыбки Да́нио-ре́рио и Медака [5,6].

И, наконец, нейрохирурги и офтальмологи, а вместе с ними и их пациенты, также получают преимущества: благодаря FusionOptics можно видеть мелкие детали без необходимости постоянной перефокусировки или изменения увеличения [7]. 

Эта технология реализована в таких моделях как:  Provido, Proveo и  Arveo.

Читайте также: Новейшие технологии в нейрохирургии: флуоресценция и дополненная реальность

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.
   

С оригинальной статьей можно ознакомиться по ссылке